水平环境风作用下扩散射流火焰下洗及脱离行为研究

发布时间：2017-12-15 01:10

  本文关键词：水平环境风作用下扩散射流火焰下洗及脱离行为研究

  更多相关文章： 水平环境风 射流火 下洗临界 下洗长度 脱离临界

【摘要】：射流火(jet flame)燃烧行为一直是火灾学与燃烧学的经典科学问题之一。射流火燃烧的物理行为可描述为:气体燃料从燃烧器以一定的动量喷出以后与空气混合,被点燃并依靠从自身火焰所反馈的热量和持续的燃料供应,维持稳定燃烧。射流火灾经常出现在输油管道和储油罐的泄露中,因其卷吸充分,燃烧效率高,具有较高的火焰温度,火焰辐射和火焰冲击对设备和周围的环境能造成严重的破坏,因而往往成为诱导泄漏事故扩大的重要因素。射流火焰燃烧稳定性(推举稳定性、推举临界)是射流火燃烧最重要的方面,它将决定火焰冲击距离、热辐射强度等其它对外部环境造成危害的参数的大小。目前对射流火焰的研究主要集中在静止无风情况下,对于水平环境风作用下的研究则进行得相对较少。而在一般情况下(如在室外、在山坡上),通常存在水平环境风;对于水平环境风作用下射流火焰的燃烧行为,前人主要通过风洞试验,从宏观上初步揭示了射流火焰的流场及反向涡旋的出现,以及固定流量的火焰下洗长度随环境风速的变化情况。而对于深层次分析水平环境风作用下射流火焰的下洗临界及下洗长度、脱离临界及尺度效应表征,目前还缺乏相关研究。基于以上因素,本文旨在通过实验研究结合理论分析来补充该领域的空白与不足。本文的实验研究主要从两个方面进行:水平环境风作用下射流火焰下洗临界和下洗长度实验研究、射流火焰脱离临界实验研究。在水平环境风作用下射流火焰的下洗临界和下洗长度演化实验方面,本文首次详尽分析并量化了非预混射流火焰下洗长度在不同直径喷嘴、不同燃料释放速率和不同水平环境风速下的演化规律,以及火焰发生下洗的临界条件。实验分别使用了 8 mm、10 mm、13 mm和15 mm内径的喷嘴,使用丙烷作为燃料,并且燃料喷出速度设置在0.38 m/s～2.42m/s之间。实验结果显示,对于给定的燃料射流出口速度,火焰下洗长度随水平环境风速增加而增加。并且在燃料射流出口速度较大时,下洗长度随风速增加更快。下洗发生时的临界风速与喷嘴内径关系不大,但随着燃料射流出口速度增加而线性增加。在此基础上,结合水平环境风动量与射流动量的比率以及燃料出口质量流率竞争的耦合效应,提出了一个新的关系式,用于描述火焰下洗长度与喷嘴内径、无量纲燃料质量流率和射流动量比的关系。该项发现提供了一些基本知识,在燃烧器设计和火炬安装方面具有潜在应用价值,即为燃烧器设置必要安全长度以防止某些可能发生的危害或降低其损害程度。在水平环境风作用下的射流火焰脱离临界演化实验方面,本文首次对水平环境风作用下射流火焰迎风侧和背风侧的脱离临界进行了详细研究,水平环境风作用下射流火焰迎风侧和背风侧脱离临界及其差值被量化。试验所利用的喷嘴内径为3 mm,5 mm,8 mm和10 mm,外径为15 mm和内径为13 mm和15 mm,外径为20 mm的喷嘴进行,所有喷嘴仅采用不锈钢制成,使用常见的气体丙烷作为燃料。实验结果显示水平环境风作用下射流火焰喷嘴背风侧和迎风侧脱离临界风速及其差值都随着燃料射流速度的增加而降低。迎风侧火焰脱离的临界水平环境风速微弱的依赖于喷嘴直径,而背风侧的脱离临界及其背风侧和迎风侧脱离临界的差值则随着水平环境风速的增加而增加。文中基于丹姆克雷数,也即混合时间和化学反应时间的比值,来分析并量化了这种水平环境风作用下射流火焰背风侧和迎风侧的差异。一个关于临界水平环境风速的差值、射流速度、喷嘴内径和壁厚的无量纲模型被推出,而且实验数据和模型吻合度很高。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O643.21

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本文编号：1290054