航空煤油不同尺寸池火熱流及溫度特性研究

蔣新生，張霖，何東海，胡文超，劉魯興，趙亞東

（陸軍勤務(wù)學(xué)院油料系，重慶401331）

引 言

油料具有易燃、易爆、易流動、易揮發(fā)等特性，儲運(yùn)過程中易引發(fā)安全事故。近40 年來發(fā)生的油庫安全事故中爆燃類事故占比達(dá)42.4%[1]，發(fā)生爆燃事故時(shí)，存在多種類型的火災(zāi)，如噴射火災(zāi)、閃火災(zāi)、池火災(zāi)等。其中油罐中油品以池火形態(tài)燃燒[2]的情況最為常見?！俺鼗鹑紵庇袃煞N形態(tài)：對于儲油油罐來說，因油罐設(shè)備設(shè)施等老化或損壞導(dǎo)致油料泄漏并擴(kuò)散，當(dāng)遇到攔油堤等時(shí)會積聚形成“油池”形態(tài)，該形態(tài)著火即“受限型”油池火[3]；如沒有攔油堤等防護(hù)措施，或攔油堤存在滲漏，油料則會繼續(xù)擴(kuò)散，在該形態(tài)下著火稱之為“非受限型”油池火[4]。

國內(nèi)外發(fā)生的油料火災(zāi)安全事故數(shù)不勝數(shù)。例如，2003年4月7日，美國ConocoPhillips 公司的一個(gè)內(nèi)浮頂儲罐發(fā)生爆炸并引發(fā)大火，大火持續(xù)了21 h，燒掉約7600 桶柴油，共造成近250 萬美元的直接經(jīng)濟(jì)損失。2005 年12 月11 日，英國邦斯菲爾德油庫912號儲罐發(fā)生汽油泄漏，遇點(diǎn)火源后發(fā)生爆炸，大火持續(xù)了整整60 h，油庫20 余座油罐損毀，雖無人員在事故中傷亡，但造成直接經(jīng)濟(jì)損失約2.5 億英鎊，并嚴(yán)重影響了歐洲的生態(tài)環(huán)境[5]。2009 年10月29日，印度拉賈斯坦邦齋浦爾市郊的某油庫因燃油泄漏引發(fā)火災(zāi)爆炸，大火迅速蔓延到整個(gè)罐區(qū)，大火持續(xù)十幾天，造成價(jià)值約為7.58 億美元的直接經(jīng)濟(jì)損失并導(dǎo)致了嚴(yán)重的人員傷亡[6]。1989 年8 月12 日9 時(shí)，山東青島黃島油庫發(fā)生了一起特大火災(zāi)事故，油罐因雷擊爆炸起火并引燃周邊油罐，大火共燃燒了104 h，燒掉原油3.6 萬噸，燒毀油罐5 座，事故造成8500 萬元的經(jīng)濟(jì)損失并導(dǎo)致近百人的人員傷亡[7]。2010 年1 月7 日，蘭州石化公司某罐區(qū)發(fā)生泄漏并引發(fā)爆炸，爆炸引燃周圍5個(gè)儲罐，造成多人受傷，直到1 月9 日現(xiàn)場的火才撲救結(jié)束。2010年7 月16 日，大連新港中石油原油儲備庫管線爆炸引起大面積火災(zāi)，導(dǎo)致部分原油泄漏入海；10 月24日，該儲備庫103號原油儲罐再次發(fā)生火災(zāi)，大火持續(xù)了10多個(gè)小時(shí)。據(jù)中國公安消防部門統(tǒng)計(jì)，僅在2017 年前三季度，我國共發(fā)生火災(zāi)21.9 萬起，死亡人數(shù)1065 人，傷亡人數(shù)679 人，造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)26.2億元。

對油池火災(zāi)來說，其最主要的危險(xiǎn)源是熱值高的泄漏油料[8]，主要有兩種發(fā)展方式：一是火焰直接引燃周圍油罐等現(xiàn)場可燃物和設(shè)施[9]；二是火焰與煙氣產(chǎn)生很強(qiáng)的包括熱輻射作用和熱對流作用在內(nèi)的間接熱作用，進(jìn)而引燃周圍未著火油罐及設(shè)施，導(dǎo)致事故規(guī)模及損失擴(kuò)大[10]。根據(jù)前人研究結(jié)果[11-15]，儲油罐發(fā)生火災(zāi)并擴(kuò)散時(shí)，大多不是因?yàn)橄噜弮抻突鹬苯狱c(diǎn)燃導(dǎo)致的。與閃火災(zāi)、爆炸等相比，盡管油池火災(zāi)的直接破壞作用相對不大，但油池火災(zāi)產(chǎn)生的高熱輻射及熱對流作用會對周圍油罐設(shè)施產(chǎn)生多米諾效應(yīng)，導(dǎo)致事故破壞范圍升級。因此高熱輻射強(qiáng)度及高溫是評價(jià)火災(zāi)發(fā)展程度和危險(xiǎn)性的一個(gè)重要指標(biāo)，對設(shè)備和人員會造成不同的損傷及傷害[16]，對消防救援行動造成影響。

根據(jù)de Ris 等[17]的結(jié)論：當(dāng)油池直徑小于5 cm時(shí)，油池火傳熱形式以導(dǎo)熱為主；當(dāng)油池直徑在5～50 cm 之間時(shí)，油池火傳熱形式一般以對流為主；當(dāng)油池直徑大于50 cm 時(shí)，油池火傳熱形式一般以輻射為主。一般來說，氣體的燃燒和爆炸都能產(chǎn)生熱負(fù)荷和壓力負(fù)荷。通常用火災(zāi)造成的熱輻射損害的等級來區(qū)分和建立火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)。對于熱負(fù)荷，美國國家防火協(xié)會推薦用5 kW/m2的事故熱通量值來確定人員的安全防火距離[18]。所以研究油池火輻射及對流傳熱特性具有重要意義。火焰輻射作用主要來自燃燒過程中熾熱的碳微粒、二氧化碳以及水蒸氣等[19]。其中碳微粒對輻射射線可看作黑體，通過增強(qiáng)火焰黑度明顯提高輻射強(qiáng)度；二氧化碳及水蒸氣則通過其發(fā)射光譜及火焰中分壓影響火焰輻射強(qiáng)度[20]。相較于其他常用燃油來說，航空煤油燃燒熱值高，燃燒過程中輻射及對流作用較強(qiáng)，一旦發(fā)生火災(zāi)，破壞力及危害更大。前人通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)油池火傳熱形式隨油池直徑變大逐漸由以導(dǎo)熱為主變?yōu)橐詫α骱洼椛錇橹鱗21-24]。

油池火傳熱的熱通量一般受火焰形狀、火焰亮度、羽流溫度分布情況和煙塵空間分布等因素影響，同時(shí)隨油池直徑的不同有所變化。這些因素通過影響油池火熱反饋促進(jìn)油料的揮發(fā)，決定了油池火燃燒過程的發(fā)展。同時(shí)油池火在火焰根部存在由四周卷吸空氣的行為，這種卷吸行為與油池火熱反饋存在耦合作用，影響油池火焰周圍的流場變化。

本文參照油庫油罐著火時(shí)油池火燃燒條件搭建了油料燃燒模擬實(shí)驗(yàn)臺架，以航空煤油為介質(zhì)，采集了燃燒過程中熱對流強(qiáng)度、熱輻射強(qiáng)度、溫度等參數(shù)，對油池火熱對流、熱輻射與溫度特性進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

航空煤油的燃燒實(shí)驗(yàn)在圖1所示的油料燃燒模擬實(shí)驗(yàn)臺架上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)臺架主要包括油料燃燒系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測試采集系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、消防滅火系統(tǒng)等。

圖1 油料燃燒模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Fuel combustion simulation experiment system

油料燃燒系統(tǒng)包括不同尺寸形狀油池、電子點(diǎn)火裝置等。

油池形狀尺寸及工況如表1所示。

表1 油池尺寸形狀及實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Working condition of combustion experiments

油品點(diǎn)燃采用點(diǎn)火器手動點(diǎn)燃，點(diǎn)火器為JAJALIN 點(diǎn)火裝置，燃料為液態(tài)丁烷，具有加長點(diǎn)火頭。

數(shù)據(jù)測試采集系統(tǒng)包括熱流數(shù)據(jù)采集裝置、溫度數(shù)據(jù)采集裝置及圖像采集裝置等。

熱流數(shù)據(jù)采集裝置包括熱流計(jì)、DaqPRO5300數(shù)據(jù)記錄儀及配套的DaqLab 熱流數(shù)據(jù)記錄分析軟件等，用于采集實(shí)驗(yàn)過程中不同位置的熱通量數(shù)據(jù)。

DaqPRO5300 數(shù)據(jù)記錄儀最多可以同時(shí)連接8個(gè)帶內(nèi)置熱電偶的熱流傳感器，實(shí)時(shí)采集、記錄和存儲測試數(shù)據(jù)，結(jié)合配套的DaqLab 軟件，可以實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)下載、在線實(shí)時(shí)檢索和顯示數(shù)據(jù)（數(shù)字、條形圖、曲線圖、模擬儀表指針和數(shù)字儀表等眾多形式）、圖形分析、合并數(shù)據(jù)處理和直接輸出數(shù)據(jù)到EXCEL等功能。

HT50高溫輻射熱流傳感器內(nèi)置了K型熱電偶，可將輻射吸收面所吸收的輻射熱量轉(zhuǎn)換成直流線性信號、以毫伏級信號輸向采集設(shè)備，輻射響應(yīng)時(shí)間小于0.1 s，最大熱輻射量程可達(dá)1 MW/m2，熱輻射分辨率為141 W/m2。

溫度數(shù)據(jù)采集裝置包括熱電偶、熱電偶數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)記錄軟件等，用于采集實(shí)驗(yàn)過程中溫度變化數(shù)據(jù)。

圖像采集裝置為高速攝像機(jī)，用于拍攝實(shí)驗(yàn)過程中油池火焰形態(tài)變化等，便于通過圖像對油池火進(jìn)行分析。

排煙系統(tǒng)包括排氣扇與排煙管路，用于排除實(shí)驗(yàn)過程中油料燃燒產(chǎn)生的煙霧。

消防滅火系統(tǒng)包括手提式滅火器、滅火毯、泡沫滅火裝置等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)在陸軍勤務(wù)學(xué)院火災(zāi)與爆炸實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)使用輻射熱流傳感器對火焰外部輻射不同位置進(jìn)行測量，采集點(diǎn)位置如表2 所示（D 為油池直徑）。同時(shí)使用熱電偶對油池上方中心線的火焰溫度進(jìn)行采集，采集點(diǎn)位置如表3所示。

表2 熱流計(jì)位置Table 2 Position of radiation heat flowmeter

架設(shè)好實(shí)驗(yàn)臺架后，向油池中加入油料。因航空煤油常溫下不易點(diǎn)燃，故加入少量汽油作為引燃劑，因汽油易揮發(fā)，點(diǎn)燃后將迅速消耗完畢，故不影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)使用高速攝像機(jī)對實(shí)驗(yàn)全程進(jìn)行記錄。

表3 熱電偶位置Table 3 Position of thermocouple

2 結(jié)果分析與討論

油池火發(fā)展過程一般可分為初期階段、發(fā)展階段、穩(wěn)定燃燒階段和衰減階段4 個(gè)階段[25]，圖2 為直徑0.5 m 航空煤油圓形池火發(fā)展過程各階段的實(shí)驗(yàn)錄像截圖。

從實(shí)驗(yàn)錄像中可以看出：油池火初期階段持續(xù)約10 s，火焰燃燒強(qiáng)度較小，以橫向發(fā)展為主，直至火焰陣面擴(kuò)散至整個(gè)油池，火焰高度較低，軸線表現(xiàn)為連續(xù)火焰；油池火發(fā)展階段持續(xù)約40 s，火焰燃燒強(qiáng)度迅速提高，火焰向軸向發(fā)展，高度明顯變高，開始表現(xiàn)出連續(xù)火焰與間歇火焰的分區(qū)；穩(wěn)定燃燒階段持續(xù)約250 s，火焰燃燒強(qiáng)度達(dá)到最大，火焰高度也達(dá)到最高，在無風(fēng)條件下出現(xiàn)了約15°的火焰傾角，軸向明顯分化為連續(xù)火焰區(qū)、間歇火焰區(qū)和煙羽流區(qū)；衰減階段持續(xù)約100 s，火焰燃燒強(qiáng)度逐漸變小，先是軸向衰減，火焰不同區(qū)域分化逐漸模糊消失，高度逐漸降低，煙羽流區(qū)最先消失，間歇火焰區(qū)次之，最終只表現(xiàn)為逐漸變?nèi)醯倪B續(xù)火焰，最終橫向衰減直到燃料燃燒殆盡，池火焰熄滅。

2.1 熱通量變化規(guī)律

火焰?zhèn)鳠嶂饕ㄟ^兩種輻射與對流兩種方式。電磁波或光子所載運(yùn)的能量稱為輻射能。對航空煤油燃燒火焰來說，燃燒過程中產(chǎn)生的懸浮炭黑顆粒是使輻射熱成倍增加的主要因素。把油池火焰看作是灰體，對含灰粒的火焰，其火焰輻射率表達(dá)式為

通常使用點(diǎn)源模型、MUDAN 模型[26]或固體火焰模型（SFM）[27]對油池火輻射進(jìn)行計(jì)算。

點(diǎn)源模型用點(diǎn)熱源代替池火焰，同時(shí)假設(shè)火焰輻射為均勻球面輻射[28]，該模型下輻射發(fā)射率表達(dá)式為

其中，Q 表示火焰熱釋放速率，χ 為火焰輻射分?jǐn)?shù)，θ 表示被輻射目標(biāo)和點(diǎn)源連線與垂線的夾角，d表示輻射目標(biāo)與點(diǎn)源的距離。

圖2 油池火發(fā)展過程Fig.2 Development process of oil-pool-fire

在SFM 模型中，油池火等效為擁有恒定外形及輻射發(fā)射功率的圓柱形，并不能準(zhǔn)確表示航煤油火的輻射熱流特征。針對航空煤油池火焰，莊磊[29]建立了雙區(qū)域火焰輻射模型，該模型將火焰在軸向自下而上分為連續(xù)區(qū)、間歇區(qū)和煙羽流區(qū)，并得到了輻射率表達(dá)式

由式（1）～式（3）可看出，輻射率與燃料種類、油池直徑以及被輻射體與池火距離等有關(guān)。

2.1.1 同一尺寸油池火熱通量隨高度及軸線方向變化規(guī)律 以直徑0.5 m 圓形油池為例分析，圖3為距油池軸線0.75 m，高0.50、0.75 與1.00 m 處的輻射熱通量情況。油池火燃燒初期階段燃燒強(qiáng)度較低，未產(chǎn)生過多懸浮炭黑顆粒，其輻射強(qiáng)度在不同高度處差別不大，均較弱。發(fā)展階段火焰燃燒強(qiáng)度增加，開始產(chǎn)生懸浮炭黑顆粒，熱輻射強(qiáng)度明顯升高，0.50 m 處熱輻射強(qiáng)度達(dá)到近9000 W/m2，0.75 m 處熱輻射強(qiáng)度約7000 W/m2，1.00 m 處熱輻射強(qiáng)度約2000 W/m2。穩(wěn)定燃燒階段燃燒強(qiáng)度達(dá)到最大，同時(shí)大量產(chǎn)生懸浮炭黑顆粒，輻射強(qiáng)度也在這一階段達(dá)到最高并維持在該水平，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至253 s時(shí)三處測點(diǎn)測得輻射強(qiáng)度同時(shí)達(dá)到最高值，0.50 m 處熱輻射強(qiáng)度最高達(dá)到11448 W/m2，0.75 m 處熱輻射強(qiáng)度最高達(dá)7000 W/m2，1.00 m 處熱輻射強(qiáng)度最高約3500 W/m2，該階段三處測點(diǎn)輻射熱通量平均值分別為10189、8052、2464 W/m2。衰減階段燃燒強(qiáng)度逐漸降低，測點(diǎn)越高輻射強(qiáng)度下降速率越快，最終在池火熄滅后趨于一致。

距油池軸線0.75 m 處，自0.50 m 高處升高0.25 m 與0.50 m，高度達(dá)到0.75 m 與1.00 m 時(shí)，穩(wěn)定燃燒階段輻射熱通量平均值分別下降約2000、8000 W/m2。高度增加1 倍，輻射熱通量下降約4/5。可以看出，距油池軸線相同水平距離情況下，豎直高度越高，輻射熱通量越??；且隨高度升高，輻射熱通量下降速度越來越快。

圖3 不同高度距油池軸線0.75 m輻射熱通量Fig.3 Radiant heat flux of 0.75 m from axis of oil pool at different heights

圖4 與油池軸線不同距離高0.50 m輻射熱通量Fig.4 Radiant heat flux at different lengths from oil pool axis 0.50 m

圖4 為高0.50 m，距油池軸線0.75 m、1.00 m、1.50 m處輻射熱通量情況。在油池火燃燒初期及發(fā)展階段，距油池更近處輻射熱通量升高更快；在油池火穩(wěn)定燃燒階段，距油池軸線0.75 m 處和1.00 m兩處測點(diǎn)測得的輻射熱通量相近，平均輻射熱通量僅相差1248 W/m2；最高輻射熱通量相差671 W/m2，約為最高輻射熱通量的6%；在油池火衰減階段，距油池較遠(yuǎn)處的輻射熱通量降速較低，但因穩(wěn)定燃燒階段輻射熱通量值低，故率先降至最低，距油池較近處輻射熱通量降速較高，但后于遠(yuǎn)距離測點(diǎn)處降至最低值。

由圖4 整體變化趨勢對比可看出，同高度情況下，距離油池火越遠(yuǎn)，輻射熱通量越小；且隨著距離增大，輻射熱通量下降速度越來越快。

圖5 全熱通量及輻射熱通量對比Fig.5 Comparison of total heat flux and radiant heat flux

圖6 對流熱通量Fig.6 Convective heat flux

2.1.2 同一尺寸油池火熱對流及熱輻射變化規(guī)律圖5 為高0.75 m 距油池軸線1.00 m 處測得的全熱通量與輻射熱通量，兩者相減可得油池火燃燒全過程對流熱通量情況，如圖6 所示。在油池火燃燒初期及發(fā)展階段，熱輻射與熱對流發(fā)展趨勢趨同，且在該階段結(jié)束時(shí)熱通量均達(dá)到2500 W/m2左右。油池火進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段后，熱輻射與熱對流均圍繞3500 W/m2熱通量上下波動，較為穩(wěn)定；但穩(wěn)定燃燒階段進(jìn)行約50 s后，對流熱通量有明顯提高，峰值達(dá)到約7000 W/m2，與此同時(shí)輻射熱通量未有明顯升高或降低，整個(gè)穩(wěn)定燃燒階段輻射熱通量最大值約4500 W/m2。衰減階段火焰熱輻射與熱對流同時(shí)迅速降低，基本同時(shí)達(dá)到最小值。

整體分析，油池火火焰在整個(gè)燃燒過程中主要呈豎直方向發(fā)展趨勢，由于溫度和懸浮炭?；揪窒拊跓熡鹆鲀?nèi)部，因此在水平方向上對周圍影響相對較小，主要危害體現(xiàn)在輻射熱通量上。

圖7 不同高度距油池軸線1.5D處熱通量Fig.7 Heat flux at 1.5D from axis of oil pool at different heights

2.1.3 不同尺寸油池火熱通量變化規(guī)律 圖7為高度1.00、0.75、0.50 m，距離軸線1.5D 處不同尺寸油池火焰燃燒熱通量情況。由圖可看出，直徑0.4 m與0.5 m 的圓形油池火焰在該位置處熱通量變化趨勢基本相同，可以劃分為初期階段、發(fā)展階段、穩(wěn)定燃燒階段與衰減階段，區(qū)別主要在于不同尺寸油池火焰產(chǎn)生的熱通量不同。但對于直徑0.3 m 的正方形油池火焰來說，其燃燒過程與圓形油池火焰區(qū)別較大，油料點(diǎn)燃后全熱通量迅速上升，持續(xù)短時(shí)間相對穩(wěn)定狀態(tài)后再一次迅速上升，到達(dá)熱通量峰值后基本沒有維持穩(wěn)定，熱通量迅速下降，逐漸回到零點(diǎn)。根據(jù)分析，可以將正方形油池火焰燃燒過程分為初期階段、暫時(shí)穩(wěn)定階段、發(fā)展階段與衰減階段。對比不同形狀油池火焰持續(xù)時(shí)間，可以看出兩種形狀油池火焰初期階段持續(xù)時(shí)間基本相同，不同點(diǎn)主要在于當(dāng)圓形油池火焰處于發(fā)展階段時(shí)，正方形油池火焰進(jìn)入了暫時(shí)穩(wěn)定階段；當(dāng)圓形油池進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段時(shí)，正方形油池火焰基本同時(shí)達(dá)到熱通量峰值，隨即迅速下降。

對比熱通量峰值可發(fā)現(xiàn)：同形狀油池火焰隨油池直徑增大，熱通量峰值升高；但正方形油池火焰熱通量峰值明顯高于圓形油池火焰熱通量峰值。

分析認(rèn)為，正方形油池與圓形油池燃燒過程有所不同主要是因?yàn)閷φ叫斡统貋碚f油料表面張力及熱反饋不均勻。油池火焰燃燒過程中，油料同時(shí)受到表面張力和浮力作用，同時(shí)因火焰熱反饋產(chǎn)生蒸發(fā)與流動。對圓形油池火焰來說，各方向溫度及張力均勻，故火焰發(fā)展至穩(wěn)定燃燒狀態(tài)后持續(xù)時(shí)間較長；對正方形油池火焰來說，油池邊緣存在角度，各方向溫度及張力不均勻，容易導(dǎo)致油料各處熱反饋情況不同，從而導(dǎo)致油火燃燒無法達(dá)到一個(gè)相對穩(wěn)定狀態(tài)，在達(dá)到峰值后即迅速衰減。

圖8 為高0.75 m、距油池軸線2D 處，熱輻射強(qiáng)度與熱對流強(qiáng)度對比。對圓形油池火焰，全熱通量隨著油池直徑的增大而升高。但在距油池軸線2D處，對于邊長0.3 m 的正方形油池，其全熱通量峰值仍高于直徑0.4 m 的圓形油池，但低于直徑0.5 m 的圓形油池。對比圖7同一高度距油池軸線1.5D處熱通量，邊長0.3 m 正方形油池?zé)嵬糠逯蹈哂谥睆?.4 m與0.5 m 的圓形油池?？煽闯稣叫斡统鼗鹧鏌嵬渴茌S向距離變化影響大于圓形油池。對比不同尺寸油池火焰熱輻射密度，可以發(fā)現(xiàn)對圓形油池與方形油池，隨著直徑增大，輻射傳熱占全熱流的比例均逐漸升高，對流傳熱占全熱流的比例逐漸降低。體現(xiàn)出了隨著直徑增大，傳熱逐漸由對流主導(dǎo)轉(zhuǎn)為輻射主導(dǎo)的變化趨勢。

圖9 為高0.75 m、距油池軸線3D 處不同尺寸油池火焰熱通量對比。與前文近距離相比，圓形油池全熱通量隨距離增大整體和峰值均降低很快，但正方形油池?zé)嵬糠逯到档拖鄬^少?？梢苑治龅贸觯瑘A形油池火焰向外傳熱能力受徑向距離變化影響較大，方形油池受徑向距離變化影響相對較小。

圖8 高0.75 m距油池軸線2D處熱通量情況Fig.8 Heat flux at 2D of 0.75 m away from oil pool axis

2.2 火焰溫度變化規(guī)律

針對火焰中心線溫度分布，McCaffrey[30]通過實(shí)驗(yàn)，提出了預(yù)測公式，并針對火焰連續(xù)區(qū)、間歇區(qū)以及煙羽流區(qū)給出了不同的參數(shù)取值范圍

圖9 高0.75 m距油池軸線3D處熱通量Fig.9 Heat flux at 3D of 0.75 m away from oil pool axis

表4 火焰不同區(qū)域參數(shù)取值Table 4 Values of flame parameters in different regions

2.2.1 同一尺寸油池火軸向溫度隨高度變化規(guī)律以直徑0.5 m 圓形油池火為例分析，圖10 為該尺寸油池火燃燒過程中心線不同高度位置溫度變化情況。由圖可知，油池火中心線溫度隨高度升高逐漸降低，0.25 m 與1.00 m 兩處測得最高溫度分別為656℃與279℃，相差377℃。在油池火燃燒初期及發(fā)展階段，高度越低，溫度升高速率越快。根據(jù)溫度變化趨勢情況，可將油池軸向自下而上分為火焰底部可燃?xì)怏w逐漸被加熱區(qū)域、火焰區(qū)域以及煙羽流過火區(qū)域。在穩(wěn)定燃燒階段，不同高度測點(diǎn)測得的溫度變化趨勢有所不同：在剛進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段時(shí)，高度較低的兩個(gè)測點(diǎn)即達(dá)到最高溫度，隨后溫度變化穩(wěn)中有降；但當(dāng)穩(wěn)定燃燒階段持續(xù)約100 s 后，高度較高的三個(gè)測點(diǎn)才達(dá)到最高溫度?？紤]原因是下部區(qū)域?yàn)榛鹧孢B續(xù)區(qū)，該區(qū)域油氣濃度高、氧氣濃度低，燃燒過程屬于欠氧燃燒，油池火焰的熱反饋是其溫度變高的主要原因，因此在剛進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段時(shí)，下部溫度即同時(shí)達(dá)到最高溫度；而上部區(qū)域存在油池火卷吸空氣的現(xiàn)象，該區(qū)域氧氣濃度逐漸變大，在油池火整體進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段時(shí)，溫度仍隨著燃燒過程的充分進(jìn)行而升高。

圖10 0.5 m圓形油池不同高度火焰中心線溫度變化Fig.10 Variation of flame centerline temperature of 0.5 m circle oil pool at different heights

圖11 0.4 m圓形油池不同高度火焰中心線最高溫度Fig.11 Maximum temperature of flame center line of 0.4 m square oil pool at different heights

圖12 0.3 m方形油池不同高度火焰中心線溫度變化Fig.12 Variation of flame centerline temperature of 0.3 m square oil pool at different heights

圖13 不同高度火焰中心線最高溫度Fig.13 Maximum temperature of flame center line at different heights

圖13 為油池火軸線方向不同高度的最高溫度變化趨勢。最高溫度隨高度升高呈現(xiàn)下降趨勢，但下降趨勢逐漸變緩。考慮因?qū)嶒?yàn)油池尺度較小，其火焰脈動能力較強(qiáng)，火焰連續(xù)區(qū)范圍要小于火焰間歇區(qū)。且油池火軸線方向高度增加時(shí)，存在對外損失的熱量；同時(shí)越高的位置卷入空氣越多，火焰溫度下降速率越快。

2.2.2 不同尺寸油池火軸向溫度對比分析 圖14為不同尺寸油池火軸線位置在同一高度處溫度變化情況對比。以油池軸線高1.25 m和0.25 m兩處溫度采集情況為例進(jìn)行分析。從軸線溫度變化上來看，方形油池與圓形油池軸線溫度均經(jīng)歷了“升高—穩(wěn)定—降低”的三個(gè)過程，且對于同一位置直徑越大的油池溫度越高。但幅度隨著軸向高度的降低逐漸減小。當(dāng)高度降低至0.25 m 時(shí)，油池尺寸對溫度的影響較弱，三種尺寸的油池在該處溫度變化情況和穩(wěn)定狀態(tài)下的溫度基本一致。

3 結(jié) 論

通過對航空煤油進(jìn)行不同尺寸形狀油池火點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)，采集了燃燒過程中輻射熱流數(shù)據(jù)及火焰中心線溫度數(shù)據(jù)并結(jié)合理論進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論。

（1）航空煤油池火輻射熱通量隨徑向距離和高度的增大逐漸減小，其中輻射熱通量對高度增加更為敏感，隨高度升高下降幅度更快。可通過大尺度實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真研究對其下降規(guī)律做進(jìn)一步研究，對油池火撲滅有一定參考。

（2）航空煤油池火燃燒過程中對外傳熱方式主要有輻射與對流兩種方式。對于同一尺寸的油池，其熱輻射先于熱對流達(dá)到強(qiáng)度最大值，此時(shí)兩者強(qiáng)度相當(dāng)；隨后在穩(wěn)定燃燒階段后期熱對流強(qiáng)度存在躍升現(xiàn)象，強(qiáng)度超過熱輻射強(qiáng)度，成為該階段主要傳熱方式；對不同尺寸油池，隨著直徑增大，輻射傳熱占全熱流比例逐漸升高，逐漸由對流主導(dǎo)傳熱模式變?yōu)檩椛渲鲗?dǎo)傳熱模式。

（3）航空煤油池火中心線上，下部區(qū)域火焰連續(xù)燃燒、氧氣濃度低，上部區(qū)域油火卷吸空氣、氧氣濃度較高，是導(dǎo)致不同高度最高溫度到達(dá)時(shí)刻不同的主要原因；對不同尺寸油池，軸向高度越高，溫度受油池尺寸影響越大。

（4）對不同尺寸油池火來說，其熱通量峰值隨著油池尺寸增大而增大，但因方形油池火燃燒過程中表面受力不均，熱通量峰值顯著高于圓形油池。

圖14 不同尺寸同一高度處燃燒過程中溫度變化Fig.14 Temperature variation during combustion at different sizes and the same height