聶璇，周魁斌，吳月瓊，黃夢(mèng)源，蔣軍成

（南京工業(yè)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京211816）

引 言

中俄天然氣管道、中亞天然氣管道、中緬天然氣管道、西氣東輸管道等長(zhǎng)輸運(yùn)管道的大量建設(shè)，以及大量的輸氣主干線和支干線遍布全國(guó)各地城鎮(zhèn)[1]，滿足了我國(guó)快速發(fā)展的能源需求，同時(shí)也帶來了嚴(yán)重的泄漏火災(zāi)爆炸問題。對(duì)于長(zhǎng)輸運(yùn)管網(wǎng)，管道往往會(huì)經(jīng)過林地或者一些含沙地區(qū)；對(duì)于城鎮(zhèn)管網(wǎng)，天然氣管道大多采用埋地敷設(shè)，管道在運(yùn)行過程中由于材料缺陷、腐蝕、人為破壞等原因可能發(fā)生泄漏，泄漏的可燃?xì)怏w點(diǎn)燃形成的噴射火在實(shí)際場(chǎng)景中會(huì)卷吸周圍大量砂土，從而形成氣固混合物下的射流擴(kuò)散火焰（氣固噴射火）[2-3]。因此，開展氣固噴射火火焰行為特征實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)林地防火隔離帶、城市管網(wǎng)安全間距的設(shè)置具有一定的參考價(jià)值。

石油化工生產(chǎn)過程中的事故性噴射火和安全處置有害氣體的工業(yè)火炬（氣態(tài)噴射火），一直受到燃燒和火災(zāi)安全領(lǐng)域研究人員們的重點(diǎn)關(guān)注。國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要對(duì)不同場(chǎng)景下氣態(tài)噴射火的火焰高度、推舉高度方面進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，如Wang等[4]針對(duì)兩個(gè)不同海拔高度的火焰形態(tài)特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)火焰推舉高度與壓力存在冪律關(guān)系，并通過引入卷吸系數(shù)，建立了一套適用于不同壓力情況下的火焰高度公式；Zhou等[5]組建一套渦旋發(fā)生裝置，從自由噴射火和旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)下噴射火的動(dòng)力學(xué)差異方面，解釋了兩者在火焰形態(tài)上的區(qū)別；還有學(xué)者針對(duì)不同的泄漏口形狀[6-8]和不同距離火源融合情況[9]來進(jìn)行研究。雖然氣態(tài)噴射火的研究非常深入全面，但相關(guān)理論公式直接用于預(yù)測(cè)氣固噴射火有待考究，因?yàn)楣腆w顆粒對(duì)火焰溫度、形態(tài)、輻射及穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響[10-13]。

事實(shí)上，煤礦工業(yè)中頻發(fā)的爆炸事故也是一種氣固混合火焰，它是以預(yù)混火焰?zhèn)鞑バ问綄⒚簤m卷吸入火焰中[14]，學(xué)者們主要從火焰?zhèn)鞑セ蚍蹓m自身可燃性的角度研究可燃性粉塵與火焰的相互作用。Xie等[15]使用紋影技術(shù)獲取了煤塵在層流預(yù)混火焰下的火焰錐角，用3個(gè)不同濃度、粒徑的粉塵在貧燃料情況下，測(cè)量甲烷-煤塵-空氣的層流火焰速度，建立了火焰溫度與層流火焰速度的模型。Rockwell等[16]根據(jù)電動(dòng)推桿運(yùn)料原理建立了本生燈型預(yù)混粉塵火焰的裝置，通過紋影技術(shù)研究不同湍流強(qiáng)度下的燃燒特性，考察了不同濃度比、湍流強(qiáng)度和煤塵對(duì)混合火焰湍流燃燒速度的影響。Ranganathan等[17]搭建了與Rockwell類似的本生燈型預(yù)混火焰裝置，研究了惰性粉塵和預(yù)熱氣體對(duì)火焰燃燒速度的影響，結(jié)果表明，隨著惰性粉塵濃度增加，層流火焰燃燒速度降低，隨著預(yù)熱氣體溫度升高，層流火焰燃燒速度增加。關(guān)于預(yù)混合下的氣固火焰[18-22]，研究已較為成熟，但對(duì)氣固混合物下的擴(kuò)散火焰現(xiàn)象的研究還相對(duì)較少。

本文自行設(shè)計(jì)一套新的簡(jiǎn)易氣固噴射裝置，對(duì)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中不同粒徑砂土以不同卷吸速率一起進(jìn)入火焰中的情況進(jìn)行理想化分析，實(shí)驗(yàn)中采用兩種粒徑均勻不變的純凈白色石英砂（主要成分SiO2）以近似恒定不變的卷吸速率分別進(jìn)入火焰中進(jìn)行對(duì)比分析?？紤]氣固噴射火是一種特殊的燃燒現(xiàn)象，其形態(tài)由多種因素共同確定，因此，本文從傳熱的角度，結(jié)合氣固預(yù)混火焰速度傳播模型和氣態(tài)噴射火火焰高度、推舉高度公式，來解釋固體顆粒對(duì)火焰形態(tài)的影響，并與氣態(tài)噴射火的燃燒特性進(jìn)行對(duì)比分析和物理解釋。

1實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

氣固噴射火裝置由噴射火裝置、進(jìn)料器、質(zhì)量測(cè)量裝置、砂子收集盤構(gòu)成。噴射火裝置由丙烷氣瓶、流量計(jì)、火焰阻火器、燃燒噴嘴組成，其結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。

進(jìn)料系統(tǒng)由進(jìn)料器和燃燒噴嘴共同組成，砂子卷吸過程如圖1(b)所示。本實(shí)驗(yàn)利用文丘里效應(yīng)，當(dāng)氣流經(jīng)過截面驟縮的孔板時(shí)，孔板背部會(huì)產(chǎn)生低于大氣壓的“負(fù)壓”，從而使堆積在進(jìn)料器內(nèi)的砂子自動(dòng)卷吸進(jìn)入燃燒噴嘴內(nèi)，并隨著氣流一起向上噴出。燃燒噴嘴內(nèi)徑10 mm，其內(nèi)部有一個(gè)孔徑為1 mm，厚為1 mm的孔板（使其產(chǎn)生文丘里效應(yīng)）?？装迳喜? mm處，燃燒噴嘴周圍有三個(gè)軸對(duì)稱矩形開口（砂子進(jìn)入燃燒噴嘴的入口），其尺寸為7.5 mm×9 mm，對(duì)于給定的管徑和孔徑，Xie等[23]詳細(xì)分析了進(jìn)料口大小的確定方法。燃燒噴嘴和進(jìn)料器固定在支架上，并將整個(gè)支架放在電子秤上進(jìn)行稱重，通過讀取實(shí)時(shí)抽料質(zhì)量來監(jiān)測(cè)砂子的卷吸速率，該稱重設(shè)備的稱重量程為10 kg，靈敏度為0.1 g。進(jìn)料器高13 cm，錐角等于60°，針對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置中砂子粒徑的臨界休止角而確定[24]。向上噴出的砂子用收集盤收集，以防影響下部稱重設(shè)備。

圖1 氣固噴射火裝置示意圖(a)和砂子卷吸過程示意圖(b)Fig.1 Schematic diagramof the gas-solid jet diffusion flame(a)and sand entrainment process(b)

將純度為99%的丙烷氣體作為燃料，Alicat流量計(jì)用于監(jiān)測(cè)丙烷的質(zhì)量流量，測(cè)量范圍0～50 L/min。本研究采用粒徑分別為147μm(80目)和178 μm(100目)的白色石英砂，以及6個(gè)不同氣體流量來分析砂子對(duì)火焰行為的影響，特別地，通過關(guān)閉側(cè)面的三個(gè)進(jìn)砂口所形成的氣態(tài)噴射火與之相比較。實(shí)驗(yàn)過程中采用兩臺(tái)DV(Sony FDR-AXP55)分別記錄火焰高度和底部推舉高度。進(jìn)料器中填滿砂子，砂子保持干燥且無雜質(zhì)。表1列出了氣態(tài)噴射火和氣固噴射火在不同丙烷質(zhì)量流量(mc)下，砂子卷吸速率(ms)、火焰Froude數(shù)(Frf)、火焰高度(H)和推舉高度(h)的變化。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況和數(shù)據(jù)匯總Table 1 Test conditions and experimental data summary

1.2 實(shí)驗(yàn)的可行性、重復(fù)性和數(shù)據(jù)的預(yù)處理

氣體以一定流速流經(jīng)孔板，會(huì)產(chǎn)生一定程度的“負(fù)壓”，使側(cè)面砂子自動(dòng)進(jìn)入燃燒噴嘴內(nèi)，即氣體流量以及砂子粒徑大小決定了砂子的卷吸速率，圖2是丙烷和二氧化碳?xì)怏w在不同流量下147μm和178μm砂子所對(duì)應(yīng)的卷吸速率。在低流量下，由于砂子與燃燒噴嘴側(cè)孔和內(nèi)壁之間的摩擦無法將砂子順利噴出，砂子卷吸率幾乎為0，隨著氣體流量的增加，砂子卷吸率與氣體流量呈線性關(guān)系，若流量繼續(xù)增加，孔板背部將會(huì)出現(xiàn)塞流。對(duì)于粒徑較大的砂子，由于裝置尺寸的設(shè)計(jì)，低流量下無法產(chǎn)生氣固噴射，對(duì)于粒徑更小的125μm(120目)砂子，高流量下，過量的砂子進(jìn)入火焰中會(huì)將其熄滅，因此本文采用6組不同的氣體質(zhì)量流量和兩組不同粒徑砂子，作為本裝置研究氣固噴射火火焰形態(tài)特征的實(shí)驗(yàn)變量。

浮力和動(dòng)量共同控制的噴射火，火焰會(huì)存在一定范圍的脈動(dòng)，相較于氣態(tài)噴射火而言，由于砂子的影響，氣固噴射火會(huì)產(chǎn)生更為明顯的脈動(dòng)，從而影響火焰高度及推舉高度的測(cè)量。為減少砂子堆積高度對(duì)砂子卷吸速率及火焰高度、推舉高度的影響，實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集時(shí)間控制在1 min。圖3給出了丙烷質(zhì)量流量為0.372 g/s時(shí)，147μm砂子在1 min內(nèi)所對(duì)應(yīng)的丙烷質(zhì)量流量、砂子卷吸速率、氣固噴射火推舉高度及氣固噴射火火焰高度的3次重復(fù)性測(cè)試，從圖中可以看出這些物性參數(shù)隨著時(shí)間的變化保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的階段，在3次重復(fù)性測(cè)試中砂子卷吸量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差為(4.15±0.19)g/s、(4.19±0.21)g/s、(4.27±0.23)g/s，推舉高度為(0.32±0.03)m、(0.33±0.03)m、(0.31±0.03)m，火焰高度為(1.14±0.10)m、(1.07±0.10)m、(1.06±0.12)m，從時(shí)間變化范圍和誤差分析中可以得出砂子對(duì)火焰的影響是連續(xù)的，并且該裝置具有較好的重復(fù)性。

圖2 砂子卷吸速率隨氣體質(zhì)量流量變化Fig.2 Variation of sand entrainment rate with gas mass flow rate

實(shí)驗(yàn)中火焰高度、推舉高度的確定通過圖像處理技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。本文采用圖像分析處理方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的火焰視頻進(jìn)行處理，并提取出火焰的特征形態(tài)，通過OTSU算法[25]對(duì)圖像閾值進(jìn)行動(dòng)態(tài)判定，然后根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)火焰位置出現(xiàn)的次數(shù)，得到火焰概率云圖。平均火焰高度取50%出現(xiàn)概率的火焰頂部到噴嘴位置，平均推舉高度取50%出現(xiàn)概率的火焰底部到噴嘴位置，推舉高度測(cè)量示意圖如圖4所示。當(dāng)氣固噴射火出現(xiàn)推舉現(xiàn)象時(shí)，火焰底部到燃燒噴嘴之間的距離（推舉高度）均無火焰，所以砂子對(duì)火焰溫度的影響主要取決于砂子在火焰中的質(zhì)量，也就是說砂子噴射高度L與推舉高度h的差值即為砂子在火焰中的高度。圖5是砂子在不同二氧化碳?xì)怏w質(zhì)量流量下噴射瞬時(shí)圖。當(dāng)氣體流量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，砂子是以近似圓柱形式向上噴出，即在上升達(dá)到最大高度時(shí)都處于圓柱狀（圖5矩形），當(dāng)達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)從兩側(cè)落下。在氣固噴射火焰中由于火焰影響無法準(zhǔn)確測(cè)量出砂子噴射高度，考慮到丙烷為易燃?xì)怏w，實(shí)驗(yàn)中用具有相同分子量的二氧化碳代替丙烷量取砂子的噴射高度，圖2展示了丙烷產(chǎn)生的氣固噴射火和二氧化碳產(chǎn)生的氣固噴射流，147μm和178μm砂子在不同流量下所對(duì)應(yīng)的卷吸速率。從誤差分析可知，在有焰和無焰情況下，此裝置對(duì)砂子卷吸速率影響較小。先用視頻記錄不同流量下砂子噴射高度，再通過視頻圖像量取一定時(shí)間內(nèi)砂子所達(dá)到的最大高度(L)，然后通過視頻處理獲取推舉高度h，最后以Lh與L的比值來確定進(jìn)入火焰中砂子的質(zhì)量比例，如式（1）所示。

圖3 砂子粒徑為147μm時(shí)相關(guān)參數(shù)隨時(shí)間變化的三次可重復(fù)性實(shí)驗(yàn)對(duì)比Fig.3 The test repeatability justified by the comparisons of parameters while size of sand is 147μm

圖4 推舉高度測(cè)量Fig.4 Schematic of the lift-off height appearance probability contour

圖5 粒徑為178μm砂子噴射瞬時(shí)圖Fig.5 Instantaneous images showing sand injection with a size of 178μm

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 現(xiàn)象觀察

圖6(a)和(b)為粒徑為147μm和178μm的氣固噴射火在不同流量下的火焰特征圖。其中，上半圖是DV1從正面拍攝的火焰全景圖；下半圖是DV2從側(cè)面拍攝的火焰根部局部圖。圖7展示了關(guān)閉側(cè)面進(jìn)砂口所形成的氣態(tài)噴射火。實(shí)驗(yàn)中，氣固噴射火火焰高度隨著丙烷質(zhì)量流量的增加先緩慢增加再迅速增加，對(duì)于147μm砂子，當(dāng)丙烷流量為0.12 g/s和0.19 g/s時(shí)，由于砂子與燃燒噴嘴內(nèi)壁之間的摩擦，進(jìn)入火焰中的砂子較少，火焰行為類似于氣態(tài)噴射火，由圖2可知，砂子進(jìn)入火焰的質(zhì)量幾乎為零。當(dāng)氣體質(zhì)量流量從0.25 g/s增加到0.4 g/s時(shí)，火焰出現(xiàn)推舉現(xiàn)象，并在噴嘴底部偶爾出現(xiàn)藍(lán)色火焰，在下游藍(lán)色火焰消失，隨后是亮黃色火焰。對(duì)于粒徑為178μm的氣固噴射火，隨著質(zhì)量流量的增加，火焰高度的變化趨勢(shì)與147μm相似，但在相同質(zhì)量流量下，147μm的氣固噴射火火焰高度高于178μm，并且出現(xiàn)更大的推舉距離，且在高質(zhì)量流量下變得明顯。與無推舉現(xiàn)象的氣態(tài)噴射火（圖7）相比，氣固噴射火出現(xiàn)完全不同的火焰形態(tài)，火焰行為的演變可能是由火焰溫度的變化引起的，后面將進(jìn)行重點(diǎn)討論。

圖6 氣固噴射火的實(shí)驗(yàn)圖片F(xiàn)ig.6 Typical experimental photos of gas-solid jet diffusion flame

圖7 氣態(tài)噴射火火焰的實(shí)驗(yàn)圖片F(xiàn)ig.7 Typical experimental photos of gas jet diffusion flame

2.2 理論分析砂子對(duì)絕熱火焰溫度的影響

在化學(xué)燃燒反應(yīng)中，假設(shè)丙烷與空氣以化學(xué)計(jì)量比混合且完全燃燒沒有離解，產(chǎn)物中只有二氧化碳、水和氮?dú)?；所有釋放的熱量都用于提高氣固混合物的溫度，并且砂粒的最終溫度與氣體溫度相同。當(dāng)砂粒進(jìn)入火焰時(shí)，它吸收火焰區(qū)域的熱量，從而降低火焰溫度。基于能量守恒，便可估算出帶有砂的絕熱火焰溫度，如下所示：

2.3 火焰推舉

對(duì)湍流射流火焰而言，當(dāng)燃料出口流速足夠大時(shí)，射流火焰會(huì)從噴嘴處抬起，這種現(xiàn)象稱為火焰的推舉行為。圖6和圖7為氣固噴射火和氣態(tài)噴射火火焰形態(tài)特征圖。與氣態(tài)噴射火相比，在測(cè)量范圍內(nèi)，隨著氣體燃料增加，氣固噴射火更容易產(chǎn)生推舉現(xiàn)象。值得強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)于氣固噴射火，氣體燃料的增加伴隨著更多的砂子卷吸進(jìn)入火焰中，從而降低絕熱火焰溫度。在氣固預(yù)混火焰中，層流火焰速度與絕熱火焰溫度的理論模型在實(shí)驗(yàn)中得到較好的驗(yàn)證[15-18]，而以層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葹樘卣魉俣鹊摹邦A(yù)混火焰湍流強(qiáng)度理論”[27-28]通常用于解釋射流擴(kuò)散火焰的推舉現(xiàn)象，即推舉火焰的底部的局部氣流速度恰好與湍流預(yù)混火焰的燃燒速率相等。再者，火焰推舉區(qū)域?yàn)槿細(xì)狻⒖諝夂蜕白拥幕旌衔?。因此，本文結(jié)合氣固預(yù)混火焰模型及“預(yù)混火焰湍流強(qiáng)度理論”來解釋氣固噴射火推舉現(xiàn)象。溫度對(duì)層流燃燒速度SL的影響由式（4）進(jìn)行計(jì)算[26]

表2 混合物特性［26］Table 2 Characteristics of mixture［26］

式中，n是總包反應(yīng)級(jí)數(shù)，丙烷反應(yīng)級(jí)數(shù)大約是2；EA是表觀活化能，近似為30 kcal/mol[29]；Tu是未燃?xì)怏w溫度，K；P是大氣壓力，Pa；Ru是氣體常數(shù)，J/(kmol·K);Tˉ=0.5(Tu+Tad,gs)是 反 應(yīng) 區(qū) 的 平 均 火 焰 溫度，K。

將式(5)、式(6)代入式(4)，可得到層流燃燒速度與絕熱火焰溫度有很強(qiáng)的依賴性：

根據(jù)式（7）可以推斷出氣固情況下的絕熱火焰溫度從2267 K降低到1700 K會(huì)使SL從原來的1降為減小0.22（表3），即層流燃燒速度隨著絕熱火焰溫度的降低而減小。Kalghatgi等[27]基于前人的湍流強(qiáng)度理論提出層流燃燒速度與推舉高度的數(shù)學(xué)公式：

表3 用式（7）計(jì)算絕熱火焰溫度與層流火焰?zhèn)鞑ニ俣汝P(guān)系Table 3 The influence of adiabatic flame temperature onlaminar flame velocity calculated by Eq.（7）

式中，h是火焰推舉高度，m；SL是層流燃燒速度，m/s；ρe是燃料密度，kg/m3；ρ∞是空氣密度，kg/m3；μe是動(dòng)力黏度，N·s/m2。

從式(8)中可以看出，層流燃燒速度與推舉高度成反比關(guān)系，絕熱火焰溫度的降低伴隨著層流燃燒速度的減小，而火焰推舉高度隨層流燃燒速度降低而增加，此外砂子進(jìn)入火焰又會(huì)降低火焰溫度，因此，對(duì)比氣態(tài)噴射火，氣固噴射火更容易產(chǎn)生推舉現(xiàn)象。圖8是粒徑為147μm和178μm的氣固噴射火和氣態(tài)噴射火推舉高度隨丙烷質(zhì)量流量變化情況，在相同氣體流量下，氣態(tài)噴射火無推舉現(xiàn)象。對(duì)于不同粒徑的氣固噴射火，從1.2節(jié)實(shí)驗(yàn)預(yù)處理中可知，粒徑為147μm的氣固噴射火，有更多的砂子進(jìn)入火焰中，從而導(dǎo)致更低的火焰溫度以及更低的層流燃燒速度，從而產(chǎn)生更大的推舉高度。

2.4 火焰高度

圖8 氣固混合物噴射火推舉高度隨丙烷質(zhì)量流量變化Fig.8 Variation of lift-off height with propane mass flow rate for gas-solid jet diffusion flame

火焰高度是從燃燒噴嘴出口到火焰尖端的垂直距離。對(duì)于恒定噴嘴直徑的氣態(tài)噴射火焰，火焰高度由噴嘴出口速度決定，但是，對(duì)于氣固噴射火，加入砂子會(huì)影響火焰溫度和出口速度，因此，使用火焰Froude數(shù)Frf對(duì)其火焰高度進(jìn)行解釋[30]。

式中，ugs是氣固混合下氣體燃料出口速度，m/s；d是燃燒噴嘴直徑，m。ρe是丙烷密度（1.854 kg/m3）；ρ∞是空氣密度（1.161 kg/m3）；T0是大氣溫度（298 K）；fs是空燃比0.06035，d燃燒噴嘴直徑0.01 m。

圖9是氣態(tài)噴射火和氣固噴射火火焰高度隨丙烷質(zhì)量流量變化情況。在低流量下(0.12 g/s、0.19 g/s)，兩者之間的火焰高度增長(zhǎng)趨勢(shì)幾乎相同，但是高流量下(0.25～0.40 g/s)存在很大差異。隨著丙烷質(zhì)量流量的增加，砂子卷吸量也增加，被卷吸入的砂子與燃燒噴嘴內(nèi)壁的摩擦?xí)魅鯂娮斓某隹谒俣?，從而?dǎo)致火焰高度降低，但是，噴出的砂子會(huì)降低火焰溫度，從而通過增加火焰Froude數(shù)來增加火焰高度。也就是說，裝置產(chǎn)生的氣固噴射火火焰高度存在兩種競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，加入砂子削弱出口速度使火焰Froude數(shù)減小是負(fù)面效應(yīng)，而降低火焰溫度使火焰Froude數(shù)增加是正面效應(yīng)，而在高流量下，正面效應(yīng)強(qiáng)于負(fù)面效應(yīng)。

此外，對(duì)于不同粒徑的砂，在氣體流量較低情況下，178μm砂子的火焰高度比147μm稍大，但對(duì)于高流量，結(jié)果卻相反。因?yàn)樵诘土髁肯仑?fù)面效應(yīng)強(qiáng)于正面效應(yīng)，而在高流量下正面效應(yīng)占主導(dǎo)。從火焰Froude數(shù)的表達(dá)式[式（10）]中可以看出，噴嘴出口速度和絕熱火焰溫度共同影響Froude數(shù)大小，對(duì)于高流量下產(chǎn)生的氣固噴射火，通過理想化的能量守恒方程2gL=u2gs，將砂子噴出最大平均高度L轉(zhuǎn)化為噴嘴出口速度ugs，再通過式（2）計(jì)算氣固噴射火絕熱火焰溫度，最后將兩者數(shù)值代入火焰Froude表達(dá)式中，從表4可以看出，147μm氣固噴射火在高流量下具有更大的火焰Froude數(shù)，從而擁有更大的火焰高度。

圖9 氣固噴射火與氣態(tài)噴射火火焰高度隨丙烷質(zhì)量流量變化Fig.9 Variation of flame height with propane flow rate for gassolid jet diffusion flame and jet diffusion flame

表4 氣固噴射火物性參數(shù)計(jì)算值Table 4 The calculated physicochemical parameters of gas-solid jet diffusion flame

3結(jié) 論

本文對(duì)氣固噴射火進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比分析和物理解釋了砂子質(zhì)量對(duì)氣固噴射火火焰高度和推舉高度的影響，以及氣固噴射火與氣體噴射火的燃燒差異性。結(jié)論如下。

（1）當(dāng)氣體流量足夠大時(shí)，本文中的實(shí)驗(yàn)裝置能夠產(chǎn)生氣固噴射火，并具有良好的重復(fù)性。

（2）與氣體噴射火相比，氣固噴射火更容易產(chǎn)生推舉現(xiàn)象，并且小粒徑氣固噴射火推舉高度大于大粒徑氣固噴射火。原因是對(duì)于本實(shí)驗(yàn)裝置，小粒徑砂粒在相同情況下進(jìn)入火焰的質(zhì)量更多，使得具有更低的火焰溫度，從而減小火焰?zhèn)鞑ニ俣?，最終增加火焰推舉高度。

（3）當(dāng)丙烷流量足夠大時(shí)，氣固噴射火火焰高度大于氣態(tài)噴射火，原因是砂粒的卷入使得火焰溫度降低，從而增加火焰Froude數(shù)，最終增加火焰高度。小粒徑氣固噴射火火焰高度高于大粒徑氣固噴射火，原因是小粒徑砂粒進(jìn)入火焰體的質(zhì)量更多。