水平风对不同液位深度酒精池火火焰长度的影响

李永和，刘启金

（舟山市消防支队，浙江 舟山，202450）

0 引言

自20世纪50年代开始，人们对池火开展了大量的实验、理论和数值模拟研究，包括各种燃料油池火的火焰高度、火焰频率、辐射强度、质量损失速率等，其中关于火焰高度，前人已总结出了相应的经验模型。其中，Hitoshi Kurioka［1］等人发展了计算火焰高度的理论模型，这个模型针对狭长通道顶棚撞击进行改进，不论火焰是否撞击到烟气顶棚均适用。Hasemi［2］的研究提出了取得火焰高度的新方法，他们通过分析火焰燃烧视频中每一帧的火焰高度，然后取任一段时间内的火焰高度的平均值而获得火焰高度 等 效 值。Cox和 Chitty［3］进一步 研 究 了Hasemi的方法，其研究结果指出Hasemi法要至少截取3s的火焰视频数据，才能获取较为准确的火焰高度。庄磊［4］等人在前人工作的基础上，利用matlab将火焰图像进行处理分析，首先数字化火焰图像，其次将RGB图像转化为二值图，随后进行像素统计和分析，最后确定火焰高度的平均值。Atsushi Nakakuki［5，6］通过对不同液位深度油池火 的实验和数值模拟发现，油盘的壁面和火焰、燃料表面上方的可燃蒸汽、燃料以及周围空气产生大量的热交换将会对油盘的燃烧特性产生重要的影响；液体池火热区域的厚度增大将会增大燃料和壁面之间的热交换速度。李震［7］通过中尺度油池火实验发现稳定燃烧阶段的燃烧速率随液位深度值的增大而下降，随着油盘直径的增大而上升。稳定燃烧阶段的火焰高度随液位深度值的增大而降低，随着油盘直径的增大而升高。总结前人的工作，前人研究了通风条件下油池火的燃烧特性问题，以及无风条件下不同液位深度油池火的燃烧特性问题，但是很少有研究者涉及到不同液位深度及纵向气流双重作用下油池火的燃烧特性问题，因此，本文通过小尺度模拟实验，以研究风速与液位深度变化对液体池火火焰长度的影响，揭示相关的现象和规律。

1 实验设备及方法介绍

1.1 实验设备

如图1所示，为研究不同液位深度对酒精池火火焰特性的影响，我们搭建了小型抽吸式风洞实验台。风洞长240cm，高42cm，宽60cm。在风洞内部，前端固定四组蜂窝芯，相邻两组蜂窝芯间距为10cm，可整流风洞内部流场，以期在风洞内形成均匀、稳定的气流。风速计为加野四通道风速计，可实时测得风速变化，可测范围为0m／s～9.99m／s，精度为0.01m／s，所测的风速范围为0.00m／s～3.00m／s，所测得的风洞内空气流动的湍流度为6%左右。油盘距风洞尾端115cm，置于风洞底面正中位置，通过绝热托盘和可调节高度与水平度的金属支架置放于电子天平上。实验影像由佳能摄像机记录，摄像机与油盘中心的距离为150cm。为了有效估算燃料所受到的热反馈，在实验过程中对油盘壁面上边沿的温度进行了测量，采用的测量装置为K型铠装热电偶，直径1mm。为便于观察实验现象，在风洞一侧安装130cm×42cm的防火玻璃作为观测窗。

1.2 实验工况

实验时先设定风机变频器数值，并打开实验窗注入燃料；启动数据采集系统与摄像记录系统；点燃燃料并在预燃30s后启动风机；实验进行180s，随后熄灭火焰，并持续通风一段时间，使风洞内温度与外部环境一致以后，关闭风机，准备下一组实验。实验中采用酒精为燃料，通过变化油盘尺寸、风速大小、以及液位深度大小等参量，以研究其对火焰特性的影响规律。为了稳定燃料上表面，采用了联通装置对燃料液面进行调节，实验过程中，液面波动幅度小于1mm。具体实验工况包括：油盘形状为正方形，其边长分别为4cm、8cm，所有油盘壁面高度均为5cm，油盘壁厚为1mm；液位深度分别取0.5cm，1.5cm，2.5cm 三种；风速大小分别取0.00m／s、0.61m／s、1.35m／s、2.15m／s、2.93m／s。文中针对庄磊等人编写的matlab程序［4］，进一步进行改进，经过多次实验，酒精二值图取值为180±5，针对不同的试验工况进行略微调整，以求达到最佳处理效果。

2 实验结果及讨论

壁面温度是表示燃料所接收到热反馈量大小的最直观的反映，而燃料所接收到的热反馈量能够直接影响到液体池火的燃烧特性，酒精池火也不例外。火焰长度是液体池火燃烧特性的主要参量。因此对油盘壁面温度的测量，并对温度的变化规律进行分析，能够加深对实验现象的理解和认识，热电偶的布置如图2所示，并同时在距油盘上边沿分别为0.5cm、1.5cm、2.5cm处布置三列热电偶，热电偶数目共12只。

由图3可以看出，当燃料的液位深度为2.5cm时，油盘背风面底部热电偶（T3，T6）所测得的温度曲线图变化幅度较低，根据常理可以推断得出，如果液位深度为0.5cm或1.5cm，热电偶T3与T6处于燃料液面之下，故温度较图3所示要低，因为热电偶T3与T6处于背风面，故当处于相同液位深度时，迎风面与顺风面的热电偶T9与T12所测的温度也较T3与T6处的温度低。

图2 热电偶布置俯视图Fig.2 Top view of thermal－couple position

图3 液位深度为2.5cm底部热电偶温度变化曲线图Fig.3 Temperature curves of the bottom thermal－couples with lip height 2.5cm

由图4可以较为明显的看出，当液位深度为0.5cm与1.5cm时，油池火的燃烧较为剧烈，其火焰长度差别较小。而液位深度为1.5cm时，火焰的面积明显增大，说明其燃烧较液位深度为0.5cm时剧烈。而当液位深度为2.5cm且受到外界风作用时，油盘外部火焰已基本为0。

火焰可以分为富燃料区、充分燃烧区。由图5可以看出，油盘背风面的温度会随着风速的增大而逐渐增大，当油盘上边沿与燃料上表面距离较大时，热电偶处于充分燃烧区，故所测得的温度较高，而一旦液位深度进一步增大，热电偶所测温度也会逐渐增大。然而，当处于气流作用下时，液位深度增大，会逐渐增大壁面对燃料的热反馈，因此会逐渐增大火焰长度大小，当液位深度增大到一定程度，火焰集中在油盘内部深处，无法受到气流的直接作用而蔓延至油盘外侧，所以热电偶所测温度为火焰尾部温度，对油盘壁面加热效果不明显，因此热电偶所测温度较低。

由图5和图6可以看出，除H＝2.5cm时，4cm油盘之外，其他条件下的背风面温度均会随着风速增大而增大。但是背风面温度会随着液位深度的增大，首先增大，随后减小。其他条件下油盘的壁面温度变化规律近似相同，主要是因为当无量纲液位深度（H／L）的值最大时，火焰集中于油盘内部，并且因为无量纲液位深度的值较大，所以会导致油盘深处的燃烧的供氧量不足，导致可燃蒸汽在油盘内部的填充率增大，同时降低了燃烧效率，所以此时背风面温度较低，在一定程度上影响到燃料所接收到的热反馈，进而影响油池火的火焰长度等燃烧特性。

因为火焰长度与热释放速率之间存在对应的函数关系［8］，如式1所示：

其中，Lf是火焰长度，L是油盘尺寸是热释放速率，ρa是空气密度，Cp空气比热容，Ta是环境温度，g是重力加速度，ρa是大气密度，Δρ是大气密度与火焰内气体密度的差值。因油盘壁面温度对燃料所接收到的热量影响较大，所以壁面温度的高低间接影响了热释放速率的大小。而油盘壁面温度对燃料所接收到的热量影响较大，所以壁面温度的高低间接影响了热释放速率的大小。

图4 4cm酒精池火火焰长度视频截图Fig.4 Video grabs for flame length of alcohol pool fire

图5 4cm油盘背风面温度（T1）Fig.5 Temperature of leeward with 4cm pool

图6 8cm油盘背风面温度Fig.6 Temperature of leeward with 8cm pool

根据SFPE的定义［9］，火焰长度可定义为火焰锋线与油盘中心的直线距离。文中借鉴前人的研究方法［4］，采用图像采集，图像处理，统计分析得出火焰长度的平均值。由图6可以看出，当液位深度H＝1.5cm时，酒精池火的火焰长度远大于H＝0.5cm和H＝2.5cm。但是，当 H＝2.5cm且风速较大时，油盘外部火焰长度基本保持为0，这是因为液位深度较大，空气无法进入油盘深处，燃料上表面的氧含量急剧下降，因此燃烧效率降低，最终导致热释放速率降低。其次，因为对于边长4cm油盘而言，当H＝2.5cm时，无量纲液位深度（H／L）的值较大，外界气流的剧烈运动会对油盘内部形成涡旋，但是内部可燃蒸汽却无法向油盘外部释放，导致火焰集中在油盘内部，所以油盘外部火焰长度基本保持为0。

图7 4cm酒精池火火焰长度Fig.7 Flame height of 4cm pool fire

如上所述，对于8cm油盘的酒精池火，当液位深度H＝1.5cm时，火焰长度最大。而对于8cm油盘，当H＝2.5cm时，无量纲液位深度的值较低，可燃蒸汽能够在气流的作用下，迅速脱离油盘内部，所以火焰长度较大，并且随着风速的增大而逐渐增大。

图8 8cm酒精池火火焰长度Fig.8 Flame height of 8cm pool fire

3 结论

本文对不同风速、不同油盘尺寸、不同液位深度酒精池火的火焰长度进行分析。实验发现，对于4cm与8cm的酒精池火，在不同风速条件下，随着液位深度的增大，火焰长度先增大后减小，也可以表述为，当液位深度为1.5cm时，火焰长度最大。一旦无量纲液位深度达到某个定值，火焰长度将会迅速减小，直至降低为0。

［1］Hitoshi K，et al.Fire properties in near field of square fire source with longitudinal ventilation in tunnels［J］.Fire Safety Journal，2003，38（4）：319－340.

［2］Hasemi Y，Tokunaga T.Flame geometry effects on the buoyant plumes from turbulent diffusion flames［J］.Fire Science and Technology，1984，4（1）：15－26.

［3］Cox G，Chitty R.Some source dependent effects of unbounded fires［J］.Combustion and Flame，1985，60（3）：219－232.

［4］庄磊，等.航空煤油池火焰高度特征研究［J］.中国科学技术大学学报，2009，39（7）：763－767.

［5］Nakakuki A.Heat transfer in hot－zone－forming pool fires［J］.Combustion and Flame，1997，109（3）：353－369.

［6］Nakakuki A.Heat transfer in pool fires at a certain small lip height［J］.Combustion and Flame，2002，131（3）：259－272.

［7］李震，Lip Height对油池火燃烧速率影响的实验研究［D］.中国科学技术大学，2011.

［8］陶常法，等.变风向通风对池火火焰长度的影响［J］.燃烧科学与技术，2013，19（3）：261－267

［9］Mudan K，Croce P.Fire hazard calculations for large，open hydrocarbon fires［M］.The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering.2nd ed，2002：3268－3314.