邊緣高度影響下油池火燃燒行為特性實驗

劉春祥， 劉聲濤， 黃 萍， 余龍星， 張永亮， 黃俊清

（1.福州大學環(huán)境與安全工程學院，福州 350108；2.青島理工大學機械與汽車工程學院，山東青島 266520）

0 引 言

液體燃料作為工業(yè)血液是全球經(jīng)濟發(fā)展的重要動力和保障。中國原油加工量一直保持增長態(tài)勢，并在2022 年成為世界第一大煉油國［1］。但液體燃料在生產(chǎn)、加工、儲存、運輸過程中因操作不當或防范不到位而引發(fā)的火災事故頻發(fā)。研究液體燃料火災發(fā)生和發(fā)展過程對于火災防控、化工安全至關重要。油池火是火災研究領域最常用、最基礎的火源形式，油罐火是最典型的油池火［2］，燃燒速率、火焰高度和火焰脈動頻率是表征火焰燃燒行為特性的基本參數(shù)。隨著油池火燃燒的進行，油池內燃料被逐漸消耗導致油池邊緣高度h（燃料液面與油池口邊緣的距離）不斷增加，這將對油池火火焰形態(tài)特征造成顯著影響，系統(tǒng)分析不同h油池火燃燒火焰特征參數(shù)對危險性評估和應急響應有重要意義［1］。

為分析燃燒速率和火焰形態(tài)特征參數(shù)（火焰高度、火焰脈動頻率）隨h 改變的演化規(guī)律，本文設計并制作了由4 個子系統(tǒng)組成的可變h模擬裝置開展實驗研究。為消防安全設計和火災救援提供實驗數(shù)據(jù)支撐。

1 實驗裝置

可變h油池火燃燒模擬裝置主要由動態(tài)供油系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、無級升降系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4 部分組成，如圖1 所示。其中：燃燒系統(tǒng)用來模擬不同h下的油池火燃燒；動態(tài)供油系統(tǒng)用于補充燃燒消耗的燃油，使油池液面穩(wěn)定在同一高度；無級調節(jié)升降系統(tǒng)用來調節(jié)油池h，以便進行不同工況實驗；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則用于測量實驗過程中的燃油質量損失速率和記錄火焰形態(tài)變化。

圖1 可變h油池火燃燒模擬裝置

1.1 燃燒系統(tǒng)

燃燒系統(tǒng)可有效模擬不同h 油池火燃燒過程，揭示火焰燃燒行為特性，如圖2 所示。由于h 影響下油池火的燃燒行為會發(fā)生顯著變化，呈現(xiàn)出與經(jīng)典油池（h為零或趨近零）顯著不同的火焰形態(tài)特征［4-5］，由實驗工作臺、油池、油池固定支架和柔性供油管組成的燃燒系統(tǒng)，使h在實驗過程中始終保持穩(wěn)定。實驗時油池放置在定做的工作臺上，油池周圍用環(huán)形支架固定，支架可通過兩側螺絲調節(jié)固定，燃料通過供油管從油池底部緩緩注入，這樣可以保證實驗過程中裝置的穩(wěn)定性。

圖2 燃燒系統(tǒng)

1.2 動態(tài)供油系統(tǒng)

動態(tài)供油系統(tǒng)需精確調控燃料供應，保證燃料液面始終穩(wěn)定在同一高度。該系統(tǒng)主要由供給罐、溢流管、回收罐、蠕動泵以及供油管5 個部件組成，如圖3所示。實驗中，隨著燃燒反應的進行，油池內燃料不斷消耗造成液面與油池開口邊緣的距離增加，即油池h增加，進而影響羽流卷吸和火焰形態(tài)。因此，實驗時先后開啟供給罐和回收罐之間的閥門1 與供給罐和油池之間的閥門2，燃料通過供油管流入到油池中，當供給罐液面過高時，多余燃料通過溢流管流入回收罐。實驗過程中根據(jù)油池直徑大小來調節(jié)蠕動泵功率，使得蠕動泵的液體輸送量始終大于油池燃燒的燃料消耗量。

圖3 動態(tài)供油系統(tǒng)

1.3 無級調節(jié)升降系統(tǒng)

不同h影響下的油池火將呈現(xiàn)不同的燃燒行為特征，實驗中需測試多組工況，以探究在h影響下羽流燃燒行為演化規(guī)律。為此，在實驗過程中通過無級調節(jié)升降機帶動上方的動態(tài)供油系統(tǒng)的上下升降實現(xiàn)燃燒系統(tǒng)中液位水平位置的改變，以實現(xiàn)不同h 的調節(jié)。如圖4 所示，無級調節(jié)升降系統(tǒng)主要由鋁合金外殼、精密螺紋絲桿、無刷電動機3 個部件構成。通過控制無刷電動機正反方向旋轉，帶動螺紋絲桿的上下伸縮，實現(xiàn)升降臺的上下抬升。升降誤差為±5 mm。該升降系統(tǒng)最大承重為150 kg，可在升降中任意位置停止。

圖4 無級調節(jié)升降系統(tǒng)

1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本實驗平臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括燃燒速率測量系統(tǒng)和火焰形態(tài)采集系統(tǒng)。

（1）燃燒速率測量系統(tǒng)。燃燒速率是描述油池火燃燒特性的重要參量之一，它直接決定了油池的熱釋放速率。實驗中利用量程為34 kg，精度為0.1 g 的電子天平來記錄燃料的質量損失速率，采集間隔為1 s。天平放在動態(tài)供油系統(tǒng)與無級調節(jié)升降系統(tǒng)之間，且用防火板隔開，保證實驗過程中系統(tǒng)的安全性。

（2）火焰形態(tài)采集系統(tǒng)?；鹧嫘螒B(tài)是油池火燃燒的重要特征參數(shù)參數(shù)，本平臺通過使用HDR-CX900高清數(shù)碼相機來拍攝實驗過程中的火焰圖像，拍攝的圖像分辨率為1 920 ×1 080，幀率為50 f/s。實驗中高清數(shù)碼相機置于油池正前方以實時記錄火焰形態(tài)的演化過程。

2 實驗步驟與方法

由于該實驗進程步驟較多，為使整個實驗流程有序地進行，需協(xié)同操作，嚴格按照實驗步驟進行。油池火燃燒實驗具有一定的危險性，因此，在實驗開始前需讓參與人員做好個人防護措施并進行安全操作培訓。實驗的操作步驟如下：

步驟1首先通過無級調節(jié)升降系統(tǒng)調節(jié)動態(tài)供油系統(tǒng)高度（溢流管頂部水平高度即為油池液面高度），進而控制燃料液面與油池口上邊緣的距離即h。

步驟2向供給罐中加入正庚烷燃料，并打開供給罐下方的閥門2。待燃料液面超過溢流管一定高度后停止供油。打開溢流管上的閥門1 使多余的燃料流入回收罐。

步驟3在燃料裝填好后，調整攝像機角度，保證能夠拍到油池上方的整個火焰區(qū)域。

步驟4檢查電腦端天平數(shù)據(jù)導出軟件能否正常工作。在確保各設備能正常運行后，用點火器將油池引燃。

步驟5隨著油池燃燒反應的進行，燃料不斷被消耗。應調節(jié)好蠕動泵功率使燃燒過程中油池液面始終保持在恒定高度。

步驟6開啟正前方的攝像頭記錄火焰圖像數(shù)據(jù)，同時在電腦端收集記錄燃料質量變化數(shù)據(jù)。

3 實驗結果與分析

3.1 燃燒速率

油池火具有燃燒強度大、熱輻射強等特點［6-7］，計算池火燃燒速率可以精確評估油池火熱危害。油池火的燃燒速率定義為單位時間的燃料燃燒消耗質量。如圖5 所示為實驗測量的實時質量變化曲線，通過對該曲線求導可確定燃燒速率（見圖6）。對燃燒速率曲線穩(wěn)定段求平均可得到不同工況下油池對應的燃燒速率值，如圖7 所示。由圖7 可知，隨著h 從0 增加至15 cm，燃料的質量損失速率逐漸降低，最大邊緣高度的油池火相比無邊緣高度工況降低了63%。這是因為隨著h 的增大，羽流卷吸空氣受限，導致燃燒速率下降。

圖5 燃燒實時質量變化曲線

圖6 燃燒速率曲線

圖7 燃燒速率隨h/D變化曲線

3.2 火焰高度

火焰形態(tài)的演化規(guī)律可以表征油池火燃燒行為和羽流燃燒模式的變化，因此分析火焰形態(tài)具有重要研究意義［8-10］。火焰高度定義為火焰間歇率50%［11］的位置，即平均火焰高度［12］。圖8 所示為火焰圖像處理過程，采用大津法（OTSU）方法，將相機拍攝的視頻逐幀轉化得到灰白二值圖，然后對二值圖進一步處理得到概率云圖，最后利用Tecplot軟件繪制火焰間歇與高度變化圖像［13-15］，如圖9 所示。該方法的可靠性已得到廣泛驗證。由圖9可知，隨著h從0增加至15 cm，火焰高度逐漸下降，相比無邊緣高度工況降低了38%，這是由于更多燃料蒸汽在油池內部燃燒所導致的。說明h的增加會抑制油池火燃燒，這與燃燒速率的結論具有一致性。

圖8 火焰圖像處理過程

圖9 火焰高度演化規(guī)律

3.3 火焰脈動頻率

火焰的脈動頻率表征了燃燒火焰的紊流特性，它會影響火焰的空氣卷吸率，進而影響燃燒效率［15］。用快速傅里葉變換方法對時間序列火焰高度數(shù)據(jù)處理可得到火焰頻譜圖，計算式為［16］

式中：x（t）為火焰脈動信號；X（ω）為火焰脈動信號的連續(xù)頻譜；ω為圓頻率。通過頻譜圖可求得火焰主脈動頻率，如圖10 所示。由圖10 可知，隨著h從0 增加至15 cm，火焰主脈動頻率逐漸下降，相比無邊緣高度工況降低了29%。這與h 限制羽流根部將周圍空氣卷吸至火焰，形成向上發(fā)展的流動渦團有關；h 越大，限制作用越強，火焰脈動頻率則隨之降低。

圖10 主火焰脈動頻率隨h/D變化曲線

4 結 語

本文通過開展不同h 條件下的油池火燃燒實驗，研究了h對油池火燃燒行為特性的影響。實驗結果表明：h對油池火燃燒行為特性影響較大；燃燒速率、火焰高度和火焰脈動頻率等參數(shù)隨h的增加呈現(xiàn)出下降趨勢。成果可用于指導化工液體儲罐火災應急響應和消防救援。