航空煤油池火热辐射特性及热传递研究

论文摘要

在石油、化工等行业的生产过程以及飞机、船舶等交通运输过程中,由于燃油泄漏引发的火灾频繁发生,不断造成灾难性后果。航空煤油是一类燃烧热值高、危险性大的燃料,是燃油泄漏火灾中的重大危险源。因此,研究航空煤油池火热辐射特性及热传递规律,对航空煤油池火灾蔓延的控制和扑救,降低火灾的危害性具有重要意义。典型的燃油泄漏火灾多是一种有风作用下的液态池火燃烧。有风作用下的航空煤油池火羽流形态、热辐射特性、热传递模式等与无风自由燃烧状态存在很大差异。论文通过理论分析和模拟实验,研究了无风和有风条件下航空煤油池火羽流形态特征;随后对航空煤油池火焰热辐射特性开展研究,建立油池火焰双区域辐射模型,并对油池燃烧的对外热传递规律进行探讨。论文的具体工作包括:利用火灾科学国家重点实验室大空间火灾试验厅和燃烧风洞试验厅,开展航空煤油池火燃烧实验。实验中油池直径有0.15m、0.20m、0.30m和0.60m四种,风速范围为0～3.5m/s。利用质量称重系统研究航空煤油燃烧速率变化,利用CCD摄像获取火焰图像对油池羽流形态进行研究,借助谱色测温方法测量池火焰温度分布,利用热流计测量距油池中心不同距离的热流分布。研究了不同风速条件下航空煤油池火燃烧速率的变化规律。结果表明,无风条件下,航空煤油池火燃烧速率随油池直径增加而增大。有风条件下,小直径油池的燃烧速率随风速的增加呈现非单调性变化,对于较大直径油池,燃烧速率在实验风速范围内基本保持不变。通过理论分析,建立了无风条件下火焰高度与油池直径、燃烧速率的函数关系,表明火焰高度Hf/D随Fc数的2/3次方变化。根据实验数据拟合了相关参数值,建立了无风条件下火焰高度的预测模型。引入理查森数Ri-1拟合建立了有风条件下池火焰高度的预测模型。结果表明,不同直径油池均存在临界Ri-1值,小于此临界值时,无量纲平均火焰高度随lnRi-1的增加而线性减小,大于此临界值,无量纲火焰高度基本保持不变;随着油池直径增加,临界Ri-1值变大,稳定的无量纲平均火焰高度减少。引用谱色测温法对航空煤油池火焰温度分布进行实验研究。结果表明,燃料表面区域温度相对较低,在连续火焰区上部,随着高度的增加火焰温度上升,在火焰上部的间歇区,火焰温度在轴向高度上的变化比较紊乱,弥散程度较大;不同直径油池火焰平均温度分布在1180K～1220K间。研究了油池火焰辐射发射率与直径的关系式,得到了航空煤油火焰辐射发射率随油池直径的变化规律。针对传统的固体火焰辐射模型没有考虑油池燃烧的脉动以及在火焰不同区域的分布特点,研究建立了油池火焰双区域的辐射模型。结果表明,连续火焰区和间歇火焰区辐射发射功率均随直径增加而增加,在直径较小时间歇区辐射发射功率大于连续区,随着直径增加,间歇区与连续区的辐射发射功率逐渐相近。航空煤油整个火焰区的平均辐射发射功率值范围在70kW/m2～110 kW/m2。研究表明,小直径油池火焰辐射发射功率主要取决于连续火焰区Econ。随着直径的增加,间歇火焰区的面积增大,同时间歇火焰区的辐射发射功率也随着燃烧的加剧而升高,因此火焰平均辐射发射功率将主要取决于间歇火焰区Einter。分析了油池燃烧的热平衡方程,研究了不同直径油池燃烧对外热传递的辐射热分数。结果表明,辐射热分数范围分布在0.25～0.32,并随着油池直径的增加而增加。实验研究了无风条件下油池燃烧对外热辐射传递规律,并与火源的点源模型和圆柱模型计算值进行了对比分析。结果表明,无风条件下辐射热流在油池液面高度随着R/D的增大呈指数衰减,这与点源模型和圆柱模型计算值变化趋势一致;有风条件下,直径0.15m油池火的辐射热流的实验测量值和模型计算值变化趋势一致,而较大直径油池的辐射热流测量值随着风速的增加而变大。分析了无风和有风条件下油池燃烧对外热传递的不同模式,揭示了有风条件下油池燃烧对下风向目标物体的对流热传递规律。结果表明,总热流随着风速增加而增大,下风向目标物体接受到的对流热随理查森数Ri-1的增加呈先增加后下降的变化规律,同时在低Ri-1范围内,对流热随油池直径的增加而先增加后降低。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 图例目录
• 表格目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 油池燃烧速率
• 1.2.2 池火羽流形态特征
• 1.2.3 池火焰热辐射特性
• 1.2.4 池火热传递规律
• 1.2.5 研究现状小结
• 1.3 研究内容与方法
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究方法
• 1.3.3 本论文的章节安排
• 参考文献
• 第二章 实验装置与原理
• 2.1 引言
• 2.2 总体装置与火源
• 2.3 风洞与风速条件
• 2.4 燃烧速率—质量称重系统
• 2.5 温度的测量
• 2.5.1 测温方法的选择
• 2.5.2 测温原理
• 2.6 火焰图像采集
• 2.6.1 图像采集系统
• 2.6.2 火焰形状的定义
• 2.6.3 火焰图像处理
• 2.7 热流的测量
• 2.7.1 热流计的选择
• 2.7.2 热流计的布置
• 2.8 本章小结
• 参考文献
• 第三章 航空煤油池火羽流形态特征
• 3.1 引言
• 3.2 油池燃烧速率
• 3.2.1 无风条件下燃烧速率
• 3.2.2 有风条件下燃烧速率
• 3.3 油池火焰高度
• 3.3.1 池火焰高度定义
• 3.3.2 无风条件下池火焰高度
• 3.3.3 有风条件下池火焰高度
• 3.4 油池火焰倾角
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 航空煤油池火焰热辐射特性
• 4.1 引言
• 4.2 火焰温度测量
• 4.2.1 实验测量过程
• 4.2.2 实验结果与分析
• 4.3 火焰热辐射模型
• 4.3.1 火焰表面辐射发射功率
• 4.3.2 SFM辐射模型
• 4.3.3 双区域火焰辐射模型
• 4.3.4 火焰辐射发射率
• 4.4 发射率结果与分析
• 4.5 辐射发射功率结果与分析
• 4.5.1 连续区火焰面积比
• 4.5.2 连续区和间歇区平均辐射发射功率
• 4.5.3 火焰表面平均辐射发射功率
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第五章 航空煤油池火热传递规律
• 5.1 引言
• 5.2 油池燃烧的热平衡
• 5.3 辐射热分数和对流热分数
• 5.4 池火热辐射传递
• 5.4.1 热辐射传递模型
• 5.4.2 无风条件下实验结果与分析
• 5.4.3 有风条件下实验结果与分析
• 5.5 池火总热流传递
• 5.5.1 热传递模式
• 5.5.2 实验结果与分析
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论与展望
• 6.1 全文总结与结论
• 6.2 本文创新点
• 6.3 研究展望
• 攻读博士学位期间参与的科研项目与发表的学术论文