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。     

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。     

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。     

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.     

油池边沿高度对池火燃烧特性影响的实验研究

研究了油池边沿高度(h)对池火燃烧特性的影响,开展了内径(d)为10 cm的不同h和不同油盘材料(石英、不锈钢、铝和铜)的正庚烷池火实验。结果表明,正庚烷池火的燃烧速率、火焰高度和脉动频率均随着边沿高度的增大而减小,且随着油盘材料的热导率增大,边沿高度的影响逐渐减弱。基于量纲分析分别修正了火焰高度和脉动频率模型,结果能够较好地符合实验值。     

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。     

四面火墙作用下中心油盘燃烧速率研究

为解决在实际溢油事故处理过程中，油膜、燃料、溢油范围及特征将限制就地燃烧法使用的问题，利用多油池火燃烧试验模拟就地燃烧法现场燃烧速率变化特征。首先，利用火旋风发生装置与多油池火模型建立四面火墙燃烧模型；然后，搭建火焰燃烧试验平台，利用现场试验法研究中心油盘高度、燃料体积(油膜厚度)及相邻火墙间距h对中心油盘燃料燃烧速率的影响，最后对所得数据进行拟合分析，探究燃烧速率变化特征。结果表明：相比于单一油池火燃烧，四面火墙条件下中心油池火火焰燃烧更为剧烈；平均燃烧速率与油盘高度呈负相关，与燃料体积呈正相关，相同条件下油盘高度每增加1倍，平均变化率约减小20%;燃料体积每减少一半，平均燃烧速率约减小25%;相邻火墙间距h=16 cm时对中心油盘燃烧速率的促进作用最强，最大可达32.4%。     

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。     

不同直径食用油池火燃烧特性对比试验研究

为探究食用油火灾的预防、探测及灭火技术,开展不同直径食用油池火燃烧试验,测量食用油油层温度、火焰及火羽流温度、质量损失速率、以及火焰高度等参数,分析食用油池火的燃烧特性,包括其被加热-自燃-燃烧的引燃过程和油层温度、火焰及火羽流温度、质量损失速率的变化规律;分析食用油池火燃烧速率随油池直径变化的规律,并结合理论公式计算不同油池直径对应的热释放速率。结果表明:食用油池火最大燃烧速率约为2. 3 mm/min;油池直径分别为25、40、55、70和85 cm的食用油池火对应的热释放速率分别为20、60、190、375和551 k W。     

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。     

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。     

火焰脉动在火灾领域相关研究进展

为研究火焰脉动在火灾领域相关研究进展，总结了不同燃料类型的火焰脉动形成机理，较为详细地介绍了火焰脉动现象研究中常用的脉动频率测量方法，列举了LDV、TDLAS、自由基团高频采集等新方法；介绍了池火脉动、射流/羽流气体火脉动在不同燃烧器尺寸，不同外部环境和不同燃料比等影响因素方面的研究内容与进展；对常见的3种不同的火焰脉动模型进行描述和归类；对火焰脉动的规律、机理等在火灾领域的早期识别和检测中的作用、特殊条件对于火焰脉动频率的影响和更加精细的火焰脉动模型的研究等方向提出展望。     

火旋风的模拟实验研究

模拟火旋风的实验研究，应用热成像方法获得了火旋风温度场的结构，测量得到火旋风火焰特有的大高度直径比的物理现象；火焰高度比相同燃料，油液面积的油池火高度高，趱戏比油池火直径小。火旋风的切向速度比油池火大，卷吸效果好，可用这一特点来研究熄灭火旋风的火灾。对火旋风火灾机理的研究提出了一种有效的实验方法。     

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.     

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。     

不同边沿高度油池火燃烧行为的实验和数值模拟研究

采用实验和FDS数值模拟相结合的方法,探讨了边沿高度对油池火燃烧特性的影响。在实验部分,研究了燃烧速率和表观火焰高度随边沿高度的变化趋势,并分别分析了各个阶段的热反馈机制。在实验获得不同尺度、边沿高度正庚烷油池火燃烧速率的前提下,建立相应尺度的不同边沿高度油池火的Fire Dynamics Simulator(FDS)计算模型以针对火焰高度进行了数值模拟研究,分析了实际火焰高度、火焰下探高度随边沿高度的变化趋势,并提出了相关的无量纲拟合式。     

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。     

受限空间脉冲细水雾灭火数值模拟

为研究脉冲细水雾灭火效果和灭火机理,采用FDS软件对连续和脉冲细水雾熄灭受限空间油盘火进行了数值模拟。通过模拟和理论分析确定了脉冲细水雾周期为8 s开启、8 s暂停,并设置了冷却和窒息两种灭火条件,对两种细水雾熄灭不同尺寸的柴油池火进行了研究。结果表明:连续细水雾无法熄灭直径15 cm和20 cm的小尺寸油盘火,对直径25 cm中尺寸油盘火的灭火机理为冷却,对直径为30cm和35 cm大尺寸油盘火的灭火机理为窒息;脉冲细水雾能够熄灭不同尺寸的油盘火,且灭火效率高,火焰熄灭均发生在喷头暂停喷水期间,灭火机理为水雾蒸发稀释氧气而窒息。     

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.     

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.