油池边沿高度对池火燃烧和传热特性影响的研究

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池火是经常发生在城市、工业场所以及危化品运输过程的典型灾害,燃烧时产生强烈的热辐射,对周围环境造成严重的危害,也容易诱发次生衍生灾害,演化为多火焰燃烧(Multiple fires burning)或者大火(Mass fire),进一步增大事故的影响范围和严重程度。另一方面,池火涉及传热、流动和燃烧的强烈耦合,物理机制十分复杂,也一直是火灾科学研究中的经典课题。以往对于池火的研究大多是选择自由燃烧阶段的稳定段作为研究对象,或者保持燃料面和油盘上边缘齐平,很少关注燃料液面变化带来的影响。油池边沿高度(Lipheight)是用来表征液面变化的参数。在实际的事故场景中,随着燃烧的进行,液面会不断下降,也就是边沿高度不断增大,这会改变火焰底部的空气卷吸,影响壁面的温度分布,从而对火羽流行为和热量反馈带来显著影响。因此,有必要研究油池边沿高度对池火燃烧特性的影响,进一步丰富池火燃烧理论,为有效应对池火引发的灾害提供科学基础。本文从实验和理论研究角度入手,主要研究内容和结论如下:1.研究了油池边沿高度对池火燃烧特性的影响。实验观察到边沿高度的存在会显著影响火焰形态,火焰面会发生变形和扭曲,边沿高度增大到一定程度时,火焰会进入油盘内部,发生内部燃烧。实验结果表明,随着边沿高度的增大,池火的燃烧速率、火焰高度和脉动频率总体上逐渐减小,而且边沿高度对池火燃烧特征的影响依赖于燃料类型、油盘直径和壁面材料。随着壁面材料热导率的增大,边沿高度对池火燃烧特征的影响逐渐减弱。2.揭示了油池边沿高度对池火传热机制的影响。结果表明,油池边沿高度显著影响燃料和壁面的温度分布。随着边沿高度的增大,导热反馈变化较小,辐射热反馈速率和分数逐渐减小,对流热反馈分数逐渐增大,证实了边沿高度的存在会促进火焰湍流强化,促进向燃料表面的对流传热。此外,边沿高度相同时,导热反馈分数随着壁面材料热导率的增大而减小。3.建立了油池边沿高度影响下池火燃烧速率的预测模型。基于传热学基本原理分别对导热、对流和辐射热反馈速率进行数值计算和理论分析,建立了热反馈速率的计算模型,同时基于热量平衡方程建立了燃烧速率的预测模型。与实验结果对比,预测模型对于不同燃料类型、油盘直径和壁面材料的池火都能较好地符合实验值。
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