航空煤油表面火焰脈動(dòng)及表面流特性研究.pdf

1、航空煤油是一種最常用的飛機(jī)燃料。近年來(lái)，隨著航空工業(yè)的快速發(fā)展，因航空煤油泄漏造成的火災(zāi)事故也頻頻發(fā)生。航空煤油具有火勢(shì)兇猛、輻射熱強(qiáng)等特性，發(fā)生火災(zāi)時(shí)危害性大，往往會(huì)造成重大財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。雖然火蔓延僅是火災(zāi)發(fā)展中的一個(gè)短暫過(guò)程，但它卻決定著火災(zāi)的發(fā)展方向、發(fā)展速度以及火災(zāi)撲救的最佳時(shí)機(jī)和滅火效果等。因此，有必要對(duì)航空煤油表面火蔓延特性和機(jī)理進(jìn)行研究，為控制此類火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展、撲救以及火災(zāi)事故調(diào)查分析提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2、r>　　 本論文在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的液體燃料火蔓延實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。主要利用紋影系統(tǒng)、紅外熱像儀、熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)、PIV系統(tǒng)以及火焰圖像采集系統(tǒng)對(duì)不同初始溫度、不同油層厚度和油池寬度條件下航空煤油表面火蔓延過(guò)程中，主火焰和閃燃火焰的脈動(dòng)特性、表面流結(jié)構(gòu)以及障礙物對(duì)其預(yù)熱作用的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。利用表面張力效應(yīng)速度模型計(jì)算了不同初始溫度和不同厚度條件下的表面流速度。論文的具體工作包括：
　　 揭示了航空

3、煤油表面火焰脈動(dòng)特性。研究結(jié)果表明：液相控制階段，主火焰以高頻脈動(dòng)和低頻脈動(dòng)交替進(jìn)行的模式向前蔓延；主火焰的脈動(dòng)幅以及主火焰低頻脈動(dòng)蔓延時(shí)的速度值基本不受航空煤油初始溫度的影響，分別為4.4cm～4.8cm和40～55cm/s；主火焰脈動(dòng)頻率隨航空煤油初始溫度升高而增大。當(dāng)航空煤油的初始溫度82℃≤T0＜84℃，主火焰穩(wěn)定蔓延，隨航空煤油初始溫度升高，油面上方燃料蒸汽由燃燒下限增大至化學(xué)計(jì)量比濃度，主火蔓延速度迅速增大至約120cm/s

4、。閃燃火焰的脈動(dòng)頻率隨航空煤油初始溫度升高先增大后減小，與之相反，閃燃火焰的脈動(dòng)幅值隨航空煤油初始溫度升高先減小后增大。閃燃火焰蔓延機(jī)理和氣相控制階段主火焰蔓延機(jī)理不同。
　　 揭示了油池寬度和油層厚度對(duì)航空煤油表面火蔓延影響規(guī)律。研究結(jié)果顯示：當(dāng)航空煤油厚度小于8mm時(shí)，為薄油層火蔓延機(jī)制。對(duì)于薄油層火蔓延，主火焰平均速度隨燃料厚度增大而增大，主火焰和閃燃火焰脈動(dòng)頻率隨燃料厚度增大而減小，脈動(dòng)幅值隨燃料厚度增大而增大。當(dāng)航空煤

5、油厚度在8mm～4mm之間時(shí)，表面流的動(dòng)量導(dǎo)致火蔓延速度隨燃料厚度減小而減??；隨航空煤油厚度繼續(xù)減小表面流熱量損失也影響火蔓延速度；當(dāng)燃料厚度小于2mm時(shí)，表面變形導(dǎo)致火焰不能蔓延。當(dāng)航空煤油厚度大于8mm時(shí)，為厚油層火蔓延機(jī)制，此時(shí)，燃料厚度對(duì)火蔓延現(xiàn)象基本沒(méi)有影響。不同油池寬度條件下火蔓延的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)油池寬度小于8cm時(shí)，油盤側(cè)壁對(duì)表面流的粘性作用隨油池寬度增大增大而減弱，所以，火蔓延速度和表面流鋒面速度隨油池寬度增大而迅速增

6、大；當(dāng)油池寬度大于8cm時(shí)，油盤側(cè)壁對(duì)表面流的粘性作用不明顯，火蔓延速度和預(yù)熱區(qū)推進(jìn)速度隨油池寬度增大而緩慢增大。研究發(fā)現(xiàn)，臺(tái)階溫升隨油池寬度和航空煤油厚度增大而增大，預(yù)熱時(shí)間隨油池寬度和航空煤油厚度增大而減小。
　　 實(shí)驗(yàn)研究了表面流特性，建立數(shù)學(xué)模型分析了表面流形成機(jī)理及液相傳熱模式。表面流前端始終存在一個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的渦流；主火焰高頻脈動(dòng)時(shí)，在火焰下方出現(xiàn)新的渦流；當(dāng)主火焰低頻脈動(dòng)時(shí)，新形成的渦流逐漸消失。表面流的熱邊界層厚

7、度約為8mm～10mm，動(dòng)量邊界層厚度大約10mm，兩者基本不隨航空煤油初始溫度升高而變化。薄油層火蔓延時(shí)，表面流的特征尺度比（表面流長(zhǎng)度與厚度之比）隨燃料厚度增大而減小，表面流速度和Fr·Ma-0.5成反比關(guān)系；厚油層火蔓延時(shí)，表面流的特征尺度比基本不隨燃料厚度增大而變化。在液相控制階段，當(dāng)障礙物頂端與油面齊平時(shí)，主火焰在障礙物前的停滯時(shí)間隨航空煤油初始溫度升高而縮短，障礙物阻礙表面流向前運(yùn)動(dòng)是火焰在障礙物前停滯的主要原因。當(dāng)障礙物在