多火源氣體射流火動(dòng)力學(xué)特性研究

劉 芹, 賈琦暉, 何沛祥, 陶常法

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

近年來(lái),因燃?xì)夤艿辣?、燃?xì)庑孤秾?dǎo)致的火災(zāi)事故頻發(fā),造成了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。燃?xì)夤艿佬孤度紵a(chǎn)生的火焰一般都是自由擴(kuò)散燃燒,因此,研究射流擴(kuò)散火焰的燃燒行為動(dòng)力學(xué)特征對(duì)于安全設(shè)計(jì)、工業(yè)燃燒設(shè)備的運(yùn)行及分析相關(guān)火災(zāi)安全問(wèn)題都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。射流擴(kuò)散火焰是火災(zāi)科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容,對(duì)于其燃燒動(dòng)力學(xué)特征,相關(guān)研究成果較多,主要涉及火焰高度Lf、火焰溫度分布特性、火焰輻射強(qiáng)度及火焰的推舉吹熄行為等[1-3]。擴(kuò)散火焰是因?yàn)樵趯?shí)際燃燒過(guò)程中燃料與氧化劑沒(méi)有預(yù)先混合,所以火焰的燃燒行為與空氣卷吸過(guò)程有密切的關(guān)系,在各種不同的環(huán)境條件下射流火焰的空氣卷吸機(jī)制有明顯差別[4-5]。

文獻(xiàn)[6]中描述了射流擴(kuò)散火焰Lf隨著燃料出口速度的整體演化過(guò)程:① 在初動(dòng)量較小的浮力主控層流火焰階段,Lf隨著燃料噴出動(dòng)量的增加而線性增加;② 燃料動(dòng)量增加到一定的程度后,火焰自身的湍流逐步加強(qiáng),Lf則不再增加,出現(xiàn)一個(gè)較小的向下減小的轉(zhuǎn)折區(qū)域;③ 經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)折區(qū)域之后,火焰湍流強(qiáng)度逐步強(qiáng)化,且從火焰尖部逐步向下擴(kuò)展,在火焰達(dá)到充分發(fā)展后,Lf維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平基本不變。文獻(xiàn)[7]研究了浮力主控?cái)U(kuò)散火焰,發(fā)現(xiàn)單火源無(wú)量綱Lf與無(wú)量綱熱釋放速率成2/5次冪的指數(shù)關(guān)系,即

(1)

文獻(xiàn)[8]對(duì)低壓下湍流浮力射流擴(kuò)散火焰的Lf進(jìn)行研究,考慮到空氣卷吸或紊流脈動(dòng)的影響,對(duì)(1)式引入了卷吸系數(shù)(α)校正因子,結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出α校正因子值為0.8;文獻(xiàn)[9]研究了6種不同尺寸的圓形金屬噴嘴對(duì)不同流量的甲烷射流擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)特征產(chǎn)生的影響,發(fā)現(xiàn)甲烷氣體射流火Lf的變化在層流擴(kuò)散燃燒和湍流擴(kuò)散燃燒階段有顯著的差異,火焰的最大高度出現(xiàn)在湍流燃燒的階段,但在某些工況時(shí)燃燒火焰出現(xiàn)脈動(dòng),使Lf較小;文獻(xiàn)[10]研究了合肥和拉薩地區(qū)矩形火源Lf的規(guī)律,發(fā)現(xiàn)在低氣壓下Lf略大于在常壓下的Lf(主要是因?yàn)槔_地區(qū)的氣壓較小,單位體積內(nèi)的氧氣含量也減少,導(dǎo)致α下降,Lf上升),并且用卷吸修正系數(shù)歸一化得到了合肥和拉薩的Lf公式。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置現(xiàn)場(chǎng)布置如圖1所示,試驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示。整個(gè)測(cè)量裝置由3個(gè)直徑相同的噴嘴、1個(gè)燃料氣體供應(yīng)系統(tǒng)及1臺(tái)CCD攝像機(jī)等構(gòu)成,試驗(yàn)過(guò)程中使用2種不同直徑的噴嘴,每組試驗(yàn)使用3個(gè)直徑相同的噴嘴,噴嘴由專(zhuān)門(mén)制作的U形支架固定在呈120 ℃分布的3條導(dǎo)軌上,可以方便地調(diào)節(jié)距離。試驗(yàn)選取的噴嘴距離L(噴嘴中心與導(dǎo)軌接觸中心點(diǎn)的距離)為5種,分別為1.3、1.8、2.3、3.8、5.8 cm,噴嘴直徑d分別為2.0、2.5 mm。

圖1 試驗(yàn)裝置布置

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)采用CCD攝像機(jī)記錄氣體射流火的燃燒過(guò)程,CCD攝像機(jī)與火源中心線的距離保持為1.5 m,試驗(yàn)時(shí)每個(gè)工況的各個(gè)流量持續(xù)拍攝120 s,并保證火焰圖像能夠被相機(jī)完整地記錄。

在火焰中心線上布置1列共計(jì)11根k型熱電偶采集火焰溫度信息,熱電偶的布置距離以噴嘴平面為起點(diǎn),距離分別為5、10、20、30、40、50、60、70、90、110、130 cm。本次試驗(yàn)采取了預(yù)試驗(yàn)的方式,調(diào)整了熱電偶位置,使熱電偶位于火焰中心。熱電偶經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集儀將采集到的溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至電腦中。

通過(guò)處理CCD攝像機(jī)所拍攝的火焰圖像獲得了Lf值,具體方法如下:首先運(yùn)用基于Matlab軟件編程得到的軟件程序[14]提取視頻中的火焰圖像,將火焰圖像轉(zhuǎn)化為二值圖,通過(guò)對(duì)二值圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析處理,得到火焰在120 s內(nèi)的灰度圖,然后用Tecplot 軟件進(jìn)行灰度圖的后處理[5,11],最終得到多火源氣體射流火的Lf。

2 火焰高度分析

2.1 火焰高度

湍流非預(yù)混火焰,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,火焰從振蕩層底部上升到發(fā)光中心,在間歇燃燒區(qū)結(jié)束。由于熱浮力和邊界層的不穩(wěn)定,火焰存在明顯的振蕩現(xiàn)象,火焰高度Lf也在一定程度上發(fā)生變化,為了更好地描述Lf的特征,文獻(xiàn)[15]提出了平均火焰高度的概念,即火焰分布概率為0.5的高度為平均火焰高度,如圖3所示。圖3中,P為火焰達(dá)到該區(qū)域的概率。

圖3 火焰概率分布圖

圖4 不同d下Lf與的關(guān)系

(2)

圖5 噴嘴布置俯視圖

(2)式中的Lf和熱釋放速率的無(wú)量綱化應(yīng)基于等效直徑D,則有:

(3)

(4)

圖6 不同d下Lf/D與的關(guān)系

(5)

圖7 不同d下Lf/D試驗(yàn)值與理論值的關(guān)系

2.2 火焰溫度

圖8 不同d下火焰溫度與L的關(guān)系

從圖8可以看出:火焰底部的溫度較低;隨著高度增加,火焰溫度上升;當(dāng)達(dá)到某一高度時(shí),隨著高度繼續(xù)增大,溫度下降。這是因?yàn)樵诨鹧娴撞?空間和卷吸強(qiáng)度有限,卷吸進(jìn)入火焰的氧氣不足、丙烷不完全燃燒,導(dǎo)致火焰溫度比較低;隨著高度的增加,卷吸的空氣逐漸增加,丙烷充分燃燒,溫度增加;高度繼續(xù)增加,超出明火區(qū)域,即達(dá)到羽流區(qū),熱電偶所測(cè)的溫度下降。文獻(xiàn)[18-19]采用理想羽流模型計(jì)算卷吸系數(shù)α,發(fā)現(xiàn)α與火焰溫度密切相關(guān)。因此,分析并量化α對(duì)研究火焰溫度是必要的。

(6)

其中:b為任意點(diǎn)的有效射流半寬度;ρ為氣體密度;u為燃料從噴嘴孔口噴射出的速度。假設(shè)燃燒過(guò)程中沒(méi)有輻射熱損失,則丙烷在距噴嘴口邊緣高度為z處的熱釋放速率可以表示為:

(7)

其中,ΔT為高出周?chē)h(huán)境的溫度。將(6)式代入(7)式可得:

(8)

對(duì)于火羽流,有

(9)

(9)式可以表達(dá)為:

(10)

將(4)式代入(10)式,可得:

(11)

將(11)式化簡(jiǎn)可得:

(12)

其中,Tf為火焰溫度。

α4/5|1.3∶α4/5|1.8∶α4/5|2.3∶α4/5|3.8∶

α4/5|5.8∶α4/5|單=0.033∶0.032∶0.032∶

0.033∶0.037∶0.053

(13)

d=2.5 mm時(shí),有

α4/5|1.3∶α4/5|1.8∶α4/5|2.3∶α4/5|3.8∶

α4/5|5.8∶α4/5|單=0.037∶ 0.032∶ 0.035∶

0.036∶ 0.039∶ 0.050

(14)

其中,α4/5|1.3表示L=1.3 cm時(shí)的α4/5值。從(13)式、(14)式可以看出,隨著L增大,α4/5值增大。 計(jì)算不同L下各α4/5和Lf乘積平均值,當(dāng)d=2.0 mm時(shí),有

α4/5Lf|1.3∶α4/5Lf|1.8∶α4/5Lf|2.3∶

α4/5Lf|3.8∶α4/5Lf|5.8=

1.383∶ 1.486∶ 1.541∶ 1.579∶ 1.612

(15)

當(dāng)d=2.5 mm時(shí),有

α4/5Lf|1.3∶α4/5Lf|1.8∶α4/5Lf|2.3∶

α4/5Lf|3.8∶α4/5Lf|5.8=

1.564∶ 1.697∶ 1.730∶ 1.743∶ 1.751

(16)

圖9 不同d下α4/5Lf與的關(guān)系

(17)

3 結(jié) 論

本文研究了在不同的噴嘴直徑、噴嘴距離及丙烷熱釋放速率下多火源氣體射流火焰高度演化規(guī)律,并進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)。通過(guò)分析,建立了關(guān)于無(wú)量綱多火源氣體射流火焰高度和無(wú)量綱熱釋放速率的關(guān)系式,以及卷吸系數(shù)和火焰高度的乘積與丙烷的熱釋放速率之間的關(guān)系式。

(1) 多火源氣體射流火焰高度隨著熱釋放速率和噴嘴直徑的增加而增大,且隨著噴嘴間距離的減小出現(xiàn)火焰的耦合現(xiàn)象,耦合火焰高度明顯大于單火源火焰高度。隨著噴嘴距離的增大,火焰的耦合行為逐漸減弱至最后消失。

(3) 火焰底部的溫度較低;隨著高度增加,火焰溫度上升;當(dāng)達(dá)到羽流區(qū)時(shí),隨著高度繼續(xù)增大,溫度下降。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn),火焰溫度與空氣卷吸系數(shù)有關(guān),并且得到了卷吸系數(shù)和火焰高度的乘積與丙烷的熱釋放速率之間的關(guān)系式。