低壓條件下氣體射流的燃燒特性與火焰形態(tài)研究.pdf

1、隨著人類在高原、高空環(huán)境活動的增多，低壓下火災為人類帶來了新的問題和挑戰(zhàn)。發(fā)展高原和高空環(huán)境下火災的防治技術顯得越來越重要，因此研究低壓下火災燃燒特性具有重要的現(xiàn)實意義。根據(jù)前人的研究發(fā)現(xiàn)，對于火災燃燒條件來說，低氣壓環(huán)境區(qū)別于正常大氣環(huán)境的最大不同就是空氣密度和氧氣分壓的減小。不同壓力下空氣密度和氧氣分壓的改變，分別直接導致了浮力作用和碳黑產(chǎn)生量的不同。浮力和火焰抖動、火焰形態(tài)等息息相關，一般用弗勞德數(shù)表征浮力對火焰作用的大小。而碳黑

2、與燃燒效率、火焰形態(tài)、產(chǎn)煙傾向等有關。因此自然地確定浮力和碳黑作為研究低壓對火災燃燒作用的途徑，并選取在不同壓力下有著相等質(zhì)量損失速率的氣體燃料作為研究對象。
　　低氣壓環(huán)境的實現(xiàn)主要有高海拔現(xiàn)場自然環(huán)境和低壓艙人工模擬環(huán)境兩種方式?，F(xiàn)場自然環(huán)境實驗雖然花費大開展難，但是它適合開展大尺度的火災燃燒實驗，特別適合用來發(fā)現(xiàn)不同氣壓下火災宏觀現(xiàn)象的不同，因此在拉薩和合肥兩地分別搭建了小型錐形量熱儀進行實驗，主要用氣體分析儀測量排煙管道內(nèi)

3、的燃燒產(chǎn)物、熱電偶樹測量火焰羽流溫度、輻射計測量火焰對周圍的輻射熱流、光學煙密度計測量煙氣的消光系數(shù)，并使用簡化的化學量熱法計算熱釋放速率。在揭示不同海拔高度火災宏觀現(xiàn)象的基礎上，在低壓艙內(nèi)開展多級低壓條件下適于研究燃燒機理的多種實驗。實驗中，主要采用不加裝濾光片的相機測量發(fā)光火焰形狀、加裝CH濾光片的相機嘗試獲取化學當量比火焰形狀，采用高速相機和快速傅里葉變換先后拍攝火焰抖動過程和計算火焰抖動頻率。
　　在拉薩和合肥兩個海拔高度

4、上，通過錐形量熱儀測量甲烷、乙炔和丙烷的熱釋放速率和輻射熱流等參數(shù)，進一步揭示和明確了低氣壓對燃燒效率和輻射分數(shù)等主要參數(shù)的影響。通過總結不同含碳量燃料的類似結果，可以表明:低壓下火焰的熱釋放速率和燃燒效率更高;低壓下火焰總羽流溫度更高;低壓下火焰輻射熱流和輻射分數(shù)更小;低壓下火焰產(chǎn)生煙氣的透射率更大，說明低壓下火焰的產(chǎn)煙率更小。
　　在低壓艙內(nèi)通過實驗研究了多個等級低壓下甲烷、乙烯和丙烷擴散火焰抖動行為，主要是研究火焰抖動頻率和

5、壓力之間的關系以及出口速度對抖動頻率的影響。主要發(fā)現(xiàn)總結如下:層流擴散火焰抖動行為可以分為頂部抖動、間歇抖動、和連續(xù)抖動3個區(qū)域，連續(xù)抖動發(fā)生在較大燃料流量或較大壓力下;抖動頻率對燃料流量和類型不敏感，隨流量的增加只略微增加，相同實驗壓力下3種燃料火焰的抖動頻率幾乎相等;抖動頻率隨壓力升高而增大，實驗壓力范圍內(nèi)從8Hz增加到12Hz，測量的抖動頻率隨壓力增加的0.27次冪而增大;另外，在一些條件下觀察到了丙烷火焰存在多重頻率現(xiàn)象。

6、>　　在低壓艙內(nèi)測量了0.03到0.1MPa壓力范圍內(nèi)，不發(fā)煙甲烷、乙烯和丙烷穩(wěn)定火焰的發(fā)光形狀，經(jīng)過對高度和寬度使用無量綱數(shù)縮放分析，得到了如下結論:Reynolds數(shù)線性縮放模型對烴類燃料基本適用，在不同的Re數(shù)下浮力和碳黑的共同作用使得線性關系的斜率發(fā)生了輕微變化;在最大的Fr數(shù)或最低壓力下，浮力對火焰高度的影響不重要，相反，在最小Fr數(shù)區(qū)域，浮力對火焰高度作用占主導地位;在對火焰寬度進行Froude數(shù)縮放時，發(fā)現(xiàn)歸一化火焰寬度和

7、Froude數(shù)存在著很好的線性關系。
　　在低壓艙測量了多級壓力下，不發(fā)煙甲烷、乙烯和丙烷穩(wěn)定火焰的發(fā)光形狀，特別為甲烷火焰進行了0.2個大氣壓的實驗，發(fā)光火焰高度和寬度隨壓力的變化規(guī)律總結如下:第一種情形，對于較大燃料流量和較高壓力范圍條件，火焰高度呈現(xiàn)“先增后減”趨勢;第二種情形，在較小流量和較低壓力范圍內(nèi)，可總結出“先減后增”趨勢。第三種情形，在合適的燃料流量和壓力范圍下，火焰高度會呈現(xiàn)“先減后增再減”趨勢。
　　在低

8、壓艙內(nèi)進行了乙炔層流射流擴散火焰煙點實驗，實驗壓力范圍為0.03～0.1 MPa。利用建立的反應射流中心線速度變化模型對實驗結果進行深入分析，發(fā)現(xiàn)煙點火焰高度、燃料質(zhì)量流量、存留時間和壓力之間存在如下關系:低壓下乙炔煙點火焰高度隨壓力升高而減小，這個變化趨勢與高壓下乙烯和甲烷火焰的變化規(guī)律相同;煙點燃料質(zhì)量流量隨壓力的冪指數(shù)變化，冪指數(shù)為負值，與先前多數(shù)實驗結果一致;在一個很大的壓力范圍（0.03 MPa到1.6 MPa）內(nèi)，煙點火焰存