高原乙醇油池火燃烧特性实验研究*

赵利宏，张清元，王晓天，杨钧晖，赵金龙，黄 弘

(1.中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院，北京 100083；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；3.中国天辰工程有限公司，天津 300232；4.清华大学 公共安全研究院，北京 100084)

0 引言

随高原地区经济的不断发展，乙醇等化工原料被广泛应用于高原地区[1]。乙醇液体在储运过程中，极易发生泄漏，形成油池火灾。与平原地区相比，高原地区压力较小、空气稀薄，单位体积的空气实际含氧量偏低，使得油池火火焰卷吸与常压条件下不同，进一步影响火焰辐射反馈、燃烧速率等参数[2]。因此，研究高原乙醇燃烧特性，对保障高原地区可燃液体储运安全具有重要意义。

目前，国内外学者开展部分低压乙醇油池火实验，主要分析燃烧速率、火焰高度、火焰脉动等参数的变化规律：文献[3]开展燃烧面积为900 m2的矩形乙醇油池火实验，发现低压条件下油池火燃烧速率偏低；Tu等[4]从传热角度分析不同尺度下高原可燃液体燃烧过程中火焰热流反馈的主要模式，并分析压力对燃烧速率的影响，给出具体计算公式；Chen等[5]开展油盘直径为0.04～0.06 m的乙醇池火实验，其中压力范围为60～300 kPa，研究发现随压力增加，燃烧速度和火焰高度明显增加，并给出燃烧速率和压力的关系式(m～P1/2)；Hu等[6]进行高原条件下小型矩形油池火实验，发现低压条件下油池火火焰高度更高，并构建耦合长宽比的火焰高度模型；Kuang等[7]在密闭容器内开展小尺度低压乙醇油池火实验，发现环境压力下降时火焰高度与油池直径相关；Fang等[8]分别在合肥和拉萨开展乙醇池火实验，其油池直径为0.04～0.33 m，通过对比2地火焰温度、火焰振荡等，得出低压火焰浮力更大、振荡频率更快。现有研究针对低压条件下油池火实验燃烧的尺度较小，以直径小于0.2 m的油盘为主，该尺度下燃烧受侧壁传热的影响相对明显，与实际火灾场景偏差较大。

基于此，本文在高原条件下开展不同油盘直径的油池火实验，重点分析低压条件下乙醇池火的燃烧速率、火焰高度、火焰脉动等参数随时间的变化规律。研究结果可为高原液体燃料的储运和风险评估提供参考。

1 实验装置

本文实验在青海省祁连机场户外环境下进行，海拔3 163 m，大气压0.079 MPa。实验采用圆形油盘，直径D分别为0.2,0.4,0.6,0.8 m，侧壁高度0.10 m，厚度3 mm。采用赛多利斯天平(量程35 kg,精度0.1 g)实时测量油盘中剩余油品质量，确定实时燃烧速率和油层厚度。采用数码相机和红外相机分别测量火焰形态和火焰温度。具体实验布置如图1所示，为降低风速影响，实验场地采用防风网。

图1 实验装置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental device

实验采用乙醇作为燃烧油品，浓度大于99%，乙醇基本性质见表1[9-11]。

表1 乙醇的基本性质Table 1 Basic properties of ethanol

为方便观测火焰图像，实验主要在夜间完成，温度约(7±3) ℃，湿度29%，每组实验重复3次，实验具体工况见表2。

表2 实验工况Table 2 Experimental conditions m

2 实验结果与讨论

2.1 燃烧过程与实验现象

乙醇在不同燃烧阶段下火焰形态图和火焰温度如图2所示。乙醇点燃后，火焰迅速燃烧至整个油品表面，火焰呈蓝白色，火焰温度呈上升趋势。随燃烧进行，火焰高度逐渐趋于稳定，但仍存在一定脉动；燃烧过程中，火焰温度逐渐上升，接近700 ℃；最后，随乙醇消耗火焰逐渐熄灭直至消失。在熄灭阶段，火焰进入油盘，火焰呈黄色，这主要是由于空气进入油盘，形成预混燃烧。根据火焰和温度变化规律，整个燃烧过程可分为燃烧发展阶段、燃烧稳定阶段和燃烧熄灭阶段。

图2 火焰形态变化及温度变化示意(D=0.6 m)Fig.2 Schematic diagram of flame shape change and temperature change (D=0.6 m)

燃烧过程中乙醇质量随时间变化如图3所示。由图3可知，随燃烧进行，油池内油品质量不断下降，对于0.015 m厚的乙醇燃烧，直径0.2 m的燃烧时间相对最长，直径0.4，0.6，0.8 m的乙醇油池火总燃烧时间相差较小，接近950 s。

图3 乙醇质量随时间变化曲线Fig.3 Change curves of ethanol mass with time

2.2 稳定阶段燃烧速率

根据实时油池内油品质量，计算得到不同时刻乙醇油池火的燃烧速率，燃烧速率随油池直径变化如图4所示。由图4可知，燃烧开始时，乙醇油盘火燃烧速率随直径增加不断增大，但很快趋于稳定；油池直径为0.4，0.6，0.8 m的燃烧速率基本接近。图4给出前人乙醇油池火的实验数据，低压条件下油池火燃烧速率明显小于常压下油池火燃烧速率。

图4 燃烧速率随油池直径变化曲线Fig.4 Change curves of burning rate with pool diameter

为进一步解释燃烧速率变化原因，给出乙醇油池火在燃烧过程中的火焰热流反馈过程示意[12]，如图5所示。

图5 油池火火焰热流反馈过程示意Fig.5 Heat transfer process of pool fire

根据能量守恒，乙醇油池火燃烧速率如式(1)～(2)所示：

qnet=qcond+qconv+qrad-qreflect

(1)

qnet=m(Hv+Cp×(Tb-T0))

(2)

式中：qcond，qconv，qrad分别表示火焰通过侧壁向油层传递的导热热流密度、火焰与油层对流传热热流密度和火焰反馈给油层的辐射热流密度，kW/m2；qreflect表示油层反射火焰辐射的热流密度，通常小于4%可忽略不计[13]；Hv为油品汽化热，kJ/kg；Cp为比定压热容，kJ/(kg·K)；Tb，T0分别为乙醇沸点和环境温度，K。

对于侧壁向油品传递的导热热流密度如式(3)所示：

(3)

式中：λ为导热系数；Tf为乙醇火焰温度，K。对于油池火侧壁导热，随直径增加不断下降。

对于火焰与油品表面之间的对流换热，如式(4)所示：

qconv=hc(Tf-Tb)

(4)

式中：hc为对流传热系数，如式(5)所示：

(5)

式中：Nu为努塞尔数；Gr为格拉晓夫数；Pr为普朗特数；l为特征长度；μ为动力黏度；ρ为当地空气密度，kg/m3;g为重力加速度，m/s2。根据理想气体状态方程，式(5)可进一步表示为式(6)：

hc∝p1/2

(6)

对于火焰辐射反馈热流密度，可表示为式(7)：

(7)

式中：ε为发射率；σ为黑体辐射常数。

在实验中，通过热流计测量距离火焰0.5D位置处的辐射热流，发现火焰辐射热流均小于1 kW/m2，这主要是由于乙醇火焰的发射率比较小，火焰对外辐射强度小。对于油盘直径0.4～0.8 m范围内的燃烧，随直径增加，侧壁导热影响逐渐减小。综上，乙醇油池火燃烧速率主要受对流的影响。根据式(4)～(5)可知，对流换热系数随压力减小而变小，所以低压油池火燃烧速率小于同等尺度常压下油池火燃烧速率。另一方面，对流换热强度随尺度影响不大，几乎接近常数，所以实验中油品燃烧速率随燃烧尺度的增加几乎保持不变。

2.3 稳定阶段火焰高度

目前，一般利用视频中数据对火焰高度进行处理，采用像素识别方法确定火焰位置[14]。利用MATLAB对乙醇燃烧的图像进行处理分析，首先对视频中每帧图片进行灰度处理，根据图片中亮度和长度比例尺，确定火焰高度，如图6所示。

图6 火焰高度处理过程Fig.6 Treating process of flame height

不同燃烧尺度下乙醇稳定燃烧阶段的火焰高度变化如图7所示。由图7可知，随油盘直径增加，火焰高度逐渐增大，但增长趋势逐渐变缓。

图7 火焰高度随油池直径变化Fig.7 Change of flame height with pool diameter

对于火焰高度的预测，前人给出无量纲模型，其中Heskestad[15]提出的火焰高度模型应用最广泛，如式(8)～(10)所示：

L/D=-1.02+15.6N1/5

(8)

(9)

Q=mHc

(10)

式中：r为燃料与空气化学当量比；Hc为燃料热值，kJ/kg。整合得到式(11)～(12)：

L=-1.02D+ξQ2/5

(11)

(12)

对于油池燃烧，通常ξ=0.235 m/kW2/5，因此，常压下油池火火焰高度可表示为式(13)：

L=-1.02D+0.235Q2/5

(13)

徐伯乐[16]在拉萨进行大量低压油池火实验，得到式(14)：

(14)

因此，对于低压乙醇油池火火焰高度，可表示为式(15)：

L/D=k1+ξQ2/5/D

(15)

通过对实验数据进行拟合分析得到图8。由图8可知，模型预测值和实验值偏差较小，相对偏差R2=91.7%。对于低压乙醇油池火的火焰高度模型，其中k1为-1.66，ξ为0.246，相比于常压下的ξ，低压条件下该参数相对较大。这主要是由于低压条件下，氧气绝对量较少，火焰高度整体变高。

图8 实验结果与拟合曲线Fig.8 Experimental results and fitting curve

2.4 稳定阶段火焰脉动

乙醇油池火产生的火焰是1种热浮力作用下的扩散火焰，在稳定状态下，火焰大小容易呈现周期性变化。前人处理火焰脉动时，通常采用MATLAB进行傅立叶变换对火焰图像进行处理，得到火焰脉动随时间变化规律[17]。本文采用该法对乙醇火焰进行处理分析，得到火焰脉动如图9所示。

图9 火焰脉动(D=0.2 m)Fig.9 Flame pulsation (D=0.2 m)

对于火焰脉动规律，Pagin[18]提出火焰脉动频率计算公式如式(16)所示：

f2=2.3/D

(16)

Bejan[19]用无黏流体推导理论，得到圆形油池火焰脉动公式如式(17)所示：

(17)

Cetegen等[20]根据大量常压实验总结火焰脉动公式如式(18)～(19)所示：

(18)

(19)

式中：K=C(ρ∞/ρf-1)1/2,标准条件下为0.5；ρf为羽流密度，kg/m3；Vf为喷嘴处流速，m/s。在使用油盘条件下，Vf→0，则Ri→∞，因此油池火如式(20)所示：

(20)

对于不同的实验条件，K值不同。火焰实际脉动值和不同模型的预测结果对比如图10所示。由图10可知，高原油池火焰脉动明显大于常压油池火的火焰脉动。这主要是由于高原环境中氧气含量偏低，卷吸更加强烈，导致火焰脉动频率相比常压下频率呈现增加趋势。

图10 火焰脉动实验值与模型值比较Fig.10 Comparison of flame pulsation between experimental values and model values

结合实验数据，对火焰脉动进行拟合，结果见图11。高原乙醇火焰脉动公式如式(21)所示：

图11 实验结果与拟合曲线Fig.11 Experimental results and fitting curve

(21)

3 结论

1) 低压条件下，乙醇油池火的燃烧速率小于同等燃烧尺度下常压油池火燃烧速率，这主要由于低压条件下火焰与油品表面对流强度降低；实验条件下，乙醇燃烧速率随油盘尺寸增加先增加，但很快趋于稳定，这主要是由于火焰与油品表面的对流换热系数受尺度影响相对较小。

2)火焰高度随油池直径的增加逐渐变大，利用无量纲火焰高度模型拟合得出适用于低压条件下的乙醇火焰高度模型(L/D=-1.66+0.246Q2/5/D)。

3)低压条件下的乙醇火焰脉动随油盘直径增加逐渐变小，但火焰脉动大于常压下同等燃烧尺度下的火焰脉动，拟合得出适用于低压条件下的乙醇油池火脉动公式(f2=3.71/D)。

4)研究结果可丰富低压条件下的乙醇油池火燃烧数据，为低压条件下的非发光火焰对应液体燃料的储运安全提供技术参考。相比前人实验尺度，本文油盘直径相对较大，但由于场地限制，仍与实际储罐存在较大偏差，下一步仍需要开展更大尺度的低压乙醇油池火实验。