本文關鍵詞：水平環(huán)境風作用下擴散射流火焰下洗及脫離行為研究

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【摘要】：射流火(jet flame)燃燒行為一直是火災學與燃燒學的經典科學問題之一。射流火燃燒的物理行為可描述為:氣體燃料從燃燒器以一定的動量噴出以后與空氣混合,被點燃并依靠從自身火焰所反饋的熱量和持續(xù)的燃料供應,維持穩(wěn)定燃燒。射流火災經常出現(xiàn)在輸油管道和儲油罐的泄露中,因其卷吸充分,燃燒效率高,具有較高的火焰溫度,火焰輻射和火焰沖擊對設備和周圍的環(huán)境能造成嚴重的破壞,因而往往成為誘導泄漏事故擴大的重要因素。射流火焰燃燒穩(wěn)定性(推舉穩(wěn)定性、推舉臨界)是射流火燃燒最重要的方面,它將決定火焰沖擊距離、熱輻射強度等其它對外部環(huán)境造成危害的參數(shù)的大小。目前對射流火焰的研究主要集中在靜止無風情況下,對于水平環(huán)境風作用下的研究則進行得相對較少。而在一般情況下(如在室外、在山坡上),通常存在水平環(huán)境風;對于水平環(huán)境風作用下射流火焰的燃燒行為,前人主要通過風洞試驗,從宏觀上初步揭示了射流火焰的流場及反向渦旋的出現(xiàn),以及固定流量的火焰下洗長度隨環(huán)境風速的變化情況。而對于深層次分析水平環(huán)境風作用下射流火焰的下洗臨界及下洗長度、脫離臨界及尺度效應表征,目前還缺乏相關研究�；谝陨弦蛩�,本文旨在通過實驗研究結合理論分析來補充該領域的空白與不足。本文的實驗研究主要從兩個方面進行:水平環(huán)境風作用下射流火焰下洗臨界和下洗長度實驗研究、射流火焰脫離臨界實驗研究。在水平環(huán)境風作用下射流火焰的下洗臨界和下洗長度演化實驗方面,本文首次詳盡分析并量化了非預混射流火焰下洗長度在不同直徑噴嘴、不同燃料釋放速率和不同水平環(huán)境風速下的演化規(guī)律,以及火焰發(fā)生下洗的臨界條件。實驗分別使用了 8 mm、10 mm、13 mm和15 mm內徑的噴嘴,使用丙烷作為燃料,并且燃料噴出速度設置在0.38 m/s～2.42m/s之間。實驗結果顯示,對于給定的燃料射流出口速度,火焰下洗長度隨水平環(huán)境風速增加而增加。并且在燃料射流出口速度較大時,下洗長度隨風速增加更快。下洗發(fā)生時的臨界風速與噴嘴內徑關系不大,但隨著燃料射流出口速度增加而線性增加。在此基礎上,結合水平環(huán)境風動量與射流動量的比率以及燃料出口質量流率競爭的耦合效應,提出了一個新的關系式,用于描述火焰下洗長度與噴嘴內徑、無量綱燃料質量流率和射流動量比的關系。該項發(fā)現(xiàn)提供了一些基本知識,在燃燒器設計和火炬安裝方面具有潛在應用價值,即為燃燒器設置必要安全長度以防止某些可能發(fā)生的危害或降低其損害程度。在水平環(huán)境風作用下的射流火焰脫離臨界演化實驗方面,本文首次對水平環(huán)境風作用下射流火焰迎風側和背風側的脫離臨界進行了詳細研究,水平環(huán)境風作用下射流火焰迎風側和背風側脫離臨界及其差值被量化。試驗所利用的噴嘴內徑為3 mm,5 mm,8 mm和10 mm,外徑為15 mm和內徑為13 mm和15 mm,外徑為20 mm的噴嘴進行,所有噴嘴僅采用不銹鋼制成,使用常見的氣體丙烷作為燃料。實驗結果顯示水平環(huán)境風作用下射流火焰噴嘴背風側和迎風側脫離臨界風速及其差值都隨著燃料射流速度的增加而降低。迎風側火焰脫離的臨界水平環(huán)境風速微弱的依賴于噴嘴直徑,而背風側的脫離臨界及其背風側和迎風側脫離臨界的差值則隨著水平環(huán)境風速的增加而增加。文中基于丹姆克雷數(shù),也即混合時間和化學反應時間的比值,來分析并量化了這種水平環(huán)境風作用下射流火焰背風側和迎風側的差異。一個關于臨界水平環(huán)境風速的差值、射流速度、噴嘴內徑和壁厚的無量綱模型被推出,而且實驗數(shù)據和模型吻合度很高。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O643.21

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