多種氣壓條件下甲醇池火燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究

花榮勝,李元洲,匡萃芃,唐 飛,祝 實(shí)

(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,合肥,230026)

多種氣壓條件下甲醇池火燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究

花榮勝,李元洲＊,匡萃芃,唐 飛,祝 實(shí)

(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,合肥,230026)

通過(guò)自行研制的低氧低壓模擬試驗(yàn)箱開(kāi)展了小尺寸甲醇油池火燃燒實(shí)驗(yàn),研究了在多種氣壓條件(40kpa、45kpa、55kpa、65kpa、75kpa、85kpa、100kpa)下的油池火燃燒特性參數(shù)的差異。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),一定情況下,甲醇燃燒速率隨著氣壓的升高而升高,呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系;火焰高度和火焰面積從低壓開(kāi)始先隨著氣壓值的升高而升高,當(dāng)達(dá)到一定的氣壓值后就會(huì)隨著氣壓值的升高而降低;隨著氣壓升高,羽流中心溫度下降的幅度變緩。

多種氣壓條件;油池火;燃燒速率;火焰高度;羽流中心溫升

0 引言

國(guó)內(nèi)外學(xué)者[1-17]對(duì)小尺寸油池火燃燒特性做了大量的研究,部分學(xué)者[6-15]在高原低氧低壓情況下油池火燃燒特性做了較多研究。國(guó)外Most等人[6]研究了重力和壓力對(duì)油池火擴(kuò)散火焰的影響。Wieser等[7]在不同海拔高度進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)燃燒速率與壓力呈現(xiàn)˙m∝P1.3關(guān)系,而氣體溫度升高、CO和CO2的濃度與壓力無(wú)關(guān)。在國(guó)內(nèi),方俊等人[8]和李振華等人[9]對(duì)拉薩和合肥地區(qū)的正庚烷油池火燃燒特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)在相同尺寸下高海拔地區(qū)的燃燒速率,熱輻射通量和羽流溫度比低海拔地區(qū)的要低,相同的燃燒速率下高緯度測(cè)量的熱輻射通量比低緯度的要低。胡小康等人[10]在拉薩、當(dāng)雄和合肥三地做了正庚烷油池火燃燒實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了前人關(guān)于燃燒速率、羽流中心線(xiàn)溫度等燃燒特性結(jié)論,同時(shí)對(duì)于熱浮力驅(qū)動(dòng)的羽流在壓力影響作用下的變化機(jī)制做了初步研究,徐伯樂(lè)等人[11]對(duì)拉薩和合肥兩地的柴油和汽油油池火燃燒特性進(jìn)行了對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)隨著高度的增加,高原地區(qū)羽流中心溫度下降的幅度比平原相對(duì)較小;而在相同燃燒速率下,高原地區(qū)的油池火高度比平原要高,中心溫度也更高,另外還發(fā)現(xiàn)McCaffrey羽流溫升公式不適用于計(jì)算低壓環(huán)境下小功率火源。蔡昕等人[12]也對(duì)正庚烷池火做了實(shí)驗(yàn)研究,燃燒速率和火焰高度與環(huán)境壓力呈冪函數(shù)關(guān)系。

前人主要是在拉薩、當(dāng)雄等地的低氣壓環(huán)境下對(duì)池火燃燒特性進(jìn)行了研究,而對(duì)于更低氣壓環(huán)境下甲醇池火燃燒特性的研究尚無(wú)報(bào)道,筆者對(duì)不同氣壓條件下甲醇池火燃燒特性進(jìn)行了對(duì)比研究。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)在位于合肥的中國(guó)科技大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的低氧低壓模擬試驗(yàn)箱中進(jìn)行,箱體的內(nèi)箱尺寸為1m×0.6m×1.1m。此試驗(yàn)箱可以實(shí)現(xiàn)在多種低氧低壓條件下的小尺寸油池火的實(shí)驗(yàn)研究,整個(gè)內(nèi)箱體在初始狀態(tài)下是一個(gè)密閉系統(tǒng),在目標(biāo)壓力值設(shè)定并且達(dá)到后可以實(shí)現(xiàn)下部補(bǔ)氣和上部進(jìn)氣的動(dòng)態(tài)平衡,從而保證箱體內(nèi)的燃燒環(huán)境和真實(shí)的燃燒環(huán)境的差別不大,保證了實(shí)驗(yàn)的精確性。各種電信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸可以通過(guò)航空插頭實(shí)現(xiàn),從而最大程度的保證了實(shí)驗(yàn)中油池火以及羽流均不受外來(lái)風(fēng)和煙氣層沉降所帶來(lái)的干擾。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖1所示。

實(shí)驗(yàn)中采用甲醇作為燃料,甲醇純度為99.9%。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)電子天平測(cè)量燃料的質(zhì)量損失,天平精度為0.01g;用0.5mm的 K型鎧裝熱電偶和7018模塊測(cè)量羽流中心線(xiàn)溫度,沿油盤(pán)中心線(xiàn)處布置熱電偶,共布置了5個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),分布在油池正上方9cm,12cm,18cm,21cm,24cm處;火焰燃燒過(guò)程通過(guò)DV進(jìn)行攝像。合肥環(huán)境溫度為18℃,大氣壓力為101kPa,空氣密度為1.28 kg/m3。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experimental device schemes

表1 工況設(shè)計(jì)Table 1 Experimental conditions

圖2 甲醇質(zhì)量損失速率Fig.2 The mass loss rate of methanol

2 典型結(jié)果分析與討論

2.1 失重速率和羽流溫升

圖3 單位面積質(zhì)量燃燒速率與壓力的關(guān)系Fig.3 The relationship of the burning rate per unit area and pressure

圖2和圖3分別給出了工況一和工況二中甲醇池火質(zhì)量損失速率及單位面積質(zhì)量燃燒速率隨氣壓的變化關(guān)系的情況。本小節(jié)中,筆者選擇氣壓差較大情況下對(duì)質(zhì)量燃燒速率進(jìn)行比較,各種工況下的失重速率均可取穩(wěn)定階段的燃料質(zhì)量隨燃燒時(shí)間的變化曲線(xiàn)擬合得到,對(duì)于工況一,質(zhì)量損失速率從40kpa、55kpa、75kpa到100kpa分別記為˙ma1,˙ma2,˙ma3,˙ma4。通過(guò)擬合得到的數(shù)據(jù)分別為:˙ma1=0.03351g/s,˙ma2=0.03418g/s,˙ma3=0.03858g/s,˙ma4=0.03979g/s;對(duì)于工況二,質(zhì)量損失速率從40kpa、55kpa、85kpa到 100kpa分別記為˙mb1,˙mb2,˙mb3,˙mb4。通過(guò)擬合得到的數(shù)據(jù)分別為:˙mb1=0.03442g/s,˙mb2=0.03879g/s,˙mb3=0.04375g/s,˙mb4=0.05192g/s。從圖3可以看出,當(dāng)壓力變小時(shí),失重速率會(huì)變小;主要因?yàn)殡S著壓力的減小,試驗(yàn)箱內(nèi)的氧氣絕對(duì)含量變低,單位面積燃料接觸到的氧氣量低,單位面積質(zhì)量的燃料燃燒釋放的熱值變低,傳輸?shù)饺剂现械臒崃扛?導(dǎo)致單位面積質(zhì)量燃燒速率變小。另外,對(duì)于邊長(zhǎng)為5.2 cm和6cm的正方形油盤(pán),5.2cm油盤(pán)的單位面積質(zhì)量燃燒速率要大于6cm油盤(pán),這點(diǎn)符合Blinov等人[17]的理論,根據(jù)文獻(xiàn)[18-20]中關(guān)于燃料質(zhì)量損失速率和油池直徑的劃分,油盤(pán)尺寸在5cm到20cm之間,燃料質(zhì)量損失速率主要受對(duì)流控制,在尺寸為5cm到10cm之間,燃料單位面積質(zhì)量燃燒速率隨油池直徑成反比關(guān)系。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),5.2cm油盤(pán)的單位面積質(zhì)量燃燒速率與氣壓大小呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系:˙m∝P0.208,6cm油盤(pán)的單位面積質(zhì)量燃燒速率與氣壓關(guān)系:˙m∝P0.408,6cm油盤(pán)受氣壓的影響較大,且隨著氣壓的減小,影響趨勢(shì)更大,主要由于在氣壓減小的同時(shí),試驗(yàn)箱內(nèi)的絕對(duì)含氧量降低,6cm油盤(pán)燃燒耗氧較5.2cm油盤(pán)大,故而較大油盤(pán)較容易受氣壓的影響。

圖4給出了工況一和工況二中不同壓力下的中心線(xiàn)溫度分布情況。可以看出,隨著氣壓的降低,羽流溫升下降的趨勢(shì)變緩,同時(shí)將羽流高溫區(qū)域往上方推移。這主要因?yàn)?隨著氣壓的減小,密度變小,浮力變小,而羽流溫升受浮力主控;再者,羽流卷吸速率正比于羽流上升速率,羽流上升速率變緩,故羽流卷吸速率也降低;所以羽流溫升速率變緩。

圖4 不同氣壓下的中心線(xiàn)溫度分布Fig.4 Plume centerline temperature distributions under different pressure conditions

圖5 圖像處理過(guò)程Fig.5 Image processing

2.2 火焰形態(tài)特征

圖6 不同氣壓下的甲醇火焰高度Fig.6 Methanol flame heights under various pressure conditions

本文通過(guò)圖像處理辦法[20-21]獲得火焰高度和火焰面積,通過(guò)Matlab軟件自編的圖像分析程序?qū)崿F(xiàn),首先需要對(duì)火焰圖像進(jìn)行二值化處理,見(jiàn)圖5。在每組視頻中,將DV錄像分解成一組圖片序列,將所有這些幀圖像疊加后取平均值,就可以得到圖像上各點(diǎn)出現(xiàn)火焰的概率分布圖,通過(guò)tecplot軟件顯示。把I z定義為間歇性函數(shù),表征火焰在 z高度出現(xiàn)的概率,它隨著高度的增大而由恒定值1逐漸減小,最終變?yōu)?。平均火焰高度是間歇性函數(shù) I z的值降為0.5時(shí)所對(duì)應(yīng)的火焰高度,火焰面積就是將火焰形狀中所有亮點(diǎn)的像素疊加就得到火焰面積。

圖6給出了不同氣壓下的甲醇平均火焰高度的情況?？梢钥闯?隨著氣壓的降低,兩種工況下的最高火焰高度都出現(xiàn)在55kpa處,火焰高度從低壓往高壓變化,呈現(xiàn)出先上升,再下降的結(jié)果。對(duì)于火焰高度隨氣壓的降低而變高的過(guò)程,這主要因?yàn)?隨著氣壓的降低,試驗(yàn)箱內(nèi)的氧氣絕對(duì)含量變低,油池內(nèi)燃料為了更充分的燃燒,必須擴(kuò)大燃燒面積,接觸更多的空氣,所以在氣壓降低時(shí),火焰高度變高,這一過(guò)程主要受浮力控制。然而在氣壓更低時(shí),火焰高度將變低,這主要由于此時(shí)浮力、卷吸速率相對(duì)較小,火焰是層流擴(kuò)散火焰,這一過(guò)程主要是有擴(kuò)散輸運(yùn)機(jī)制主控,氣壓在很低的時(shí)候,箱內(nèi)氧濃度含量很低,試驗(yàn)箱內(nèi)的燃燒的化學(xué)反應(yīng)當(dāng)量比將不能充分滿(mǎn)足燃燒,火焰高度將降低。Burke-Schumann火焰分析可以很好的描述這一過(guò)程[14]。通過(guò)Froude模型[12,14]對(duì)油池火浮力控制過(guò)程的推導(dǎo),油池火焰高度公式見(jiàn)公式(1)。

圖7 甲醇火焰高度隨壓力的關(guān)系Fig.7 Methanol flame height vs.pressure

其中L為火焰高度;D為油盤(pán)直徑;Q為熱釋放速率;ρ∞、Cp、T∞和g分別為空氣密度、比定壓熱容、溫度和重力加速度.應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程帶入公式(1),火焰高度與環(huán)境壓力的關(guān)系為:

圖7給出了甲醇火焰高度隨氣壓變化關(guān)系情況。通過(guò)擬合,可以看出,工況一和工況二中火焰高度隨氣壓呈現(xiàn)冪函數(shù)衰減,衰減指數(shù)較為接近,同時(shí)火焰高度隨氣壓變化的衰減指數(shù)與公式(2)中2/3指數(shù)較為相近。

圖8和圖9分別給出了不同氣壓下的甲醇火焰面積及甲醇火焰面積隨氣壓變化關(guān)系的情況?？梢钥闯?甲醇火焰面積和火焰高度變化特征類(lèi)似,隨著氣壓變化,呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢(shì)特征。對(duì)于火焰面積隨氣壓的降低而變高的過(guò)程,這主要因?yàn)?隨著氣壓的降低,試驗(yàn)箱內(nèi)的氧氣絕對(duì)含量變低,油池內(nèi)燃料為了更充分的燃燒,必須擴(kuò)大燃燒面積,接觸更多的空氣,所以在氣壓降低時(shí),火焰面積變大。火焰面積隨氣壓降低而降低的過(guò)程,原因也同火焰高度變化特征一樣。再者,通過(guò)圖9可以發(fā)現(xiàn),隨著氣壓的降低,工況一中的火焰面積受氣壓影響作用較工況二略大。

圖8 不同氣壓下的甲醇火焰面積Fig.8 Methanol flame area under different pressure conditions

圖9 甲醇火焰面積隨氣壓的關(guān)系Fig.9 Methanol flame area vs.pressure

3 結(jié)論

本文研究不同氣壓條件下甲醇池火的燃燒速率、羽流中心線(xiàn)溫度、火焰形態(tài)特征(火焰高度和火焰面積)。主要發(fā)現(xiàn):

(1)隨著氣壓的降低,質(zhì)量燃燒速率變低,工況一中單位面積質(zhì)量燃燒速率大于工況二中單位面積質(zhì)量燃燒速率,工況一中燃燒速率隨氣壓變化關(guān)系為˙m∝P0.208,工況二中燃燒速率隨氣壓變化關(guān)系為˙m∝P0.408;

(2)隨著氣壓的降低,羽流溫升下降的趨勢(shì)變緩,同時(shí)將羽流高溫區(qū)域往上方推移;

(3)甲醇火焰高度和火焰面積變化特征類(lèi)似,隨著氣壓從低往高變化,呈現(xiàn)出先上升后下降的特征。在浮力控制的火焰高度隨氣壓降低而增大階段,工況一火焰高度 L∝ P-0.52,工況二火焰高度 L∝P-0.51,衰減指數(shù)與理論值2/3較為接近。隨著氣壓的降低,工況一中的火焰面積受氣壓影響作用較工況二略大。在擴(kuò)散輸運(yùn)控制的火焰高度隨氣壓降低而減小階段,由于試驗(yàn)箱內(nèi)氧氣含量較低,不足以達(dá)到充分燃燒的化學(xué)當(dāng)量比,燃燒減緩,這一過(guò)程可由Burke-Schumann火焰分析進(jìn)行很好的描述。

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Experimental studies on the combustion characteristics of methanol pool fire under various pressure conditions

HUA Rong-sheng,LI Yuan-zhou,KUANG Cui-peng,TANG Fei,ZHU Shi

(State Key Laboratory of Fire Science,University of Science and Technology of China,Hefei 230027,China)

In this paper,small size of methanol pool fire experiments were carried out in a self-designed low oxygen and low pressure experiment devices,and the combustion characteristics under different pressures(40kpa,45kpa,55kpa,65kpa,75kpa,85kpa,100kpa)was compared.It is found that the burning rate of methanol increases with the atmosphere pressure,and the variation could be well fitted by a power function.The values of flame height and flame area would increase with the rising of the atmosphere pressure,until reaching the turning point,and then decrease.When the pressure increases,the plume centerline temperature drops slowly.

Pressure;Pool fire;Burning rate;Flame height;Plume centerline temperature

TU998.1;X951

A

1004-5309(2011)-0081-06

2011-02-11;修改日期:2011-03-24

花榮勝(1982-),男,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)室碩士研究生,從事低氧低壓環(huán)境下火羽流特性的研究。

李元洲,副教授,E-mail:yzli@ustc.edu.cn.