【摘要】：油池火的燃燒行為是火災(zāi)學(xué)界和燃燒學(xué)界的經(jīng)典問(wèn)題。前人針對(duì)無(wú)風(fēng)環(huán)境和水平風(fēng)作用下油池火的燃燒行為進(jìn)行了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究,但著眼于一些特殊尺度和邊界條件池火的燃燒行為的研究仍較為有限:(1)環(huán)境風(fēng)作用下“光學(xué)薄”較大尺度油池火的燃燒速率和熱反饋機(jī)制演化。前人針對(duì)環(huán)境風(fēng)作用下油池火燃燒速率演化的研究多集中于較小尺寸(傳導(dǎo)-對(duì)流主控)和較大尺寸(完全輻射主控),而對(duì)于介于對(duì)流和輻射主控之間過(guò)渡段的“光學(xué)薄”池火的研究還很缺乏;(2)環(huán)境風(fēng)作用下較大燃料液面深度(油池上沿與燃料液面之間的豎直距離)油池火燃燒速率演化。前人的研究多集中于存在環(huán)境風(fēng)但燃料液面深度較小、或燃料液面深度顯著但處于靜風(fēng)環(huán)境的油池火,而尚無(wú)針對(duì)環(huán)境風(fēng)與燃料液面深度的耦合作用對(duì)油池火燃燒速率演化影響的研究。而在現(xiàn)實(shí)中,油罐火災(zāi)均具有較大的燃料液面深度且發(fā)生于室外(存在環(huán)境風(fēng));(3)環(huán)境風(fēng)作用下池火輻射特性。前人針對(duì)池火輻射特性的研究絕大多數(shù)針對(duì)無(wú)風(fēng)環(huán)境下的池火,而針對(duì)環(huán)境風(fēng)作用下池火輻射特性的定量研究仍非常有限。因此,需要針對(duì)上述情況,針對(duì)環(huán)境風(fēng)作用下的池火燃燒行為進(jìn)行進(jìn)一步的研究。本文圍繞環(huán)境風(fēng)作用下池火的燃燒速率、熱反饋機(jī)制演化和輻射特性,采用理論分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。利用自制的不同尺寸(5-70 cm)、燃料液面深度的油池、多孔燃燒器,首先研究了“光學(xué)薄”較大尺寸正庚烷池火燃燒速率和熱反饋機(jī)制隨環(huán)境風(fēng)速的演化規(guī)律,然后研究了環(huán)境風(fēng)和燃料液面深度耦合作用對(duì)正庚烷池火燃燒速率的影響,最后研究了環(huán)境風(fēng)作用下丙烷池火的輻射特性。具體工作包括:(1)量化了“光學(xué)薄”較大尺度油池火燃燒速率隨風(fēng)速的非線性演化規(guī)律。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),隨著風(fēng)速的上升,該尺度油池火的燃燒速率隨尺寸不同呈現(xiàn)不同的非線性演化規(guī)律;并分析了各演化階段的物理機(jī)制。利用邊長(zhǎng)為25-70 cm的5個(gè)正方形正庚烷池火進(jìn)行了燃燒風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)(風(fēng)速為0-約4.5 m/s)。發(fā)現(xiàn)油池火的燃燒速率隨油池尺度的不同顯現(xiàn)出不同的非線性演化規(guī)律。較小尺寸油池火(25 cm35 cm)的燃燒速率隨風(fēng)速呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。其中的上升趨勢(shì)是由于環(huán)境風(fēng)加強(qiáng)了強(qiáng)迫對(duì)流。而當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步上升時(shí),火焰滯留時(shí)間下降。當(dāng)其低于一臨界值時(shí),火焰從油池前沿脫離,環(huán)境風(fēng)直接冷卻液面,導(dǎo)致燃燒速率下降。而當(dāng)油池尺寸進(jìn)一步增大時(shí),燃燒速率先上升后下降,而后再上升。風(fēng)速較小時(shí),環(huán)境風(fēng)在加強(qiáng)火焰區(qū)空氣和燃料蒸汽的摻混,并削弱液面附近蒸汽錐對(duì)輻射熱反饋的阻礙作用,燃燒速率上升;隨著風(fēng)速的增加,火焰傾斜愈發(fā)劇烈,輻射熱反饋下降,燃燒速率下降;而當(dāng)風(fēng)速較大時(shí),池火的燃燒將轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)迫對(duì)流主控,環(huán)境風(fēng)加強(qiáng)強(qiáng)迫對(duì)流,燃燒速率再次上升。同時(shí)給出了基于弗勞德數(shù)(表征池火浮力誘導(dǎo)速度和環(huán)境風(fēng)速的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制)的各轉(zhuǎn)折點(diǎn)臨界風(fēng)速擬合,顯示了良好的線性關(guān)系,顯示出環(huán)境風(fēng)速和浮力誘導(dǎo)速度在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處達(dá)到了某種平衡,弗勞德數(shù)大致相等。(2)研究了環(huán)境風(fēng)和燃料液面深度的耦合作用對(duì)油池火燃燒速率的影響。利用邊長(zhǎng)為5-20 cm,燃料液面深度為0.25-2倍油池邊長(zhǎng)的正庚烷油池進(jìn)行了燃燒風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,無(wú)風(fēng)環(huán)境中油池火的燃燒速率隨燃料液面深度呈現(xiàn)非線性的演化規(guī)律,并針對(duì)這一特殊的演化進(jìn)行了相應(yīng)的傳熱機(jī)制分析。在環(huán)境風(fēng)作用下,油池火燃燒速率隨油池尺度和燃料液面深度的不同而呈現(xiàn)不同的演化規(guī)律。對(duì)于尺寸較小的池火(510 cm),燃燒速率在燃料液面深度較小時(shí)隨風(fēng)速增加而單調(diào)上升,而在燃料液面深度較大時(shí)先下降后上升。對(duì)于尺寸較大的池火(1520 cm),燃燒速率在燃料液面深度較小時(shí)呈現(xiàn)上升-下降-上升的演化趨勢(shì),而在燃料液面深度較大時(shí)同樣呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。這些不同的趨勢(shì)是由于環(huán)境風(fēng)和燃料液面深度的耦合作用會(huì)形成火焰和油池液面之間的顯著距離,從而影響燃料接收的熱反饋。除此之外,環(huán)境風(fēng)會(huì)將火焰“推入”油池內(nèi)部,從而進(jìn)一步影響熱反饋。同時(shí)提出了耦合環(huán)境風(fēng)速、油池尺度和燃料液面深度的燃燒速率模型。(3)研究了環(huán)境風(fēng)作用下丙烷氣體池火的輻射熱流和輻射分?jǐn)?shù)隨環(huán)境風(fēng)速、燃燒器尺寸和火源功率的演化規(guī)律。選用尺寸為8-20 cm的正方形多孔丙烷燃燒器,在較大的環(huán)境風(fēng)速范圍(0-～5 m/s)和不同的火源熱釋放速率(9.24-27.72 kW)條件下進(jìn)行了燃燒風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)風(fēng)速大于0.5 m/s時(shí),輻射熱流和輻射分?jǐn)?shù)均隨風(fēng)速上升而單調(diào)下降。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合前人提出的火焰輻射分?jǐn)?shù)與火焰體積(或火焰表面積)之間的正比關(guān)系,基于提出的三角形假設(shè)對(duì)強(qiáng)風(fēng)作用下的火焰投影面積進(jìn)行簡(jiǎn)化,并進(jìn)一步使用火源尺寸、火焰高度和火焰貼地長(zhǎng)度等參數(shù)量化了火焰表面積。進(jìn)而提出了耦合風(fēng)速、燃燒器尺寸和火源功率的基于火焰投影面的輻射分?jǐn)?shù)無(wú)量綱模型。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：X932

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本文編號(hào)：2650356