庚烷池火多火源燃烧特性的实验研究

李 政，刘乃安

（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥，230026）

庚烷池火多火源燃烧特性的实验研究

李 政，刘乃安＊

（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥，230026）

多火源燃烧是森林火灾和城市群发性火灾中重要而又特殊的火灾现象，相关研究很少。通过恒定控制液面高度的实验系统，对直径0.1m、0.2m和0.4m的庚烷池火在单个火源、两火源燃烧和三火源线性排列时的火焰高度、火焰体积和燃烧速率等特性进行了实验研究。研究发现，三火源燃烧时中间火源的火焰高度、火焰体积和燃烧速率明显高于两火源燃烧和单火源燃烧，三火源燃烧时边上火源与两火源的燃烧状况难以区分。这些燃烧特性随着火源间距的减小，呈现增大趋势。热量反馈增强和空气卷吸受限这两种火源相互作用机制相互耦合，且随着火源间距的减小而增强，在S／D（S为火源间距，D为油池直径）为2～4时，两种机制强烈竞争，在其他参数范围内热量反馈增强效应占主导作用。研究还发现火焰体积与热释放速率有较好的线性相关关系，单位火焰体积的热释放速率约为1614kW／m3。

庚烷池火；多火源燃烧；火焰高度；火焰体积；燃烧速率

0 引言

多个火源在距离较近时同时燃烧，其燃烧行为与单个池火燃烧明显不同，燃烧速率显著增大，同时可能诱发火焰合并、火旋风等特殊火现象。在群发性城市火灾中，很容易出现多火源燃烧现象，一旦发生火焰合并、火旋风等现象，则会给火灾扑救带来很大困难，可能造成灾难性的后果。森林火灾中巨大的火焰也是火焰合并的结果，是典型的多火源燃烧现象。此外，随着城市的发展，森林与城市逐渐融合，森林－城市交界域一旦发生火灾，大量不同种类的可燃物同时燃烧，则会构成更加复杂的多火源燃烧现象。

尽管多火源燃烧现象有非常重要的应用背景，相关研究文献却很少。Putman和Speich［1］在20世纪60年代较早地开始研究多个湍流扩散火焰之间的相互作用，测量并拟合了火焰高度。Thomas等人［2］研究了两个火焰之间的相互作用，推导了两个火源发生火焰合并的临界条件。Baldwin等人［3］推导了火阵列中火焰发生合并的临界条件，得到了临界判据。此后有多篇文章探讨了火阵列中的火焰高度［4－7］，得到了火焰高度与火源数目、火源直径、火源间距离等参数之间的相互关系。也有少数文章研究了火阵列中诱发的火旋风现象［8－12］。燃烧速率作为池火燃烧的重要参数在多火源燃烧中也同样重要。Huffman等人［13］较早地测量了环形火阵列中池火的燃烧速率，发现随火源间距离增大，燃烧速率先增大后减小。Satoh等人［8－10］提出了燃尽时间数据分析方法，以油盆中燃料燃尽时间的倒数表示燃烧速率，以此定义了火源的相互作用指数I（m）和相互关联指数A（m，n），以此研究了火阵列中火焰之间的相互作用。Liu等人［11，14］发展了燃尽时间数据分析方法，对火阵列中火焰之间的相互作用做了更加详细深入的分析。在最近的研究中，Liu等人［14，15］指出，火阵列中火源之间的相互作用机理在于空气卷吸受限和热量反馈增强，并且详细地揭示了随着火源间距的变化两种作用机理之间此消彼长的相互竞争关系。

虽然多火源燃烧的研究已经取得了一些进展，但是前人的研究在实验方面相对来说比较粗糙。用气体燃料进行实验的缺点是由于热释放速率恒定，燃烧速率受传热的影响无法得以反映；用液体燃料进行的实验通常未控制液面高度，而液面高度对火焰高度、燃烧速率等参数都有较大的影响；有的研究所用的池火尺寸太小，火焰对空气扰动非常敏感。前人对于多火源燃烧的火焰高度和燃烧速率有所研究和测量，但是火焰体积以及火焰体积与热释放速率的相互关系未有涉及。

本文通过恒定控制液面高度的实验系统，对直径分别为0.1m、0.2m和0.4m的油池在单个池火以及两个和三个火源线性排列时的燃烧特性进行了实验研究，通过拍摄的火焰视频提取火焰高度和火焰体积，并对质量燃烧速率进行测量。分析了各个参数随火源间距的变化趋势。同时，结合火源之间的相互作用机理，对实验结果进行了解释。

1 实验

1.1 实验装置

实验所用油盆的直径D 为0.1m、0.2m 和0.4m，每组实验火源的个数N为1、2和3。对于N为2和3的实验，火源排列在同一条直线上，改变火源之间的距离S，变化范围为S／D＝0、1、2、3、4、5。实验中，用电子天平测量补油桶的质量变化以获得燃烧速率；用摄像机全程拍摄了实验过程中的火焰视频。实验用的燃料为纯度97%的正庚烷。为了消除液面高度的变化对实验的影响，采用自主设计的液面控制系统实时往油盆中补充燃料，以此来保持液面的高度不变。实验装置图如图1。油盆示意图如图2。从油盆底部自下向上穿入一支热电偶，热电偶端点略高于液面，用来监测液面的温度。该热电偶连接一个温度模块，温度模块通过继电器（主要起到保护温度模块的作用）连接电磁阀，电磁阀安装在输油管上。当液面高度由于燃料的消耗下降时，热电偶的温度上升，温度模块接收到信号控制电磁阀打开，开始补充燃料；当液面高度恢复到原始高度时，热电偶温度下降，温度模块接收到信号再次控制电磁阀关闭。温度模块的温度阈值由实验得到，对于正庚烷，温度设置在98℃～100℃时控制效果较好。对于不同直径的池火，由于燃烧速率的不同，电磁阀的响应频率也不同，本实验中，油池的最高液面与最低液面的高度差能控制在2mm以内。

图1 实验装置示意图Fig.1 Experimental Equipment

图2 油盆示意图Fig.2 Picture of burner

1.2 实验数据处理方法

1.2.1 火焰图像处理

为了获得火焰高度和火焰体积，我们编写了一款可以对拍摄的视频进行处理的软件。该软件首先将视频中的每一帧图片进行二值化，将图像转化为黑白图片，白色为火焰，黑色是背景，而图像二值化的阈值可以根据图像的亮度自己设置，以保证处理结果的准确性。图3～图5是不同灰度阈值的火焰图像处理结果，图3阈值设置过低，火焰周围的较亮区域也被误认为是火焰，导致处理后的火焰明显大于真实火焰轮廓；图4阈值设置过高，导致处理后的火焰明小于真实火焰轮廓；图5阈值设置适中，处理后的火焰轮廓与真实火焰非常相近。

每一帧火焰图像的高度是从图像中白色区域的最高点到最低点之间的像素值，再参照油池直径将像素转化为长度单位m，从而获得真实的火焰高度。火焰高度定义为所有火焰高度中间歇率为50%的高度。火焰体积采取同样的处理方法。火焰从下到上被划分为很多个小区域，每个区域的高度是一个像素，每个小区域被当做一个圆柱体来计算体积，火焰体积是所有区域的体积的加和。脱离主火焰区的小火点的体积也被计算在内。最后取所有图像所获得火焰体积的平均值。

图3 灰度阈值偏低Fig.3 Gray threshold is too small

图4 灰度阈值偏高Fig.4 Gray threshold is too large

图5 灰度阈值适中Fig.5 Gray threshold is proper

图6 直径0.4m庚烷池火单个火源燃烧的质量损失Fig.6 Fuel mass variation of 0.4mdiameter single heptane pool fire

1.2.2 质量损失速率

直径0.4m庚烷池火单个火源燃烧的质量损失如图6所示。实验中为了保证实验数据的完整性，在点火之前就开始计时，前400s左右质量不变是因为没有点火。在第434s油桶开始第一次向油盆补充燃料；在第550s燃烧开始变得稳定，550s-951s质量损失速率稳定、平滑，是稳定燃烧阶段；在第973s关掉了油桶的阀门，准备结束本组实验；第1200s停止记录，实验结束。质量损失图准确清晰地反应了整个实验过程中油桶的质量变化，即油盆消耗的燃料的质量。从该图还可看出，稳定燃烧阶段的质量变化周期为30s左右，补油比较频繁。每次补油量在100g左右，补油最多的一次约为134g，引起的液面高度变化为1.56mm，而补油过程中燃料也在消耗，所以液面高度变化小于1.56mm。质量损失速率由稳定燃烧阶段质量曲线的斜率求得。

2 实验结果与讨论

2.1 火源之间的相互作用机理

自由燃烧的油池火，燃料蒸发所需的热量主要来自于火焰热反馈，包括对流热反馈和辐射热反馈。燃烧所需要的氧气来自于火焰从周围卷吸的空气。多火源燃烧与单个池火自由燃烧的区别在于存在火焰之间的相互作用，一方面是火源之间相互传热导致热量反馈加强，同时火源之间相互竞争空气导致空气卷吸受限［14，15］。而随着火源之间距离的不同这两种相互作用效应的强弱有所变化，多火源燃烧的火焰高度、火焰体积和燃烧速率等特性也随之呈现出不同的特征。

2.2 火焰高度与火焰体积

用图像处理软件处理视频得到的不同条件下火焰高度和火焰体积的变化趋势如图7～图12。S／D＝6表示该点的数据是N＝1对应的数据，为了便于比较，与N＝2、3的数据绘在了同一幅图中。图7和图8是直径0.1m的池火多火源燃烧的火焰高度和火焰体积。整体来看，N＝2、3的火焰高度都大于N＝1的火焰高度，而且随着S／D的减小，火焰高度逐渐增加。主要因为多火源燃烧时火源之间的相互传热使燃烧速率增大，而火焰高度与燃烧速率有正相关关系。火源获得的热量越多，燃烧速率越大，则火焰应越高。N＝3时，中间的火源同时接收两侧两个火源的热量；边上的火源接收中间火源的辐射传热，接收到的另一侧的火源的辐射相比于从中间火源接收的热量微乎其微，一是因为距离较远，二是因为辐射传热受到中间火源的阻挡。所以中间火源接收的热量大于边上火源接收的热量，因而中间火源的高度高于边上火源的高度。N＝3时的边上火源接收的热量相对于N＝2时的火源接收的热量虽略多，但三火源燃烧对于空气卷吸的竞争比两火源燃烧要激烈，存在两种作用机制的相互竞争，难以定性判断火焰高度的大小。而从图7的曲线可以看出，N＝2时的火焰高度大于N＝3时边上的火焰高度。火焰高度随S／D的减小虽然整体呈增大趋势，但是由于复杂的火源之间的相互作用，火焰高度曲线并非平滑上升。

热量反馈的加强会使燃料蒸发更快，从而使燃烧速率加快，那么火焰高度和火焰体积也都会随之增大。但是空气卷吸对燃烧特性的影响比较复杂。一方面由于火源之间对于空气的竞争使得每一个火源对空气的卷吸都受到限制，火焰不能获得足够的氧气因而被拉长去接触更多的空气，即火焰高度会变大，这也是火焰向中间倾斜的原因［5］。另一方面，氧气不足则燃烧不充分，同等质量的燃料燃烧释放的热量减小，液面接收的热量反馈减小，又会降低燃烧速率，火焰高度和火焰体积也会随之降低。Liu等人［14，15］在对方形火阵列的研究中根据火源之间距离的变化将火源之间的相互作用机制划分为三个区域：火源之间距离较小时空气卷吸的限制作用占主导地位，距离较大时热量反馈加强占主导地位，在这两个区域中间是两种机制相互竞争的区域。本研究中，由于火源数量较少，空气卷吸的限制作用相对较弱。在图7中，S／D大于4时，空气卷吸的限制作用较小，热量反馈增强效应占主导作用；S／D为2～4时空气卷吸限制作用增强，两种作用机制相互竞争；S／D为0～2时，两种作用机制的效应都会增大，但是热量反馈加强效应再次占主导作用。在S／D＝0时，火焰合并在一起，此时只考虑火源之间的相互传热，不考虑空气卷吸的限制作用。当S／D非常大时，不存在火源之间的相互作用，火源的燃烧特性与单个池火自由燃烧相同。

火焰体积的变化趋势与火焰高度基本是一致的。图8中，S／D＝1时的中间火源的火焰体积明显的大，这跟图像处理方法有关。这种实验条件下火焰明显地向中间倾斜，相邻火源之间的距离仅0.1m，图像处理时难以将三个火焰区分开来，两侧火源的部分火焰被计算在了中间火源的火焰中，导致中间火源的火焰体积偏大。

直径0.2m的庚烷池火多火源燃烧的火焰高度和火焰体积，与直径0.1m的情况类似，只是三个区域的划分不太明显。直径0.4m的庚烷池火多火源燃烧的火焰高度同样随S／D的减小而增大，S／D为2～4的范围也可认为是两种相互作用机制竞争的区域。对于火焰体积，N＝3时中间火焰的体积随S／D的减小呈微小上升趋势，但是在S／D＝3时由于两种作用机制复杂的相互竞争作用，火焰体积减小。对于N＝3时两侧的火焰体积以及N＝2时的火焰体积基本稳定不变，因为火焰高度本来变化就不大，再者火焰顶部的宽度较小，对火焰体积贡献不大。

图7 直径0.1m池火多火源燃烧火焰高度Fig.7 Flame heights of multiple heptane pool fires burning（D＝0.1m）

图8 直径0.1m池火多火源燃烧火焰体积Fig.8 Flame volumes of multiple heptane pool fires burning（D＝0.1m）

2.3 燃烧速率

直径0.1m、0.2m和0.4m的庚烷池火多火源燃烧的燃烧速率分别如图13～图15。总体来看，不同直径和不同位置火源的燃烧速率都随着S／D的减小而增加。N＝3的燃烧速率大于N＝2的燃烧速率，大于N＝1的燃烧速率。这样的燃烧速率变化规律，主要是由于火源获得热量的多少决定的。上已述及，相同直径的火源接收热量的大小顺序为：三火源燃烧中间火源大于两火源燃烧，两火源燃烧大于单火源燃烧，从燃烧速率曲线图也能看出来。但是三火源燃烧边上的火源与两火源燃烧差别不大，另外由于空气卷吸限制作用的影响，这两个位置上火源的燃烧速率就难以区分大小。

图9 直径0.2m池火多火源燃烧火焰高度Fig.9 Flame heights of multiple heptane pool fires burning（D＝0.2m）

图10 直径0.2m池火多火源燃烧火焰体积Fig.10 Flame volumes of multiple heptane pool fires burning（D＝0.2m）

图11 直径0.4m池火多火源燃烧火焰高度Fig.11 Flame heights of multiple heptane pool fires burning（D＝0.4m）

燃烧速率曲线的变化趋势与火焰高度的变化有相似之处，也可以认为S／D为2～4的范围是热量反馈加强与空气卷吸限制作用相互竞争的区域，S／D大于4和小于2时热量反馈加强效应在火源相互作用中占主导。对于直径0.1m和0.2m的油池，S／D为2～4的范围内，空气卷吸受限效应与热量反馈增强效应的竞争不如直径0.4m的油池明显，这与火源之间对空气的竞争程度有关。S／D由4到2的变化过程中，直径0.1m油池的燃烧速率上升较快，直径0.2m的油池变化平缓，而直径0.4m的油池在S／D为3处出现拐点，可见池火对空气的卷吸与S／D并非线性关系，油池直径越大在S／D相同时对空气卷吸的竞争越大。我们对0.4m的池火在S／D为3时进行了重复实验，验证了该拐点是空气卷吸的影响而不是实验误差。

图12 直径0.4m池火多火源燃烧火焰体积 Fig.12 Flame volumes of multiple heptane pool fires burning（D＝0.4m）

图13 直径0.1m庚烷池火多火源燃烧速率Fig.13 Burning rates of multiple heptane pool fires burning（D＝0.1m）

图14 直径0.2m庚烷池火多火源燃烧速率Fig.14 Burning rates of multiple heptane pool fires burning（D＝0.2m）

图15 直径0.4m庚烷池火多火源燃烧速率Fig.15 Burning rates of multiple heptane pool fires burning（D＝0.4m）

2.4 火焰体积与热释放速率的关系

火焰体积与燃烧速率的变化趋势已分别做了讨论，下面来看二者的相互关系。火焰高度与热释放速率有很好的相关关系，那么火焰体积与热释放速率很有可能也是相关的。De Ris［16］指出有机燃料的单位火焰体积的热释放速率应该是一个常数，因为有机燃料燃烧时消耗单位质量的氧气所释放的热量是相同的，不管燃烧效率是多少。通过假设火焰体积，他计算的单位火焰体积的热释放速率对于PMMA、PP和PS分别为2380W／m3，2505W／m3和2588W／m3。Orloff和 De Ris［17］对直径0.38m和0.76m的丙烯、甲烷和PMMA池火的研究发现单位火焰体积的热释放速率是一个常数，约为1200kW／m3。Stratton［18］对家具火的研究也发现单位火焰体积对应的热释放速率是一个常数，约为800kW／m3。

我们把所有实验的火焰体积和热释放速率绘于图16中，对称位置的火焰体积和热释放速率取二者的平均值。燃烧效率以0.92［19］计算。将三组不同直径庚烷池火的数据一起拟合得到的斜率（单位火焰体积的热释放速率）为1614kW／m3，对直径0.1m、0.2m和0.4m的实验数据分别拟合，得到的单位火焰体积的热释放速率分别为3536kW／m3、1955kW／m3和1607kW／m3。

图16 火焰体积与热释放速率的相互关系Fig.16 Relationship between heat release rates and flame volumes

3 结论

通过恒定控制液面高度的实验系统，对直径0.1m、0.2m和0.4m的庚烷池火单个、两个和三个火源线性排列的火焰高度、火焰体积和燃烧速率等特性进行了研究。主要结论如下。

（1）火焰高度、火焰体积和燃烧速率等特性参数的大小规律是三火源燃烧中间火源大于两火源燃烧，大于单个火源燃烧，三火源燃烧边上的火源与两火源燃烧的火源难以区分大小。随着火源间距的减小，火焰高度、火焰体积和燃烧速率都呈现增大趋势。

（2）空气卷吸受限和热量反馈加强是多火源之间相互作用的两种机制。整体来看，S／D大于4时，热量反馈增强效应占主导作用；S／D为2～4时两种作用机制相互竞争；S／D为0～2时热量反馈加强效应再次占主导作用；在S／D＝0时，火焰合并在一起；当S／D→∞时，不存在火源之间的相互作用。

（3）火焰体积与热释放速率有较好的线性相关关系，单位火焰体积的热释放速率约为1614kW／m3。

［1］Putnam AA，Speich CF.A model study of the interaction of multiple turbulent diffusion flames［J］.Proceedings of the Combustion Institute，1963，9：867-877.

［2］Thomas PH，Baldwin R and Heselden AJM.Buoyant diffusion flames：some measurements of air entrainment，heat transfer，and flame merging［J］.Proceedings of the Combustion Institute，1965，10：983-996.

［3］Baldwin R.Flame merging in multiple fires［J］.Combustion and Flame，1968，12 （4）：318-324

［4］Sugawa O，Takahashi W，Oka Y.Flame height behavior from multiple fire sources［J］.Fire and Materials，1993，17（3）：111-117.

［5］Weng WG，Kamikawa D，Fukuda Y，Hasemi Y，Kagiya K.Study on flame height of merged flame from multiple fire sources［J］.Combustion Science and Technology，2004，176（12）：2105-2123.

［6］Kamikawa D，Weng WG，Kagiya K，Fukuda Y，Mase R，Hasemi Y.Experimental study of merged flames from multifire sources in propane and wood crib burners［J］.Combustion and Flame，2005，142（1-2）：17-23.

［7］Delichatsios MA.A Correlation for the Flame Height in"Group"Fires［J］.Fire Science and Technology，2007，26：1-8.

［8］Satoh K，Shinohara M，Yang KT.Experimental observations and analysis of square arrays of equi-distant multiple fires［A］.Proceedings of the Third Asia-Oceania Symposium on Fire Science and Technology Singapore［C］，June 1998：517-528.

［9］Satoh K，Shinohara M，Yang KT.Experimental observations and analysis of square arrays of equi-distant multiple fires affected by a shear flow field［A］.Proceedings of the Seventh Brazilian Congress of Engineering and Thermal Sciences［C］.Rio de Janeiro，1998：490-495.

［10］Satoh K，Ping ZJ，Liu N，Yang KT.Experiments and analysis of interaction among multiple fires in equidistant fire arrays［A］.Proceedings of the ASME Summer Heat Transfer Conference［C］，2005（1）：709-712.

［11］Liu NA，Liu Q，Deng ZH，Kohyu S，Zhu JP.Burnout time data analysis on interaction effects among multiple fires in fire arrays［J］.Proceedings of the Combustion Institute 2007，31：2589-2597.

［12］Zhou R，Wu ZN.Fire whirls due to surrounding flame sources and the influence of the rotation speed on the flame height［J］.Journal of Fluid Mechanics，2007（583）：313-345.

［13］Huffman K，Welker J.et al.Interaction effects of multiple pool fires［J］.Fire Technology，1969，5（3）：225-232.

［14］刘琼，多火源燃烧动力学机制与规律研究［D］.中国科学技术大学，合肥，2010.

［15］Liu N，Liu Q，Lozano Jesse S，Shu L，Zhang L，Zhu J，Deng Z，Satoh K.Global burning rate of square fire arrays：Experimental correlation and interpretation［J］.Proceedings of the Combustion Institute.2009，32（2）：2519-2526.

［16］De Ris J.Fire radiation-A review ［J］.Proceedings of the Combustion Institute，1979，17（1）：1003-1016.

［17］Orloff L，De Ris J.Froude modeling of pool fires［J］.Proceedings of the Combustion Institute，1982，19（1）：885-895.

［18］Stratton BJ.Determining Flame Height And Flame Pulsation Frequency And Estimating Heat Release Rate From 3DFlame Reconstruction［D］.University of Canterbury，Christchurch，New Zealand，2005.

［19］Hamins A，Yang J，Kashiwagi T.A Global Model for Predicting the Burning Rates of Liquid Pool Fires［R］.NISTIR 6381.US Department of Commerce，1999.

Experimental study on combustion characteristics of multiple heptane pool fires

LI Zheng，LIU Nai-an

（State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China）

Multiple fires burning is typical in forest and urban fires.In this work，burning of multiple heptane pool fires was investigated by experiments，in which the height of fuel surface was kept constant.The flame height，flame volume and burning rate for single fire，two fires and three fires of heptane pools being in line were studied experimentally.Pool diameters of 0.1m，0.2mand 0.4mwere used in the experiments.It was found that the flame height，flame volume and burning rate of the central fire in three fires burning were larger than those in burning of two fires and single fire.The flame height，flame volume and burning rate increased gradually with decreasing fire spacing.It was also found that the interaction mechanisms vary with fire spacing.Heat transfer enhancement is the dominant effect when S／D （where S is the fire spacing，and Dis the pool diameter）is larger than 4and smaller than 2.When S／Dis 2～4，heat transfer enhancement and air entrainment limitation compete with each other.The volumetric heat release rate was found to be nearly a constant of 1614kW／m3.

heptane pool fire；multiple fires burning；flame height；flame volume；burning rate

X954

A

1004-5309（2012）-0109-08

10.3969／j.issn.1004-5309.2012.03.01

2012-05-18；修改日期：2012-06-08

李 政（1988-），男，硕士研究生，研究方向为多火源燃烧特性。

刘乃安，liunai＠ustc.edu.cn