多种气压条件下甲醇池火燃烧特性的实验研究

花荣胜,李元洲,匡萃芃,唐 飞,祝 实

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,合肥,230026)

多种气压条件下甲醇池火燃烧特性的实验研究

花荣胜,李元洲＊,匡萃芃,唐 飞,祝 实

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,合肥,230026)

通过自行研制的低氧低压模拟试验箱开展了小尺寸甲醇油池火燃烧实验,研究了在多种气压条件(40kpa、45kpa、55kpa、65kpa、75kpa、85kpa、100kpa)下的油池火燃烧特性参数的差异。实验发现,一定情况下,甲醇燃烧速率随着气压的升高而升高,呈现幂函数关系;火焰高度和火焰面积从低压开始先随着气压值的升高而升高,当达到一定的气压值后就会随着气压值的升高而降低;随着气压升高,羽流中心温度下降的幅度变缓。

多种气压条件;油池火;燃烧速率;火焰高度;羽流中心温升

0 引言

国内外学者[1-17]对小尺寸油池火燃烧特性做了大量的研究,部分学者[6-15]在高原低氧低压情况下油池火燃烧特性做了较多研究。国外Most等人[6]研究了重力和压力对油池火扩散火焰的影响。Wieser等[7]在不同海拔高度进行的实验研究,发现燃烧速率与压力呈现˙m∝P1.3关系,而气体温度升高、CO和CO2的浓度与压力无关。在国内,方俊等人[8]和李振华等人[9]对拉萨和合肥地区的正庚烷油池火燃烧特性进行了研究,发现在相同尺寸下高海拔地区的燃烧速率,热辐射通量和羽流温度比低海拔地区的要低,相同的燃烧速率下高纬度测量的热辐射通量比低纬度的要低。胡小康等人[10]在拉萨、当雄和合肥三地做了正庚烷油池火燃烧实验,验证了前人关于燃烧速率、羽流中心线温度等燃烧特性结论,同时对于热浮力驱动的羽流在压力影响作用下的变化机制做了初步研究,徐伯乐等人[11]对拉萨和合肥两地的柴油和汽油油池火燃烧特性进行了对比研究,发现随着高度的增加,高原地区羽流中心温度下降的幅度比平原相对较小;而在相同燃烧速率下,高原地区的油池火高度比平原要高,中心温度也更高,另外还发现McCaffrey羽流温升公式不适用于计算低压环境下小功率火源。蔡昕等人[12]也对正庚烷池火做了实验研究,燃烧速率和火焰高度与环境压力呈幂函数关系。

前人主要是在拉萨、当雄等地的低气压环境下对池火燃烧特性进行了研究,而对于更低气压环境下甲醇池火燃烧特性的研究尚无报道,笔者对不同气压条件下甲醇池火燃烧特性进行了对比研究。

1 实验设计

实验在位于合肥的中国科技大学火灾科学国家重点实验室的低氧低压模拟试验箱中进行,箱体的内箱尺寸为1m×0.6m×1.1m。此试验箱可以实现在多种低氧低压条件下的小尺寸油池火的实验研究,整个内箱体在初始状态下是一个密闭系统,在目标压力值设定并且达到后可以实现下部补气和上部进气的动态平衡,从而保证箱体内的燃烧环境和真实的燃烧环境的差别不大,保证了实验的精确性。各种电信号和数据信号的传输可以通过航空插头实现,从而最大程度的保证了实验中油池火以及羽流均不受外来风和烟气层沉降所带来的干扰。实验装置示意图见图1所示。

实验中采用甲醇作为燃料,甲醇纯度为99.9%。实验中通过电子天平测量燃料的质量损失,天平精度为0.01g;用0.5mm的 K型铠装热电偶和7018模块测量羽流中心线温度,沿油盘中心线处布置热电偶,共布置了5个温度测点,分布在油池正上方9cm,12cm,18cm,21cm,24cm处;火焰燃烧过程通过DV进行摄像。合肥环境温度为18℃,大气压力为101kPa,空气密度为1.28 kg/m3。

图1 实验装置示意图Fig.1 Experimental device schemes

表1 工况设计Table 1 Experimental conditions

图2 甲醇质量损失速率Fig.2 The mass loss rate of methanol

2 典型结果分析与讨论

2.1 失重速率和羽流温升

图3 单位面积质量燃烧速率与压力的关系Fig.3 The relationship of the burning rate per unit area and pressure

图2和图3分别给出了工况一和工况二中甲醇池火质量损失速率及单位面积质量燃烧速率随气压的变化关系的情况。本小节中,笔者选择气压差较大情况下对质量燃烧速率进行比较,各种工况下的失重速率均可取稳定阶段的燃料质量随燃烧时间的变化曲线拟合得到,对于工况一,质量损失速率从40kpa、55kpa、75kpa到100kpa分别记为˙ma1,˙ma2,˙ma3,˙ma4。通过拟合得到的数据分别为:˙ma1=0.03351g/s,˙ma2=0.03418g/s,˙ma3=0.03858g/s,˙ma4=0.03979g/s;对于工况二,质量损失速率从40kpa、55kpa、85kpa到 100kpa分别记为˙mb1,˙mb2,˙mb3,˙mb4。通过拟合得到的数据分别为:˙mb1=0.03442g/s,˙mb2=0.03879g/s,˙mb3=0.04375g/s,˙mb4=0.05192g/s。从图3可以看出,当压力变小时,失重速率会变小;主要因为随着压力的减小,试验箱内的氧气绝对含量变低,单位面积燃料接触到的氧气量低,单位面积质量的燃料燃烧释放的热值变低,传输到燃料中的热量更低,导致单位面积质量燃烧速率变小。另外,对于边长为5.2 cm和6cm的正方形油盘,5.2cm油盘的单位面积质量燃烧速率要大于6cm油盘,这点符合Blinov等人[17]的理论,根据文献[18-20]中关于燃料质量损失速率和油池直径的划分,油盘尺寸在5cm到20cm之间,燃料质量损失速率主要受对流控制,在尺寸为5cm到10cm之间,燃料单位面积质量燃烧速率随油池直径成反比关系。同时可以发现,5.2cm油盘的单位面积质量燃烧速率与气压大小呈现幂函数关系:˙m∝P0.208,6cm油盘的单位面积质量燃烧速率与气压关系:˙m∝P0.408,6cm油盘受气压的影响较大,且随着气压的减小,影响趋势更大,主要由于在气压减小的同时,试验箱内的绝对含氧量降低,6cm油盘燃烧耗氧较5.2cm油盘大,故而较大油盘较容易受气压的影响。

图4给出了工况一和工况二中不同压力下的中心线温度分布情况。可以看出,随着气压的降低,羽流温升下降的趋势变缓,同时将羽流高温区域往上方推移。这主要因为,随着气压的减小,密度变小,浮力变小,而羽流温升受浮力主控;再者,羽流卷吸速率正比于羽流上升速率,羽流上升速率变缓,故羽流卷吸速率也降低;所以羽流温升速率变缓。

图4 不同气压下的中心线温度分布Fig.4 Plume centerline temperature distributions under different pressure conditions

图5 图像处理过程Fig.5 Image processing

2.2 火焰形态特征

图6 不同气压下的甲醇火焰高度Fig.6 Methanol flame heights under various pressure conditions

本文通过图像处理办法[20-21]获得火焰高度和火焰面积,通过Matlab软件自编的图像分析程序实现,首先需要对火焰图像进行二值化处理,见图5。在每组视频中,将DV录像分解成一组图片序列,将所有这些帧图像叠加后取平均值,就可以得到图像上各点出现火焰的概率分布图,通过tecplot软件显示。把I z定义为间歇性函数,表征火焰在 z高度出现的概率,它随着高度的增大而由恒定值1逐渐减小,最终变为0。平均火焰高度是间歇性函数 I z的值降为0.5时所对应的火焰高度,火焰面积就是将火焰形状中所有亮点的像素叠加就得到火焰面积。

图6给出了不同气压下的甲醇平均火焰高度的情况。可以看出,随着气压的降低,两种工况下的最高火焰高度都出现在55kpa处,火焰高度从低压往高压变化,呈现出先上升,再下降的结果。对于火焰高度随气压的降低而变高的过程,这主要因为,随着气压的降低,试验箱内的氧气绝对含量变低,油池内燃料为了更充分的燃烧,必须扩大燃烧面积,接触更多的空气,所以在气压降低时,火焰高度变高,这一过程主要受浮力控制。然而在气压更低时,火焰高度将变低,这主要由于此时浮力、卷吸速率相对较小,火焰是层流扩散火焰,这一过程主要是有扩散输运机制主控,气压在很低的时候,箱内氧浓度含量很低,试验箱内的燃烧的化学反应当量比将不能充分满足燃烧,火焰高度将降低。Burke-Schumann火焰分析可以很好的描述这一过程[14]。通过Froude模型[12,14]对油池火浮力控制过程的推导,油池火焰高度公式见公式(1)。

图7 甲醇火焰高度随压力的关系Fig.7 Methanol flame height vs.pressure

其中L为火焰高度;D为油盘直径;Q为热释放速率;ρ∞、Cp、T∞和g分别为空气密度、比定压热容、温度和重力加速度.应用理想气体状态方程带入公式(1),火焰高度与环境压力的关系为:

图7给出了甲醇火焰高度随气压变化关系情况。通过拟合,可以看出,工况一和工况二中火焰高度随气压呈现幂函数衰减,衰减指数较为接近,同时火焰高度随气压变化的衰减指数与公式(2)中2/3指数较为相近。

图8和图9分别给出了不同气压下的甲醇火焰面积及甲醇火焰面积随气压变化关系的情况。可以看出,甲醇火焰面积和火焰高度变化特征类似,随着气压变化,呈现先上升再下降的趋势特征。对于火焰面积随气压的降低而变高的过程,这主要因为,随着气压的降低,试验箱内的氧气绝对含量变低,油池内燃料为了更充分的燃烧,必须扩大燃烧面积,接触更多的空气,所以在气压降低时,火焰面积变大。火焰面积随气压降低而降低的过程,原因也同火焰高度变化特征一样。再者,通过图9可以发现,随着气压的降低,工况一中的火焰面积受气压影响作用较工况二略大。

图8 不同气压下的甲醇火焰面积Fig.8 Methanol flame area under different pressure conditions

图9 甲醇火焰面积随气压的关系Fig.9 Methanol flame area vs.pressure

3 结论

本文研究不同气压条件下甲醇池火的燃烧速率、羽流中心线温度、火焰形态特征(火焰高度和火焰面积)。主要发现:

(1)随着气压的降低,质量燃烧速率变低,工况一中单位面积质量燃烧速率大于工况二中单位面积质量燃烧速率,工况一中燃烧速率随气压变化关系为˙m∝P0.208,工况二中燃烧速率随气压变化关系为˙m∝P0.408;

(2)随着气压的降低,羽流温升下降的趋势变缓,同时将羽流高温区域往上方推移;

(3)甲醇火焰高度和火焰面积变化特征类似,随着气压从低往高变化,呈现出先上升后下降的特征。在浮力控制的火焰高度随气压降低而增大阶段,工况一火焰高度 L∝ P-0.52,工况二火焰高度 L∝P-0.51,衰减指数与理论值2/3较为接近。随着气压的降低,工况一中的火焰面积受气压影响作用较工况二略大。在扩散输运控制的火焰高度随气压降低而减小阶段,由于试验箱内氧气含量较低,不足以达到充分燃烧的化学当量比,燃烧减缓,这一过程可由Burke-Schumann火焰分析进行很好的描述。

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Experimental studies on the combustion characteristics of methanol pool fire under various pressure conditions

HUA Rong-sheng,LI Yuan-zhou,KUANG Cui-peng,TANG Fei,ZHU Shi

(State Key Laboratory of Fire Science,University of Science and Technology of China,Hefei 230027,China)

In this paper,small size of methanol pool fire experiments were carried out in a self-designed low oxygen and low pressure experiment devices,and the combustion characteristics under different pressures(40kpa,45kpa,55kpa,65kpa,75kpa,85kpa,100kpa)was compared.It is found that the burning rate of methanol increases with the atmosphere pressure,and the variation could be well fitted by a power function.The values of flame height and flame area would increase with the rising of the atmosphere pressure,until reaching the turning point,and then decrease.When the pressure increases,the plume centerline temperature drops slowly.

Pressure;Pool fire;Burning rate;Flame height;Plume centerline temperature

TU998.1;X951

A

1004-5309(2011)-0081-06

2011-02-11;修改日期:2011-03-24

花荣胜(1982-),男,中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室硕士研究生,从事低氧低压环境下火羽流特性的研究。

李元洲,副教授,E-mail:yzli@ustc.edu.cn.