小尺度油池火非穩(wěn)態(tài)燃燒特性及熱反饋研究.pdf

1、典型的燃油泄漏火災是具有一定厚度的油池火，以及可能引發(fā)噴濺現(xiàn)象的墊水池火。火焰高度和燃燒速率是描述其燃燒過程最基本的特性參數(shù)，而燃料所接收的熱反饋量將決定著燃燒過程的發(fā)展。通過對小尺度非穩(wěn)態(tài)油池火進行實驗研究可以深入認識其燃燒過程和特性，而對火焰熱反饋進行理論分析可以進一步了解油池火的熱傳遞機理，分析出熱反饋的主導因素，從而為控制油池火災提供理論依據(jù)。
　　 正庚烷和航空煤油是兩種具有代表性的燃料，前者為純凈物且閃點和沸點較低，

2、后者為混合物且閃點和沸點較高。本文首先通過模擬實驗，研究了正庚烷和航空煤油池火的非穩(wěn)態(tài)燃燒特性及溫度分布；隨后實驗研究了墊水池火的燃燒特性及薄層噴濺現(xiàn)象；最后通過熱平衡分析對小尺度油池火非穩(wěn)態(tài)燃燒過程的熱反饋規(guī)律進行研究，建立熱反饋和燃燒速率計算模型。論文具體工作包括：
　　 利用火災科學國家重點實驗室多功能火災實驗廳開展小尺度油池火和墊水池火燃燒實驗。實驗中油池直徑有0.10m、0.14m、0.20m和0.30m四種，初始油層

3、厚度為6.4mm、12.8mm和19.6mm，燃油初溫在室溫到燃料沸點之間選取，墊水層厚度取12.8mm。利用質(zhì)量稱重系統(tǒng)研究油池質(zhì)量損失速率的實時變化情況，借助微細熱電偶測量燃料和池壁溫度分布，采用數(shù)字攝像機獲取火焰和液面數(shù)字圖像從而對油池火焰高度特征及液相沸騰狀況進行研究。
　　 研究了小尺度油池火火焰高度和燃燒速率的即時變化情況。結(jié)果表明，小尺度油池火非穩(wěn)態(tài)燃燒過程可以劃分為預燃、穩(wěn)定燃燒、沸騰燃燒以及衰減熄滅等四個典型燃

4、燒階段，通過沸騰理論分析發(fā)現(xiàn)池火發(fā)生沸騰燃燒的條件是池壁溫度超過燃料沸點，因此燃料沸點越低油池越容易發(fā)生沸騰燃燒現(xiàn)象，且沸騰強度隨著初始油層厚度和燃油初溫的升高而增大。對于沸點較高的燃料，初始油層厚度較大或者燃油初溫較高時，才會發(fā)生沸騰燃燒現(xiàn)象。
　　 分析了油池直徑、初始油層厚度、燃油初溫和墊水層等因素對小尺度油池火燃燒速率的影響。結(jié)果表明，在實驗范圍內(nèi)，穩(wěn)定燃燒速率、沸騰燃燒速率和平均燃燒速率均隨油池直徑的增加而增大，并且燃

5、燒速率與油池直徑之間滿足一定關(guān)系；隨著初始油層厚度增大，穩(wěn)定燃燒階段增長，穩(wěn)定燃燒速率基本保持不變，而沸騰燃燒速率顯著增加；隨著燃油初溫升高，穩(wěn)定燃燒階段顯著縮短，穩(wěn)定燃燒速率變化不大，但沸騰燃燒速率顯著增加；墊水燃燒時，庚烷池火沒有發(fā)生沸騰燃燒，其燃燒速率略低于未墊水工況，而航空煤油池火在發(fā)生噴濺現(xiàn)象后燃燒速率顯著增加。
　　 通過小尺度墊水池火實驗研究了薄層噴濺現(xiàn)象的發(fā)生條件和特點。結(jié)果表明，小尺度墊水池火發(fā)生薄層噴濺現(xiàn)象的

6、條件是油/水界面溫度超過水的沸點，因此只有沸點遠大于水的航空煤油池火發(fā)生了薄層噴濺現(xiàn)象，而沸點小于水的庚烷池火則只發(fā)生了局部濺射現(xiàn)象。對噴濺現(xiàn)象相關(guān)參數(shù)的研究表明，預噴濺燃燒速率隨著油池直徑的增加而增大，而隨初始油層厚度變化不大；噴濺起始時間隨油池直徑增加而增大，與初始油層厚度幾乎呈線性關(guān)系，根據(jù)其斜率可以得到平均熱波穿透速率，其值隨油池直徑增加不斷增大；已燃質(zhì)量比隨初始油層厚度增加而增大，隨油池直徑增加先增大后趨于穩(wěn)定；噴濺強度則隨初

7、始油層厚度增加有所增大，隨油池直徑增加顯著減小。
　　 通過熱平衡分析對小尺度油池火非穩(wěn)態(tài)燃燒過程的熱反饋規(guī)律和燃燒速率進行理論分析和計算。結(jié)果表明，通過熱反饋分析計算得到的火焰發(fā)射功率與前人測量的油池頂面附近平均輻射通量比較接近；計算得到的瞬時燃燒速率和穩(wěn)定燃燒速率與實驗結(jié)果比較吻合；在實驗范圍內(nèi)，小直徑池火熱反饋以對流熱反饋模式為主，大直徑池火則以輻射熱反饋為主；在小尺度薄油池火燃燒過程中，池壁熱損失對燃燒速率大小具有強烈影