多火源气体射流火动力学特性研究

刘 芹, 贾琦晖, 何沛祥, 陶常法

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工业大学 汽车与交通工程学院,安徽 合肥 230009)

近年来,因燃气管道爆裂、燃气泄露导致的火灾事故频发,造成了巨大的生命财产损失。燃气管道泄露燃烧所产生的火焰一般都是自由扩散燃烧,因此,研究射流扩散火焰的燃烧行为动力学特征对于安全设计、工业燃烧设备的运行及分析相关火灾安全问题都具有重要的现实意义。射流扩散火焰是火灾科学领域中一个重要的研究内容,对于其燃烧动力学特征,相关研究成果较多,主要涉及火焰高度Lf、火焰温度分布特性、火焰辐射强度及火焰的推举吹熄行为等[1-3]。扩散火焰是因为在实际燃烧过程中燃料与氧化剂没有预先混合,所以火焰的燃烧行为与空气卷吸过程有密切的关系,在各种不同的环境条件下射流火焰的空气卷吸机制有明显差别[4-5]。

文献[6]中描述了射流扩散火焰Lf随着燃料出口速度的整体演化过程:① 在初动量较小的浮力主控层流火焰阶段,Lf随着燃料喷出动量的增加而线性增加;② 燃料动量增加到一定的程度后,火焰自身的湍流逐步加强,Lf则不再增加,出现一个较小的向下减小的转折区域;③ 经过转折区域之后,火焰湍流强度逐步强化,且从火焰尖部逐步向下扩展,在火焰达到充分发展后,Lf维持在一个稳定的水平基本不变。文献[7]研究了浮力主控扩散火焰,发现单火源无量纲Lf与无量纲热释放速率成2/5次幂的指数关系,即

(1)

文献[8]对低压下湍流浮力射流扩散火焰的Lf进行研究,考虑到空气卷吸或紊流脉动的影响,对(1)式引入了卷吸系数(α)校正因子,结合试验数据得出α校正因子值为0.8;文献[9]研究了6种不同尺寸的圆形金属喷嘴对不同流量的甲烷射流扩散火焰结构特征产生的影响,发现甲烷气体射流火Lf的变化在层流扩散燃烧和湍流扩散燃烧阶段有显著的差异,火焰的最大高度出现在湍流燃烧的阶段,但在某些工况时燃烧火焰出现脉动,使Lf较小;文献[10]研究了合肥和拉萨地区矩形火源Lf的规律,发现在低气压下Lf略大于在常压下的Lf(主要是因为拉萨地区的气压较小,单位体积内的氧气含量也减少,导致α下降,Lf上升),并且用卷吸修正系数归一化得到了合肥和拉萨的Lf公式。

1 试验设计

试验装置现场布置如图1所示,试验装置示意图如图2所示。整个测量装置由3个直径相同的喷嘴、1个燃料气体供应系统及1台CCD摄像机等构成,试验过程中使用2种不同直径的喷嘴,每组试验使用3个直径相同的喷嘴,喷嘴由专门制作的U形支架固定在呈120 ℃分布的3条导轨上,可以方便地调节距离。试验选取的喷嘴距离L(喷嘴中心与导轨接触中心点的距离)为5种,分别为1.3、1.8、2.3、3.8、5.8 cm,喷嘴直径d分别为2.0、2.5 mm。

图1 试验装置布置

图2 试验装置示意图

试验采用CCD摄像机记录气体射流火的燃烧过程,CCD摄像机与火源中心线的距离保持为1.5 m,试验时每个工况的各个流量持续拍摄120 s,并保证火焰图像能够被相机完整地记录。

在火焰中心线上布置1列共计11根k型热电偶采集火焰温度信息,热电偶的布置距离以喷嘴平面为起点,距离分别为5、10、20、30、40、50、60、70、90、110、130 cm。本次试验采取了预试验的方式,调整了热电偶位置,使热电偶位于火焰中心。热电偶经过数据采集仪将采集到的温度数据存储至电脑中。

通过处理CCD摄像机所拍摄的火焰图像获得了Lf值,具体方法如下:首先运用基于Matlab软件编程得到的软件程序[14]提取视频中的火焰图像,将火焰图像转化为二值图,通过对二值图进行统计分析处理,得到火焰在120 s内的灰度图,然后用Tecplot 软件进行灰度图的后处理[5,11],最终得到多火源气体射流火的Lf。

2 火焰高度分析

2.1 火焰高度

湍流非预混火焰,其结构复杂,火焰从振荡层底部上升到发光中心,在间歇燃烧区结束。由于热浮力和边界层的不稳定,火焰存在明显的振荡现象,火焰高度Lf也在一定程度上发生变化,为了更好地描述Lf的特征,文献[15]提出了平均火焰高度的概念,即火焰分布概率为0.5的高度为平均火焰高度,如图3所示。图3中,P为火焰达到该区域的概率。

图3 火焰概率分布图

图4 不同d下Lf与的关系

(2)

图5 喷嘴布置俯视图

(2)式中的Lf和热释放速率的无量纲化应基于等效直径D,则有:

(3)

(4)

图6 不同d下Lf/D与的关系

(5)

图7 不同d下Lf/D试验值与理论值的关系

2.2 火焰温度

图8 不同d下火焰温度与L的关系

从图8可以看出:火焰底部的温度较低;随着高度增加,火焰温度上升;当达到某一高度时,随着高度继续增大,温度下降。这是因为在火焰底部,空间和卷吸强度有限,卷吸进入火焰的氧气不足、丙烷不完全燃烧,导致火焰温度比较低;随着高度的增加,卷吸的空气逐渐增加,丙烷充分燃烧,温度增加;高度继续增加,超出明火区域,即达到羽流区,热电偶所测的温度下降。文献[18-19]采用理想羽流模型计算卷吸系数α,发现α与火焰温度密切相关。因此,分析并量化α对研究火焰温度是必要的。

(6)

其中:b为任意点的有效射流半宽度;ρ为气体密度;u为燃料从喷嘴孔口喷射出的速度。假设燃烧过程中没有辐射热损失,则丙烷在距喷嘴口边缘高度为z处的热释放速率可以表示为:

(7)

其中,ΔT为高出周围环境的温度。将(6)式代入(7)式可得:

(8)

对于火羽流,有

(9)

(9)式可以表达为:

(10)

将(4)式代入(10)式,可得:

(11)

将(11)式化简可得:

(12)

其中,Tf为火焰温度。

α4/5|1.3∶α4/5|1.8∶α4/5|2.3∶α4/5|3.8∶

α4/5|5.8∶α4/5|单=0.033∶0.032∶0.032∶

0.033∶0.037∶0.053

(13)

d=2.5 mm时,有

α4/5|1.3∶α4/5|1.8∶α4/5|2.3∶α4/5|3.8∶

α4/5|5.8∶α4/5|单=0.037∶ 0.032∶ 0.035∶

0.036∶ 0.039∶ 0.050

(14)

其中,α4/5|1.3表示L=1.3 cm时的α4/5值。从(13)式、(14)式可以看出,随着L增大,α4/5值增大。 计算不同L下各α4/5和Lf乘积平均值,当d=2.0 mm时,有

α4/5Lf|1.3∶α4/5Lf|1.8∶α4/5Lf|2.3∶

α4/5Lf|3.8∶α4/5Lf|5.8=

1.383∶ 1.486∶ 1.541∶ 1.579∶ 1.612

(15)

当d=2.5 mm时,有

α4/5Lf|1.3∶α4/5Lf|1.8∶α4/5Lf|2.3∶

α4/5Lf|3.8∶α4/5Lf|5.8=

1.564∶ 1.697∶ 1.730∶ 1.743∶ 1.751

(16)

图9 不同d下α4/5Lf与的关系

(17)

3 结 论

本文研究了在不同的喷嘴直径、喷嘴距离及丙烷热释放速率下多火源气体射流火焰高度演化规律,并进行了一系列的试验。通过分析,建立了关于无量纲多火源气体射流火焰高度和无量纲热释放速率的关系式,以及卷吸系数和火焰高度的乘积与丙烷的热释放速率之间的关系式。

(1) 多火源气体射流火焰高度随着热释放速率和喷嘴直径的增加而增大,且随着喷嘴间距离的减小出现火焰的耦合现象,耦合火焰高度明显大于单火源火焰高度。随着喷嘴距离的增大,火焰的耦合行为逐渐减弱至最后消失。

(3) 火焰底部的温度较低;随着高度增加,火焰温度上升;当达到羽流区时,随着高度继续增大,温度下降。经过分析发现,火焰温度与空气卷吸系数有关,并且得到了卷吸系数和火焰高度的乘积与丙烷的热释放速率之间的关系式。