航空煤油表面火焰脈動及表面流特性研究

【摘要】：航空煤油是一種最常用的飛機燃料。近年來,隨著航空工業(yè)的快速發(fā)展,因航空煤油泄露造成的火災(zāi)事故也頻頻發(fā)生。航空煤油具有火勢兇猛、輻射熱強等特性,發(fā)生火災(zāi)時危害性大,往往會造成重大財產(chǎn)損失和人員傷亡。雖然火蔓延僅是火災(zāi)發(fā)展中的一個短暫過程,但它卻決定著火災(zāi)的發(fā)展方向、發(fā)展速度以及火災(zāi)撲救的最佳時機和滅火效果等。因此,有必要對航空煤油表面火蔓延特性和機理進行研究,為控制此類火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展、撲救以及火災(zāi)事故調(diào)查分析提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 本論文在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室的液體燃料火蔓延實驗臺進行實驗研究。主要利用紋影系統(tǒng)、紅外熱像儀、熱電偶測溫系統(tǒng)、PIV系統(tǒng)以及火焰圖像采集系統(tǒng)對不同初始溫度、不同油層厚度和油池寬度條件下航空煤油表面火蔓延過程中,主火焰和閃燃火焰的脈動特性、表面流結(jié)構(gòu)以及障礙物對其預(yù)熱作用的影響進行了實驗研究。利用表面張力效應(yīng)速度模型計算了不同初始溫度和不同厚度條件下的表面流速度。論文的具體工作包括： 揭示了航空煤油表面火焰脈動特性。研究結(jié)果表明：液相控制階段,主火焰以高頻脈動和低頻脈動交替進行的模式向前蔓延；主火焰的脈動幅以及主火焰低頻脈動蔓延時的速度值基本不受航空煤油初始溫度的影響,分別為4.4cm～4.8cm和40-55cm/s；主火焰脈動頻率隨航空煤油初始溫度升高而增大。當(dāng)航空煤油的初始溫度82℃≤T084℃,主火焰穩(wěn)定蔓延,隨航空煤油初始溫度升高,油面上方燃料蒸汽由燃燒下限增大至化學(xué)計量比濃度,主火蔓延速度迅速增大至約120cm/s。閃燃火焰的脈動頻率隨航空煤油初始溫度升高先增大后減小,與之相反,閃燃火焰的脈動幅值隨航空煤油初始溫度升高先減小后增大。閃燃火焰蔓延機理和氣相控制階段主火焰蔓延機理不同。 揭示了油池寬度和油層厚度對航空煤油表面火蔓延影響規(guī)律。研究結(jié)果顯示：當(dāng)航空煤油厚度小于8mm時,為薄油層火蔓延機制。對于薄油層火蔓延,主火焰平均速度隨燃料厚度增大而增大,主火焰和閃燃火焰脈動頻率隨燃料厚度增大而減小,脈動幅值隨燃料厚度增大而增大。當(dāng)航空煤油厚度在8mm～4mm之間時,表面流的動量導(dǎo)致火蔓延速度隨燃料厚度減小而減?。浑S航空煤油厚度繼續(xù)減小表面流熱量損失也影響火蔓延速度；當(dāng)燃料厚度小于2mm時,表面變形導(dǎo)致火焰不能蔓延。當(dāng)航空煤油厚度大于8mm時,為厚油層火蔓延機制,此時,燃料厚度對火蔓延現(xiàn)象基本沒有影響。不同油池寬度條件下火蔓延的實驗結(jié)果表明：當(dāng)油池寬度小于8cm時,油盤側(cè)壁對表面流的粘性作用隨油池寬度增大增大而減弱,所以,火蔓延速度和表面流鋒面速度隨油池寬度增大而迅速增大；當(dāng)油池寬度大于8cm時,油盤側(cè)壁對表而流的粘性作用不明顯,火蔓延速度和預(yù)熱區(qū)推進速度隨油池寬度增大而緩慢增大。研究發(fā)現(xiàn),臺階溫升隨油池寬度和航空煤油厚度增大而增大,預(yù)熱時間隨油池寬度和航空煤油厚度增大而減小。 實驗研究了表而流特性,建立數(shù)學(xué)模型分析了表而流形成機理及液相傳熱模式。表面流前端始終存在一個順時針旋轉(zhuǎn)的渦流；主火焰高頻脈動時,在火焰下方出現(xiàn)新的渦流；當(dāng)主火焰低頻脈動時,新形成的渦流逐漸消失。表面流的熱邊界層厚度約為8mm～10mm,動量邊界層厚度大約10mm,兩者基本不隨航空煤油初始溫度升高而變化。薄油層火蔓延時,表面流的特征尺度比(表面流長度與厚度之比)隨燃料厚度增大而減小,表面流速度和Fr·Ma-0.5成反比關(guān)系；厚油層火蔓延時,表面流的特征尺度比基本不隨燃料厚度增大而變化。在液相控制階段,當(dāng)障礙物頂端與油面齊平時,主火焰在障礙物前的停滯時間隨航空煤油初始溫度升高而縮短,障礙物阻礙表面流向前運動是火焰在障礙物前停滯的主要原因。當(dāng)障礙物在油面下方時,隨障礙物頂端與油面距離增大,主火焰在障礙物前的停滯時間迅速縮短,當(dāng)障礙物頂端與油面距離大于4mm時,障礙物對火蔓延沒有影響,上述現(xiàn)象說明位于液面下方4mm內(nèi)的區(qū)域?qū)鹧媲胺降牡蜏厝剂掀鸬疥P(guān)鍵的預(yù)熱作用。氣相控制階段,障礙物對火蔓延沒有影響。根據(jù)能量守恒原理,建立數(shù)學(xué)模型并分析確定了對流傳熱是液相中的主導(dǎo)傳熱模式。 【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：V312

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