随着北极地区的开发和利用,溢油会使脆弱的北极航道和生态环境受到不可估量的损失,如何快速有效地处理极地地区溢油事故一直是研究人员关注的重点。就地燃烧法被认为是一种有效可行的冰区溢油处理方法,可以将其看作为冰腔油池火。与传统的油池火相比,其边界条件和燃烧特征有着很大的不同。因此,开展常见冰区溢油场景的模拟实验,研究冰区油池火的燃烧行为,对于科学合理的使用就地燃烧法处理冰区溢油具有重要的的指导意义。本文围绕冰腔几何形态、池火燃烧特性和羽流特性,利用原油和正庚烷开展小尺寸圆形和环形冰腔油池火实验研究。实验发现冰腔油池火与刚性油盘池火最大的区别在于冰腔侧壁的融化,导致燃料层的升高和油池直径的增大。在小尺度圆形冰腔油池火中,冰腔直径的增大与燃烧时间满足一定的幂函数变化规律。环形冰腔油池火内侧冰腔的侵入长度约为外侧冰腔的1.1倍。燃料侵入侧冰腔形成ice lip,其长度随着油池直径的增大而增大。随着ice lip的增大,池火燃烧效率减小。通过对不同初始条件下冰腔油池火燃烧速率和火焰高度的实验研究,分析得到冰腔油池火燃烧特性的影响因素。实验发现圆形冰腔油池火的平均燃烧速率和火焰高度随着冰腔直径和初始燃料温度的增大而增大,无量纲火焰高度和无量纲热释放速率存在线性关系。环形冰腔原油池火燃烧速率和火焰高度随着环形冰腔内外径之比(Din/Dout)和原油含水率的增加而降低。通过等效冰腔直径下的无量纲能量释放速率可以建立火焰高度的预测模型。引入火焰融合概率将火焰状态分为完全融合、间歇融合和完全不融合。环形冰腔庚烷池火燃烧过程可以分为火焰预融合阶段、火焰融合阶段、全池火阶段和衰退阶段。火焰预融合阶段的燃烧速率随着Din/Dout的增加而降低,火焰融合阶段的燃烧速率随Din/Dout的增加而增加。环形冰腔庚烷池火的平均火焰高度随着Din/Dout的增大而减小。通过热平衡分析对圆形冰腔油池火燃烧过程中的热反馈规律和燃烧速率进行理论分析和计算,发现冰腔油池火燃烧速率的理论值与实验结果相差不大。对环形羽流附近的压力分布进行分析,建立了环形羽流特性参数的理论模型,计算得到的羽流中心线温度与实验测量值相符。当初始Din/Dout为0.513到0.709时,羽流质量流率不断增加。当初始Din/Dout大于0.709时,羽流质量流率的变化规律与燃烧速率相同。随着Din/Dout的增大,羽流质量流率逐渐减小。