航空煤油火焰蔓延特性研究

【摘要】：隨著飛機(jī)、船舶等交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展,燃油泄漏引發(fā)的火災(zāi)頻繁發(fā)生,不斷造成災(zāi)難性后果。航空煤油具有燃燒速度快、火勢兇猛、輻射熱強(qiáng)等特性,發(fā)生火災(zāi)時(shí)危害性極大,往往會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失和慘重人員傷亡。因此,充分認(rèn)識航空煤油火蔓延的基本特性和機(jī)理,對控制航空煤油火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展和撲救,降低火災(zāi)的危害性具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。航空煤油屬于高閃點(diǎn)多組分混合燃料(閃點(diǎn)為66℃),燃燒前的初始溫度一般都低于閃點(diǎn),因此其初期的火焰蔓延過程主要是液相控制下的火蔓延,與前人主要研究的酒精類低閃點(diǎn)單質(zhì)燃料有較大區(qū)別。因此,有必要針對航空煤油在液相控制模式下的火蔓延進(jìn)行研究,為航空煤油火災(zāi)的控制和滅火機(jī)理的研究提供理論依據(jù)。 為研究航空煤油火焰液相控制下的蔓延過程,論文研制了航空煤油火焰蔓延實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);研究了液相控制模式下的火焰蔓延特性,包括火焰形態(tài)、蔓延速度和脈動(dòng)等;研究了火焰蔓延過程中燃料表面的溫度分布及其溫升;建立了表面流數(shù)學(xué)模型,給出了火焰蔓延過程中表面流速度和溫度分布特點(diǎn);建立了火焰脈動(dòng)數(shù)學(xué)模型,揭示了航空煤油火焰脈動(dòng)過程和燃料表面可燃蒸氣著火方式。論文的具體工作包括: 研制了液體火蔓延特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。搭建了尺寸為1.00m(長)×0.04m(寬)×0.10m(深)油槽;利用CCD攝像對火焰位置和蔓延速度進(jìn)行研究;借助紅外攝像和微細(xì)熱電偶對火焰蔓延過程中液體表面及液面下溫度變化進(jìn)行測量;利用紋影儀對火焰前方的液體表面流進(jìn)行研究。 實(shí)驗(yàn)研究了不同初始溫度條件下航空煤油火蔓延過程。結(jié)果表明,航空煤油火焰由主火焰和閃燃火焰兩部分構(gòu)成。隨著燃料初始溫度升高,主火焰蔓延速度由初溫16℃時(shí)的0.6cm/s,增長至70℃時(shí)的2cm/s。73℃時(shí)的火焰蔓延由液相控制模式轉(zhuǎn)為氣相控制模式,主火焰蔓延速度也躍升至1m/s。在液相控制條件下,不同初溫的航空煤油火焰始終以前展—后縮—前展水平脈動(dòng)方式向前蔓延。主火焰脈動(dòng)頻率具有多頻脈動(dòng)特征。推動(dòng)主火焰向前蔓延的主要是脈動(dòng)幅度較大的基頻。基頻隨著燃料初始溫度的升高由16℃時(shí)的2.0Hz,增長至70℃時(shí)的5.4Hz。而閃燃火焰具有低頻間斷脈動(dòng)的特征,其脈動(dòng)頻率基本分布在0.2Hz—1.0Hz之間。 實(shí)驗(yàn)研究了航空煤油火焰鋒面前方液體表面溫度分布和溫升過程。結(jié)果表明:燃料初溫小于66℃時(shí),燃料表面溫升緩慢,并會(huì)出現(xiàn)特有的溫升穩(wěn)定階段。當(dāng)燃料初始溫度大于66℃時(shí),燃料表面溫度呈線性快速增長趨勢。在本文實(shí)驗(yàn)條件下,燃料表面最高溫度基本處在115℃—145℃的范圍內(nèi)?；鹧驿h面前方的液體表面升溫區(qū)可由預(yù)熱升溫區(qū)、閃燃火焰升溫區(qū)和主火焰升溫區(qū)構(gòu)成。燃料初溫大于66℃時(shí),只有閃燃火焰升溫區(qū)和主火焰升溫區(qū)。火焰鋒面前方的表面流由弱擾動(dòng)區(qū)和強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)構(gòu)成,隨著燃料初始溫度的升高,各區(qū)域長度逐漸減小,且弱擾動(dòng)所占比例逐漸超過強(qiáng)擾動(dòng)。當(dāng)燃料初溫大于66℃時(shí),整個(gè)表面流都為弱擾動(dòng)。表面流是火焰前方液面溫度分布的重要影響因素,強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)上方液面溫度較低,溫度分布較均勻。弱擾動(dòng)區(qū)上方液面溫度呈線性快速增長趨勢。閃燃區(qū)主要處于弱擾動(dòng)區(qū)上方。 建立了航空煤油火焰蔓延的表面流穩(wěn)態(tài)模型,對表面流內(nèi)部溫度和速度分布進(jìn)行了分析,主要得出以下結(jié)論:溫度對航空煤油粘度的影響控制著表面流內(nèi)部溫度和速度分布,隨著與表面流出口距離的增加,表面流溫度逐漸降低,燃料粘度增大,所受的粘性剪切力也逐漸增強(qiáng),最終在表面流鋒線附近形成強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)域,表面流的速度和溫度在強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)域發(fā)生突變,在強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)域內(nèi)部溫度呈均勻分布狀態(tài)。隨著燃料初溫的升高,低溫燃料對表面流的粘性剪切擾動(dòng)逐漸減小,表面流內(nèi)部鋒線附近的溫升平臺和速度突變現(xiàn)象逐漸消失,最終導(dǎo)致表面流強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)域的寬度和厚度逐漸減小。隨著燃料初始溫度的升高,表面流體積慣性力與所受粘性剪切力的相互作用對表面流的影響逐漸減小,表面流雷諾數(shù)隨著燃料初溫的升高而減小,同時(shí)弱擾動(dòng)分離和轉(zhuǎn)捩時(shí)的雷諾數(shù)也隨著燃料初始溫度的升高而減小。航空煤油火焰鋒面前方表面流中也存在冷流現(xiàn)象,出現(xiàn)的位置為強(qiáng)擾動(dòng)中心偏上位置,主要是表面流回流過程中,部分低溫燃料被卷入表面流上層所致。 建立了火焰鋒面前方的可燃蒸氣運(yùn)動(dòng)模型,對航空煤油火焰蔓延過程中的脈動(dòng)和著火方式進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:航空煤油著火條件為化學(xué)反應(yīng)速率大于Ccri=0.077kg/m3·s。航空煤油火焰脈動(dòng)過程可以分為發(fā)展階段和衰退階段,閃燃火焰始終出現(xiàn)在主火焰鋒面前方,是火焰脈動(dòng)區(qū)域燃料蒸發(fā)速率最低的位置。主火焰區(qū)域主要有擴(kuò)散燃燒和預(yù)混燃燒兩種燃燒方式,閃燃區(qū)的燃燒方式為預(yù)混燃燒。 【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】：2010
【分類號】：V312

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