环形油池火燃烧特性的实验研究

发布时间：2020-08-25 07:13

【摘要】：随着国民经济的快速发展,能源燃料在利用过程中的火灾安全性问题也日益突出。液体燃料(如汽油、柴油以及煤油等)在生产、储存、运输及应用过程中,往往由于事故泄漏会导致形成油池火灾。而相对于传统意义上的油池火(即油料铺满整个油池表面),实际火灾场景中往往会受到障碍物的影响,导致泄漏燃料环绕分布在障碍物周围,油池中间形成无燃料区域,这类燃烧模型可看作环形油池火。环形油池火是一种典型的火灾模型,具有较大的热辐射危害性,容易对周围环境造成重大经济损失和人员伤亡,如浮顶油罐火灾和储油罐围堰火灾,这也暴露出目前消防在此类事故中的应急处置方面仍存在许多不足。因此,深入分析环形油池火灾事故形成机理及燃烧特性,将有利于火灾风险评估及消防安全,促进能源的安全利用。为了深入探究环形庚烷油池火的燃烧行为特征,本文设计了 5种不同特征尺寸的环形燃烧器,其内外半径Rin*Rout分别为Omm*150mm、50mm*160mm、100mm*180mm、150mm*212mm和200mm*250mm,所有油池的等效面积均为0.071m2。实验中利用电子天平、数字摄像机和K型热电偶分别测量出燃烧速率、火焰高度及羽流中心线温度等燃烧参数,并记录下火汇聚的演变过程。通过改变环形油池内外径大小、中间空气流卷吸、液体燃料层厚度以及中间障碍物高度等工况条件,进一步揭示了不同环境条件下环形油池火的典型燃烧参数和火汇聚现象的变化规律。本文的研究工作具体如下:研究揭示了中间空气流卷吸对环形油池火燃烧特性的影响规律。首先,根据环形油池火的演变图像详细描述了火焰变化过程,对比分析了 Wang等人的研究结果,发现环形油池火的燃烧阶段会受到油池内外径尺寸的影响。其次,重点揭示了中间空气流卷吸对燃烧速率、火焰高度和羽流中心线温度的影响机理,并基于热量传递理论分析,建立了典型燃烧参数与环形油池内外径(Din和Dout)之间的线性拟合关系。最后,给出了火汇聚形成机理的详细解释,并提出了火汇聚开始时间同环形油池内外径之比Din/Dout的相关预测模型。研究揭示了液体燃料层厚度对环形油池火燃烧特性的影响规律。实验中设定的燃料厚度分别为10mm和20mm。首先,比较分析了环形油池火在两种燃料厚度下的燃烧速率和火焰图像变化趋势,得到了普通油池A和环形油池B、C、D、E之间不同的燃烧阶段演变规律,提出了最大燃烧速率max同燃料厚度d和环形油池内外径比值Din/Dout乘积的关系式。其次,通过对比研究不同燃料厚度下的火焰高度值的差异性,建立了最大火焰高度Hf,max和d.Din/Dout的预测模型,并揭示了不同高度下最大中心线温度的分布规律。最后,基于火焰高度、火焰倾斜角以及环形油池内外径之间的几何关系,构建了火汇聚形成的临界条件,并进一步得到了火汇聚开始时间与Din/Dout之间的线性方程。研究揭示了中间障碍物尺寸对环形油池火燃烧特性的影响规律。首先,简单分析了燃烧火焰、中间障碍物、环形油池壁以及液体燃料之间的热量平衡关系,着重研究了在不同障碍物高度下环形油池火的火焰形态和燃烧速率变化特征,并基于此分析结果推断出燃烧过程的阶段划分。其次,深入探究了燃烧过程中的典型燃烧速率和火焰高度等参数的变化特征。最后,综合考虑环形油池内外直径和障碍物高度的共同影响,绘制了火汇聚区域分布图,并利用三角形边长定律进一步推导出中间障碍物作用下火汇聚形成的临界条件。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE88
【图文】：

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研究表明，对于火灾所造成的损失，美国不到 7 年翻一番，日本平均16 年翻一番，中国平均 12 年翻一番[3]。因此，我们需要不断探究火灾演变的规律特征，从而减少火灾对自然环境和人类社会所造成的破坏。自工业革命以来，能源燃料的消耗量日益增加。在能源燃料的利用过程中，其安全性问题也日益突出。燃料广泛应用于工农业生产中，具体可分为三种形态：固体燃料、液体燃料以及气体燃料。其中液体燃料（如汽油、柴油、煤油以及乙醇等）在生产、储存、运输及应用过程中，往往由于事故泄漏会导致形成油池火灾，如船舶机舱燃油泄漏，油料运输管线泄漏等[4-5]。油池火是一种典型的火灾模型，具有燃烧持续时间长、热辐射危害大的特点，容易对周围环境造成严重危害。以下将举例说明一些液体燃料泄漏引发火灾事故的典型案例：（1）英国邦斯菲尔德油库泄漏火灾事故2005 年 12 月 11 日，英国邦斯菲尔德油库储油罐在装油液位达到所设置的最高液位时，未能自动启动保护系统以切断进油阀门，导致油料从罐顶不断溢出，最终发生爆炸火灾事故，共烧毁大型储油罐 20 余座，受伤 43 人，直接经济损失2.5 亿英镑，如图 1.1 所示。

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合肥工业大学硕士研究生学位论文（2）大连新港“7 16”原油管道泄漏火灾事故2010 年 7 月 16 日，大连市大连新港附近一条中石油原油输油管道发生泄漏并引发大火，火灾导致部分原油、管道和设备烧损，另有 1500 吨原油流入附近海域，造成至少 50 平方公里的海域受到污染，直接经济损失达 5 亿元以上，如图 1.2 所示。

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图 1.2 大连新港原油管道泄漏火灾事故现场（图片来自新浪网）Fig 1.2 Fire accident scene results from the leakage of crude oil pipeline in Xingang, Dalian(Pictures from Sina network)（3）中石油庆阳石化公司“7 26”油料泄漏火灾事故2015 年 7 月 26 日，甘肃庆阳中石油庆阳石化公司第一联合运行部 300 万吨/年常压装置渣油/原油换热器发生泄漏事故，高温渣油（约 340-360℃）泄漏到地面，遇空气自燃着火，造成 3 人死亡、4 人受伤，如图 1.3 所示。

【参考文献】