环境风作用下池火燃烧速率、热反馈机制及辐射特性研究

发布时间：2020-05-05 15:20

【摘要】：油池火的燃烧行为是火灾学界和燃烧学界的经典问题。前人针对无风环境和水平风作用下油池火的燃烧行为进行了大量的理论分析和实验研究,但着眼于一些特殊尺度和边界条件池火的燃烧行为的研究仍较为有限:(1)环境风作用下“光学薄”较大尺度油池火的燃烧速率和热反馈机制演化。前人针对环境风作用下油池火燃烧速率演化的研究多集中于较小尺寸(传导-对流主控)和较大尺寸(完全辐射主控),而对于介于对流和辐射主控之间过渡段的“光学薄”池火的研究还很缺乏;(2)环境风作用下较大燃料液面深度(油池上沿与燃料液面之间的竖直距离)油池火燃烧速率演化。前人的研究多集中于存在环境风但燃料液面深度较小、或燃料液面深度显著但处于静风环境的油池火,而尚无针对环境风与燃料液面深度的耦合作用对油池火燃烧速率演化影响的研究。而在现实中,油罐火灾均具有较大的燃料液面深度且发生于室外(存在环境风);(3)环境风作用下池火辐射特性。前人针对池火辐射特性的研究绝大多数针对无风环境下的池火,而针对环境风作用下池火辐射特性的定量研究仍非常有限。因此,需要针对上述情况,针对环境风作用下的池火燃烧行为进行进一步的研究。本文围绕环境风作用下池火的燃烧速率、热反馈机制演化和辐射特性,采用理论分析与实验研究相结合的方法进行研究。利用自制的不同尺寸(5-70 cm)、燃料液面深度的油池、多孔燃烧器,首先研究了“光学薄”较大尺寸正庚烷池火燃烧速率和热反馈机制随环境风速的演化规律,然后研究了环境风和燃料液面深度耦合作用对正庚烷池火燃烧速率的影响,最后研究了环境风作用下丙烷池火的辐射特性。具体工作包括:(1)量化了“光学薄”较大尺度油池火燃烧速率随风速的非线性演化规律。通过实验研究发现,随着风速的上升,该尺度油池火的燃烧速率随尺寸不同呈现不同的非线性演化规律;并分析了各演化阶段的物理机制。利用边长为25-70 cm的5个正方形正庚烷池火进行了燃烧风洞实验(风速为0-约4.5 m/s)。发现油池火的燃烧速率随油池尺度的不同显现出不同的非线性演化规律。较小尺寸油池火(25 cm35 cm)的燃烧速率随风速呈现先上升后下降的趋势。其中的上升趋势是由于环境风加强了强迫对流。而当风速进一步上升时,火焰滞留时间下降。当其低于一临界值时,火焰从油池前沿脱离,环境风直接冷却液面,导致燃烧速率下降。而当油池尺寸进一步增大时,燃烧速率先上升后下降,而后再上升。风速较小时,环境风在加强火焰区空气和燃料蒸汽的掺混,并削弱液面附近蒸汽锥对辐射热反馈的阻碍作用,燃烧速率上升;随着风速的增加,火焰倾斜愈发剧烈,辐射热反馈下降,燃烧速率下降;而当风速较大时,池火的燃烧将转变为强迫对流主控,环境风加强强迫对流,燃烧速率再次上升。同时给出了基于弗劳德数(表征池火浮力诱导速度和环境风速的竞争机制)的各转折点临界风速拟合,显示了良好的线性关系,显示出环境风速和浮力诱导速度在转折点处达到了某种平衡,弗劳德数大致相等。(2)研究了环境风和燃料液面深度的耦合作用对油池火燃烧速率的影响。利用边长为5-20 cm,燃料液面深度为0.25-2倍油池边长的正庚烷油池进行了燃烧风洞实验。实验结果显示,无风环境中油池火的燃烧速率随燃料液面深度呈现非线性的演化规律,并针对这一特殊的演化进行了相应的传热机制分析。在环境风作用下,油池火燃烧速率随油池尺度和燃料液面深度的不同而呈现不同的演化规律。对于尺寸较小的池火(510 cm),燃烧速率在燃料液面深度较小时随风速增加而单调上升,而在燃料液面深度较大时先下降后上升。对于尺寸较大的池火(1520 cm),燃烧速率在燃料液面深度较小时呈现上升-下降-上升的演化趋势,而在燃料液面深度较大时同样呈现先下降后上升的趋势。这些不同的趋势是由于环境风和燃料液面深度的耦合作用会形成火焰和油池液面之间的显著距离,从而影响燃料接收的热反馈。除此之外,环境风会将火焰“推入”油池内部,从而进一步影响热反馈。同时提出了耦合环境风速、油池尺度和燃料液面深度的燃烧速率模型。(3)研究了环境风作用下丙烷气体池火的辐射热流和辐射分数随环境风速、燃烧器尺寸和火源功率的演化规律。选用尺寸为8-20 cm的正方形多孔丙烷燃烧器,在较大的环境风速范围(0-～5 m/s)和不同的火源热释放速率(9.24-27.72 kW)条件下进行了燃烧风洞实验。实验结果显示,当风速大于0.5 m/s时,辐射热流和辐射分数均随风速上升而单调下降。在此基础上,结合前人提出的火焰辐射分数与火焰体积(或火焰表面积)之间的正比关系,基于提出的三角形假设对强风作用下的火焰投影面积进行简化,并进一步使用火源尺寸、火焰高度和火焰贴地长度等参数量化了火焰表面积。进而提出了耦合风速、燃烧器尺寸和火源功率的基于火焰投影面的辐射分数无量纲模型。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X932

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本文编号：2650356