高原乙醇油池火燃烧特性实验研究*

为研究低压条件下油品燃烧特性,以乙醇油池火为研究对象,搭建高原油池火实验平台,研究不同油盘直径下乙醇油池火燃烧规律,分析燃烧速率、火焰高度和火焰脉动等参数随时间的变化规律。研究结果表明:低压条件下的乙醇油池火,燃烧速率小于同等尺度常压条件下的油池火燃烧速率;乙醇油池火的燃烧速率随油盘直径增加变化不明显;火焰高度随油池直径增加呈现显著上升趋势,并拟合推导出适用于低压乙醇池火的火焰高度公式;火焰脉动频率随油池直径增大而减小,并给出火焰脉动与油池直径的经验公式。研究结果可丰富低压乙醇燃烧的油池火实验数据,为低压乙醇油池火的风险评估提供参考。     

高原与平原地区油池火燃烧特性对比试验研究

为研究高原环境液体燃烧时火焰特性参数与平原地区的差异,在拉萨和合肥进行了汽油油池火燃烧试验.结果表明,在燃料类型和油盘尺寸相同的条件下,两地汽油和柴油的质量燃烧速率之比等于大气压力之比,且高原地区的汽油火火焰比平原地区细长. 随着高度的增加,高原地区羽流中心温升的下降幅度减小,且幅度小于平原地区. 相同燃烧速率下,高原地区小尺寸油盘的油池火高度和中心温度大于平原地区,McCaffrey羽流温升公式不适用于计算低压环境下小功率火源.研究表明,由于氧气含量和压力的不同,高原地区燃料的燃烧特性与平原呈现不一样的规律.进一步研究环境压力对燃料燃烧特性的影响规律,可为研究高原火灾发展规律及火灾防治技术提供理论指导.     

泄漏原油水面池火燃烧特性试验研究

为解决使用就地燃烧法(ISB)处理海面溢油时,燃烧效率低,除油效果不理想的问题,使用轻质原油在宽阔水面油池火试验装置中开展小尺度模拟试验。首先,设计宽阔水面油池火试验装置模拟就地燃烧处理过程;然后,测量火焰高度、系统温度和燃烧残渣质量;最后,研究不同油池直径和初始油层厚度下平均火焰高度的变化。结果表明:宽阔水面油池火的燃烧可以分为4个阶段;热波传递是沸溢产生的主要原因;燃烧效率与油层厚度呈正相关。     

油盘直径和高度对火旋风特征影响的试验研究

为考察油盘直径和高度对航空煤油火旋风特征的影响,利用四面边墙夹缝式火旋风试验装置,对地面到0.8 m高度,直径0.1,0.15和0.2 m池火形成的火旋风进行试验研究。首先利用Rankine涡理论,分析质量燃烧速率和速度环量的定量关系,探讨火旋风的气动平衡机制;再由电子天平记录的燃料质量随时间变化曲线,得到准稳定阶段火旋风质量燃烧速率;利用摄像机记录的火焰连续图像,获得火焰时平均高度。理论分析表明,就给定半径的油盘而言,在假定涡核半径与油盘半径之比不变的情况下,质量燃烧速率与速度环量成线性关系。分析试验数据发现,无量纲质量燃烧速率及无量纲火焰高度随无量纲油盘高度的增加均呈现负指数递减趋势,并逐渐趋于相近的常值。     

正方形煤油池火燃烧特性研究

实验研究了无风条件下正方形煤油池火的燃烧特性，包括燃烧速率、火焰高度和火焰脉动频率等。正方形油池边长分别为0．2m，0．4m，0．6m，0．8m，油池壁面高度均为0．13m。利用图像处理技术分析了油池火火焰高度，并在此基础上建立了获取火焰脉动频率的两种方法。研究发现，油池壁面高度的存在使油池火的燃烧速率低于理论值；燃烧速率实验值与油池特征尺寸（d／L）呈单调递减关系；较小尺度油池的平均火焰高度与理论预测值比较接近，但较大尺度油池的平均火焰高度明显低于理论预测值；油池壁面的存在使油池火脉动频率低于理论值；随特征尺度（d／L）的增加火焰的脉动频率范围加大，脉动不稳定加剧。     

KI50X特高压变压器油火灾特性参数分析

为了获得KI50X特高压变压器油火灾特性参数,在大空间试验厅中,通过在不同尺寸油盘中燃烧KI50X型特高压换流变压器油,测量了燃烧速率、火焰平均高度、羽流轴向温度等燃烧特性参数。详细讨论了燃料初始温度、燃料厚度、油池直径等对燃烧速率、火焰平均高度、羽流轴向温度的影响。燃料厚度对质量损失速率有较大影响,燃料厚度为20mm时,可以观察到包括:(Ⅰ)初始增长、(Ⅱ)准稳态燃烧和(Ⅲ)衰减至熄灭3个典型燃烧阶段,因此燃料厚度都设为20 mm。当初始燃料温度从25℃升高到90℃时,会出现整体沸腾现象,导致质量损失率出现第二个峰值。此外,分别提出了在常温(25℃)和高温(90℃)下,油池直径与稳定阶段燃烧速率的关联式参数。通过对试验数据的拟合,在过渡火焰和总湍流火焰条件下,KI50X型特高压换流变压器油的燃烧速率符合液体燃料燃烧速率与油池直径的一般关系。火源上方无量纲高度处的轴向无量纲温度分布与Z/D成正比。拟合得到的轴向平均温度分布关系式表明,随轴向高度与KI50X变压器油池直径之比的增大,轴向无量纲温度升高比生物柴油和正庚烷油池快。最后系统地给出了25℃及90℃下KI50X型特高压变压器油燃烧特性拟合公式的一系列参数。     

有风条件下航空煤油池火燃烧特性的实验研究

在全尺寸热释放速率实验台的基础上,搭建有风条件池火实验平台,开展了不同风速条件下的航空煤油池火燃烧实验,实验所用正方形油盘的边长分别为0.2m、0.3m和0.4m,风速范围为0 m.s-1至4.99 m.s-1。实验结果表明,风速为0 m.s-1时航空煤油池火的燃烧速率随油盘尺寸增大而单调递增,实验值与理论值的差距随风速增大而减小。实验所得.m″windy/.ms″till与v/D呈线性关系,与前人结论一致,但实验所得参数与前人值不同。同尺寸油盘池火的热释放速率峰值来临时间随风速增大有减小的趋势;不同尺寸油池火的燃烧速率随风速增加而单调递增。对不同尺寸油池火的热释放速率峰值随风速的变化规律作了讨论。     

多火源火旋风相互作用的实验研究

为研究多火源条件下火旋风的相互作用,利用四面边墙夹缝式实验装置对3种不同直径油盘形成的火旋风进行实验研究。由电子天平记录的燃料质量随时间变化曲线,得到准稳态阶段火旋风的质量燃烧速率;利用摄像机记录的火焰连续图像,获得火焰高度;基于实验现象及实验数据对质量燃烧速率、火焰高度和火焰形态的分析,提出多火源火旋风质量燃烧速率和火焰高度的半经验线性关系式。研究表明:大直径油盘形成的火旋风比小直径油盘更容易受到拖拽力和涡量的作用影响。     

航空煤油池火脉动频率试验研究

为比较液体燃料池火与前人研究的气体燃料扩散火焰脉动频率的差异,对圆形航空煤油池火的脉动规律进行了试验研究。使用的油盘直径分别为0.1 m、0.15 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m和0.5 m 6种。使用电子天平实时记录油盘内燃料质量的变化,作为对油池火是否进入准稳定状态的判断依据。之后应用自编的基于亮度阈值法的Matlab程序,首先对CCD摄像机所记录的准稳定状态下连续火焰图像序列中每一张图像的每一个像素点是否为火焰区域进行判断,完成火焰图像的二值化处理;再由火焰图像二值图计算瞬时火焰高度;最后对火焰高度随时间的变化结果进行快速傅立叶变换(FFT),获得火焰脉动的频域分布。在利用无量纲特征数Strouhal数St和Richardson数Ri分析火焰脉动频率与不同影响因素之间定量关系的基础上,应用试验数据,对油池火焰脉动频率预测方程进行了最佳拟合,得到了油池火脉动频率与油盘直径的经验关系式。对相同尺度的池火而言,依据此关系式计算所得的火焰脉动频率略小于前人以气体为燃料进行研究所得到的结果,且二者之间的差异随油池尺度增加而逐渐缩小。结合火焰形状动态演化的周期性特征对此现象进行了定性分析。因为油盘中的液体燃料接收火焰辐射传热需要一定的时间,导致燃料蒸发延迟,而使火焰脉动频率略有下降。     

狭长空间内通风对航空煤油池火燃烧速率的影响

在风速0～2.3 m/s、5.6 m×0.8 m×0.8 m的低湍流狭长风洞内对边长3～9 cm的正方形航空煤油池火进行燃烧试验,结合FDS数值模拟,研究了狭长空间内通风和油盘尺寸对正方形航空煤油池火燃烧速率的影响,并做出相应的分析.结果表明,数值模拟结果和试验结果吻合得较好.航空煤油的燃烧速率随风速的增大而升高,且油盘下风侧壁面对燃料的导热加强是促进燃烧的主要因素.随着油盘尺寸的增大,油池获得的热反馈增强,航空煤油燃烧加剧.     

不同通风条件下柴油池火的实验研究

为了分析不同通风条件对柴油池火燃烧特性及引燃特性的影响,进行205 mm带水垫层柴油池火的引燃实验,通过对池火燃料的质量损失速率、火焰高度、温度及热辐射等的监测,分析通风环境中柴油池火的热传递规律。结果表明:当风速为0.5 m/s时,火灾进入旺盛阶段的时间提前,火焰平均温度最高;当风速为1 m/s时,风速的增加导致油池火的质量损失速率增加,位于主火源下风向的待引燃火源获得的热辐射通量增大,火灾旺盛阶段火焰的平均温度降低,火焰高度降低,下风向相邻油盘引燃的时间提前;1 m/s情况下,205 mm带水垫层柴油池火的安全间距需增加到1D以上;通风环境对池火发展及蔓延的影响是显著的,应适当加大下风向可燃物的安全间距,合理选择通风排烟风速,优化火灾应急救援策略。     

近墙乙醇池火热反馈对燃烧速率的影响

为了定量评估近墙乙醇池火燃烧的危险性,根据乙醇池火燃烧辐射热平衡方程,建立了简化的墙体点源辐射计算模型,与火焰高度、近墙距离等参数相关联,进而得到近墙乙醇池火墙壁热反馈下燃烧速率的理论增量,并考虑到火焰辐射的增量对燃烧速率的影响,计算得到火焰对燃烧速率的理论增量。同时,在标准燃烧室进行了5种尺寸、不同近墙距离的方形乙醇池火的验证试验。结果表明,近墙乙醇池火的平均火焰高度和燃烧速率随油盘直径增大而增大,随距墙边距离减小而增大。与距墙边30 cm的墙边火平均火焰高度相比,紧贴墙壁的平均火焰高度上升16%~20%;与距墙边30 cm的墙边火燃烧速率相比,紧贴墙壁的燃烧速率上升12%~16%。乙醇墙边池火的燃烧速率理论增量与实际测量值的偏差在5%~34%,二者具有较好的一致性,充分说明近墙乙醇池火燃烧速率的增量主要是墙壁的热反馈和火焰的热反馈共同作用的结果。     

低压含KCl细水雾抑制船舶油池火特性试验研究

为探究低压含氯化钾(KCl)细水雾抑制庚烷油池火的有效性,基于1. 5 m×1. 5 m×1. 0 m封闭舱室平台,开展不同KCl质量分数(5%、10%、15%、20%)的低压细水雾(0. 2～0. 6 MPa)抑制庚烷油池火焰特性试验,分析不同KCl质量分数、不同喷射压力下庚烷质量损失速率及火焰高度的变化。结果表明:低压纯水细水雾可强化油池火焰燃烧,含KCl添加剂低压细水雾能有效抑制油料火的发展,其中0. 6 MPa压力下20%质量分数KCl溶液灭火效果最好。KCl溶液质量分数的增加,可降低庚烷平均质量损失速率,使火焰高度整体下降;喷嘴压力的升高,同样可降低燃油平均质量损失速率,缩短火焰波动时间,使燃烧提前进入衰减阶段。     

100号航空汽油池火燃烧特性试验研究

从燃烧速率及热释放速率、火焰脉动特征、热辐射特性等方面研究了100号航空汽油池火的燃烧特性.通过电子天平实时采集数据并进行处理得到池火燃烧速率,利用全尺寸热释放速率测量系统测量池火热释放速率,通过图像处理技术对池火脉动特征进行分析,通过在火焰一定距离处布置热流计得到池火热辐射特性相关参数.结果表明:100号航空汽油池火稳定燃烧速率大于普通汽油燃烧速率,最大燃烧速率和衰减因子均大于普通汽油参数值;小尺寸池火热释放速率不稳定,随着油池尺寸的增大,热释放速率稳定性增强;池火火焰周期性脉动现象非常明显,脉动频率试验值与Pagni公式预测值接近;在油池液面高度产生的辐射强度随着无量纲距离L/D的增大呈指数衰减,拟合得到的曲线公式所对应参数值与油盘等效直径呈线性关系,通过此关系得到100号航空汽油池火热辐射统一方程.     

庚烷池火多火源燃烧特性的实验研究

多火源燃烧是森林火灾和城市群发性火灾中重要而又特殊的火灾现象,相关研究很少。通过恒定控制液面高度的实验系统,对直径0.1m、0.2m和0.4m的庚烷池火在单个火源、两火源燃烧和三火源线性排列时的火焰高度、火焰体积和燃烧速率等特性进行了实验研究。研究发现,三火源燃烧时中间火源的火焰高度、火焰体积和燃烧速率明显高于两火源燃烧和单火源燃烧,三火源燃烧时边上火源与两火源的燃烧状况难以区分。这些燃烧特性随着火源间距的减小,呈现增大趋势。热量反馈增强和空气卷吸受限这两种火源相互作用机制相互耦合,且随着火源间距的减小而增强,在S/D（S为火源间距,D为油池直径）为2～4时,两种机制强烈竞争,在其他参数范围内热量反馈增强效应占主导作用。研究还发现火焰体积与热释放速率有较好的线性相关关系,单位火焰体积的热释放速率约为1614kW/m3。     

低压环境下不同直径油池火特征参量研究

为探究低压环境下油池火的发展特征、热释放速率(HRR)及火灾危害,在全尺寸低压HRR测试平台进行正庚烷与航空煤油不同油池直径的燃烧试验,测量低压环境不同直径下油池火热流密度、HRR及气体体积分数等特征参数,分析油池火热流密度、HRR、燃烧热量与气体体积分数等特征参数随油池直径变化的特征。结果表明:在热流计与油池距离一定时,热流密度随油池直径增大而增大;在油池直径一定时,热流密度随距离增大而减小;油池直径为10～20 cm时,正庚烷燃烧热量大于航空煤油;油池直径大于30 cm后,航空煤油燃烧热量更大;相同时间内正庚烷燃烧比航空煤油产生更多的CO_2,燃烧更充分。     

插板对正庚烷油池火燃烧行为的影响研究

海上石油泄漏常规的处理方法是原位燃烧,加速其燃烧并使其燃尽是降低其对生态环境影响的重要措施之一。以正庚烷为燃料,在油池内插入竖直铝板,研究不同高度铝板对池火燃烧行为的影响。结果表明,插板对池火燃烧速率以及火焰高度具有明显的增强作用,随着板的高度的增加,增强作用先增大后减小,当H_p/D(板高与油池直径之比)为3.5时,增强作用最大。火焰高度、板的温度、热通量以及燃烧速率的变化趋势一致,它们的临界点均在H_p/D=3.5附近。插板后燃烧速率增大主要是因为插板自身的热传导导致了燃料的核态沸腾,使燃料接受的热反馈增大,从而加快了燃料的蒸发,增大了燃烧速率。     

细水雾对油池火热释放速率影响规律的实验研究

热释放速率是描述火灾现象的重要参数,可以表征火灾发展的强烈程度。利用大尺寸的热释放速率实验测量平台开展细水雾对不同种类油池火灭火效率的实验研究,同时分析细水雾对燃烧产物一氧化碳含量的影响。结果表明,热释放速率曲线能直接反映出细水雾对火源的作用,细水雾作用下三种燃料的热释放速率均被有效抑制,且细水雾的流量越大,对油池火的灭火效果越好。燃烧产物一氧化碳在施加细水雾时出现陡增,表明细水雾隔绝氧气,造成不完全燃烧或者燃烧熄灭。     

垫水层对油池火燃烧特性影响的试验研究

研究垫水层对小尺度油池火燃烧特性的影响.分别测量在有、无垫水层情况下,正庚烷和航空煤油(RP-5)池火燃烧过程中质量损失速率及温度分布随时间的变化特征,同时通过摄像机记录油池燃烧过程中发生的现象.结果表明,垫水层对不同沸点燃料池火的燃烧发展过程及质量损失速率的影响截然不同.当无垫水层时,由于池壁温度超过燃料沸点,庚烷池火发生沸腾燃烧现象;而航空煤油沸点较高,燃烧过程中没有发生沸腾现象.当有垫水层存在时,由于油水界面温度超过水的沸点,沸点较高的航空煤油池火发生薄层喷溅现象;由于庚烷沸点低于水,庚烷垫水池火燃烧过程比较平稳,只发生了局部溅射现象.     

通风条件对热塑性材料燃烧行为影响的试验研究

热塑性材料燃烧过程中,固体壁面火和液体油池火同时存在且相互影响.为了研究通风条件对受限空间内热塑性材料熔融流动燃烧行为的影响,选择5 mm厚的聚丙烯板材作为研究对象,设置了6种不同的通风条件,在ISO 9705标准燃烧室内,进行了一系列的大尺寸燃烧试验.试验过程中测量了热释放速率、CO体积分数以及温度场等火灾动力学参数.考虑到通风口宽度变化与高度变化的区别,引入了通风口位置高度的无量纲因子.结果表明,通风条件对热塑性材料的火灾规模有一定影响,并且通风口高度变化的影响比宽度变化的影响更显著.燃烧过程中,热释放速率峰值与修正后的通风因子呈线性关系.