低壓下射流擴(kuò)散火焰的燃燒特性與圖像特征.pdf

1、低壓火災(zāi)是近年來(lái)火災(zāi)科學(xué)領(lǐng)域研究的新熱點(diǎn)。常見(jiàn)的低壓環(huán)境如高海拔地區(qū)和高空飛行器艙內(nèi)環(huán)境等，因其一旦發(fā)生火災(zāi)，撲滅與救援比常壓環(huán)境更為困難，且其火災(zāi)安全問(wèn)題涉及到重大的政治經(jīng)濟(jì)價(jià)值，受到了國(guó)家的高度重視。因此，開(kāi)展針對(duì)低壓環(huán)境火災(zāi)特性的研究工作刻不容緩，提出適用于低壓火災(zāi)防治的技術(shù)，保障低壓環(huán)境下人員財(cái)產(chǎn)問(wèn)題是目前亟待解決的問(wèn)題。而火災(zāi)探測(cè)作為火災(zāi)發(fā)生早期甚至極早期的重要防治手段，也需要依據(jù)低壓火災(zāi)行為的變化規(guī)律發(fā)展適用于低壓火災(zāi)的探測(cè)

2、算法與技術(shù)。低壓環(huán)境下，火災(zāi)探測(cè)特征參量如煙、光、聲、溫、色等的變化規(guī)律異于常壓環(huán)境，這些變化使得傳統(tǒng)的常壓探測(cè)算法并不完全適用于低壓火災(zāi)，容易造成漏報(bào)和誤報(bào)，引起火災(zāi)防治和救援的延滯，造成巨大的人員財(cái)產(chǎn)損失。
　　 常見(jiàn)的固體、液體火災(zāi)行為包括熱解、揮發(fā)、氣相燃燒等過(guò)程，低壓對(duì)各個(gè)分過(guò)程均存在不同程度影響，影響關(guān)系錯(cuò)綜關(guān)聯(lián)、難以解耦，無(wú)法深入、定量地揭示低壓對(duì)燃燒行為的影響機(jī)制。因此，采用燃燒過(guò)程相對(duì)單純、可控性好的氣體燃料，

3、利用可連續(xù)變壓的低壓艙模擬環(huán)境，獲取多低氣壓環(huán)境對(duì)多工況氣體燃燒多參量的影響規(guī)律，從而系統(tǒng)、全面、定量地揭示低壓下氣體射流擴(kuò)散火焰的燃燒行為與圖像特征。
　　 因此，本文從火災(zāi)動(dòng)力學(xué)、燃燒學(xué)的角度出發(fā)，研究低壓環(huán)境(45～100kPa)浮力驅(qū)動(dòng)、動(dòng)量驅(qū)動(dòng)下的氣體射流擴(kuò)散火焰的燃燒特性和圖像特征，揭示低壓對(duì)燃燒流場(chǎng)、火焰溫度、火焰輻射、火焰高度、抬升高度、脈動(dòng)頻率和振蕩強(qiáng)度等特征參量的影響規(guī)律，建立低壓下射流擴(kuò)散燃燒火焰特性、圖像

4、特征與氣壓的理論關(guān)系，為深入認(rèn)識(shí)低壓對(duì)火災(zāi)燃燒細(xì)觀行為的影響規(guī)律、為低壓火災(zāi)防治技術(shù)提供理論與技術(shù)支撐。
　　 實(shí)驗(yàn)研究方面，本文設(shè)計(jì)研制了適用于QR0-12步入式環(huán)境低氣壓試驗(yàn)艙內(nèi)實(shí)驗(yàn)的氣體射流擴(kuò)散燃燒多參量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要包括燃燒系統(tǒng)、精確流量控制與配氣系統(tǒng)、彩色圖像監(jiān)控采集系統(tǒng)、熱電偶測(cè)溫、高速紋影測(cè)量及熱輻射通量測(cè)量等部分。并開(kāi)展了45～100 kPa下浮力驅(qū)動(dòng)和動(dòng)量驅(qū)動(dòng)下的甲烷射流擴(kuò)散燃燒實(shí)驗(yàn)測(cè)量工作，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比和分析

5、，詳細(xì)研究了低壓條件下，氣壓、質(zhì)量流量、空氣伴流條件對(duì)于不同驅(qū)動(dòng)機(jī)制燃燒火焰燃燒特性和圖像特征參量的影響規(guī)律和區(qū)別。
　　 研究結(jié)果表明，火焰溫度主要由燃料種類、燃燒狀態(tài)、火焰輻射、環(huán)境氣壓所決定，受空氣伴流條件影響較小。但由于空氣伴流引起的空氣渦流促進(jìn)了火焰的脈動(dòng)行為，空氣伴流速度越大，火焰溫度波動(dòng)程度越大，但對(duì)于脈動(dòng)頻率和振蕩強(qiáng)度影響很小?？諝獍榱髦饕绊懭佳醣葪l件，當(dāng)空氣伴流增大時(shí)，燃氧比減小，火焰中碳黑氧化區(qū)間增大，熱輻

6、射強(qiáng)度增強(qiáng)。當(dāng)伴流速度u(a)增大時(shí)，火焰受到抑制而縮短。
　　 浮力驅(qū)動(dòng)火焰平均溫度小于動(dòng)量驅(qū)動(dòng)火焰，但與Fr數(shù)并無(wú)太大的依賴關(guān)系;浮力和動(dòng)量驅(qū)動(dòng)火焰輻射均隨著Fr數(shù)的增大而增大，增速逐漸減緩?；鹧娓叨入SFr數(shù)的增大而增大，且在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)動(dòng)量驅(qū)動(dòng)火焰在70 kPa出現(xiàn)高度拐點(diǎn)。兩種燃燒機(jī)制下火焰脈動(dòng)頻率表征量St數(shù)與Fr數(shù)的關(guān)系一致:St∝Fr-0.48。
　　 低壓環(huán)境下，隨著氣壓的降低，氧氣質(zhì)量密度下降，相對(duì)應(yīng)地射

7、流Fr數(shù)增大，從而影響了射流擴(kuò)散火焰的燃氧比和燃燒特性?；鹧鏈囟入S氣壓升高而降低，但在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，70 kPa以下的氣壓范圍，動(dòng)量驅(qū)動(dòng)射流擴(kuò)散火焰溫度顯示出不同的變化趨勢(shì)，這是由于氣壓持續(xù)降低，空氣密度下降，燃氧比條件Φ發(fā)生變化，燃燒從富氧燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)楦蝗剂先紵?，燃燒效率下降引起的溫度下?氣壓降低，燃?xì)馍淞魉俣仍龃螅鹧嬷刑己谕Ａ魰r(shí)間縮短，同時(shí)單位體積碳黑形成速率(mms)以及發(fā)射系數(shù)(κs)大致按照P2∞的級(jí)數(shù)衰減，導(dǎo)致火焰輻射減弱;

8、相對(duì)應(yīng)地，在溫度的拐點(diǎn)氣壓區(qū)間動(dòng)量驅(qū)動(dòng)火焰高度也發(fā)生了變化，此時(shí)LF∝P∞TF-2/3，即火焰高度受氣壓和溫度的耦合作用;浮力驅(qū)動(dòng)火焰高度與氣壓反相關(guān)，LF～P(α)∞，-0.22＜α＜-0.18;動(dòng)量驅(qū)動(dòng)火焰高度與氣壓無(wú)關(guān)，即LF∝P0∞;但在70 kPa火焰高度出現(xiàn)拐點(diǎn);在空氣伴流速度較大的情況下，氣壓下降到70 kPa時(shí)，動(dòng)量驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)了火焰抬升現(xiàn)象，且火焰抬升高度h1∝ uf～P-1∞;浮力和動(dòng)量驅(qū)動(dòng)火焰脈動(dòng)頻率與氣壓均有指數(shù)關(guān)系