入射角度对喷射火脱火效能的影响分析

蒋晓刚，迟 卫，金良安，苑志江

（海军大连舰艇学院航海系，辽宁 大连 116018）

入射角度对喷射火脱火效能的影响分析

蒋晓刚，迟 卫，金良安，苑志江

（海军大连舰艇学院航海系，辽宁 大连 116018）

为研究入射角度对脱火效能的影响规律，借助THORNTON模型和火焰倾角计算公式对其进行理论分析，并设计专门的实验装置具体研究双向人工扰流入射角度与脱火效能之间的关系。结果表明：在水平面和竖直面两个不同平面内，脱火效能均随着入射角度的改变呈现明显的变化，水平面两扰流夹角120°、竖直面入射对称角30°时的脱火效能最大。合理设置入射角度，有助于提高双向人工扰流的脱火效能。

喷射火；脱火效能；入射角度；双向人工扰流；火焰倾角

0 引言

因管道或储罐泄漏形成的射流燃烧导致的喷射火灾，由于其高发生率和强破坏性[1-2]，历来是火灾扑救的重点和难点。脱火法施救技术是为克服现有喷射火灾施救代价高、效率低、方法器材通用性差等固有问题而提出的一种新型高效低耗通用技术，其主要研究内容是脱火效能。由于脱火距离（火焰根部与燃料喷口的距离）是衡量脱火效能的重要参数，而扰流入射角度又是影响脱火距离的关键因素，因此对于扰流入射角度的研究十分重要。

然而，目前关于扰流入射角度与脱火效能之间关系的研究较少，主要集中在影响火焰特征尺寸的燃料特性、喷口直径以及燃料释放速度等方面，例如，A. Cessou，C.Maurey和D.Stepowski[3]研究了不同直径的喷口对甲烷、丙烷和乙烯等不同燃料的部分预混层流燃烧状况；P.S.Cumber及M.Spearpoint[4]利用CFD技术提出了丙烷燃烧形成的喷射火焰长度的计算方法，并构建了相关模型；罗育洪等[5]对单向人工扰流条件下的脱火效能进行了研究，表明随着入射角度的增加，脱火效能有逐渐减小的趋势，但对双向人工扰流条件下的脱火效能并未涉及。

鉴于上述情况，本文在理论分析的基础上设计实验，重点对双向人工扰流条件下入射角度与脱火

效能的关系进行研究，为寻求更为高效的喷射火脱火方法提供一定的参考依据。

1 影响因素的理论分析

1.1 THORNTON模型

THORNTON模型[6]是一种近似描述喷射火焰形貌的固体火焰模型。在有风条件下喷射火焰的几何形状及尺寸的数学模型大体分为3类：单点源模型、多点源模型和固体火焰模型。一般认为，以THORNTON模型来近似喷射火焰的形貌最为恰当，这是由于该模型是通过大量的风洞实验和场地试验的观测和分析研究得出的，其物理意义最为明确，得出的表达式经过了大量的试验验证。该模型假定喷射火形状为平截头圆锥形，描述平截头圆锥体的参数有火焰长度Lb、火焰锥体长度R1、火焰倾角α、锥体抬升高度b等，有风条件下的喷射火形状如图1所示，图中uw为水平方向的风速，d为喷口直径，W1为火焰下截面宽度，W2为火焰上截面宽度。

图1 有风条件下的喷射火形状示意图

该模型中主要涉及到H.A.Berker给出的火焰长度计算公式[7]，具体公式这里不再赘述，仅将本文用到的关于火焰抬升高度的公式进行简要介绍。火焰抬升高度b是沿孔口轴线方向孔口中心到圆锥体轴线与孔口轴线相交处的距离，计算式为

式中：K——与射流速度比相关的量；

α——火焰倾角；

Lb——有风条件下的火焰长度，其通过静止条件下的火焰长度进行计算，主要与燃料和喷口的固有属性相关。

从与火焰抬升高度相关的上述3个参数可以看出，火焰倾角α是影响火焰抬升高度的关键参数，也是影响脱火效能的关键参数。

1.2 火焰倾角计算公式

造成火焰倾角的原因是由于外界人工扰流的存在，其实质是燃气射流与人工扰流形成的相交射流改变了两者原有的运动轨迹，使得火焰的燃烧方向发生了改变，在某一程度上其遵循相交射流的运动规律。因此，可以依据相交射流理论对火焰倾角的计算公式进行推导。

相交射流的基本运动规律是当两股射流以一定的角度相交时，两者会在各自惯性力的作用下，相互碰撞和混合，直接进行动量、能量和质量交换，最终形成一股汇合流。根据相交射流理论推导得出了火焰倾角计算公式[8]，如式（2）所示。

式中：α——火焰倾角；

θ——燃气射流与人工扰流之间的夹角（即入射夹角）；

Mmol1，Mmol2——人工扰流和燃气射流的摩尔质量；

r1，r2——扰流喷管和燃气喷管的半径；

ν1，ν2——人工扰流和燃气射流的流速；

ψ——修正系数。

从式（2）可知，摩尔质量和喷管半径在实验时均是相对固定的参数，除了流速比之外，入射角度是影响火焰倾角的关键因素，而根据“1.1”的分析，火焰倾角是影响脱火效能的重要参数。因此，对扰流入射夹角开展相应的实验以便具体研究其与脱火效能间的关系十分必要。

2 入射角度的实验研究

由于罗育洪等[5]已对单向人工扰流入射角度对脱火效能的影响进行了相应的实验研究，并得出了脱火效能随着扰流入射角度的增加逐渐减小的结论，但并未对双向人工扰流条件下的入射角度对脱火效能的影响进行研究，因此，专门设计了实验装置并开展相应实验进行了研究。

2.1 实验装置

双向人工扰流脱火施救实验装置主要有扰流系统、燃气系统和数据采集系统3部分，如图2所示，图中设备编号与图3相同。扰流系统由两扰流喷管、空气压缩机、玻璃转子流量计、导流管和三通接头组成；燃气系统由燃气喷管、丁烷气瓶、可调导气喷头、导流管和玻璃转子流量计组成；数据采集系统由摄像头和计算机组成。

图2 实验装置实物图

图3 实验装置示意图

为对实验装置进行具体说明，特绘制了该装置示意图，如图3所示：1C4H10气瓶；2空气压缩机（迪玛特RAC24L，容积为24 L，螺杆式空压机）；3、4阀门；5、6气体玻璃转子流量计（北星LZB系列，量程为0.1～1.0m3/h，流量计准确度为±2.5%）；7燃料喷管（内径4 mm，外径6 mm）；8扰流喷管1（内径8 mm，外径10 mm）；9扰流喷管2（内外径参数同扰流喷管1）；10摄像头（ANC的C230，高品质5玻镜头并支持手动调焦，同时配备优秀的CMOS成像芯片，有效像素为1000万）；11便携计算机。

实验时由空气压缩机提供人工扰流，丁烷气瓶提供燃气，气体流量由气体调节阀门控制，同时可利用流量计自带的调节装置进行微调，通过可调支架将燃气喷管和扰流喷管固定到实验所需位置，架设摄像头并连接计算机，采用“摄像头-计算机”的方式进行取像，从而获得实验数据，实验时整套装置处于无外界气流扰动的相对封闭空间。

图4为单双向扰流条件下的喷口细节图，其中q1和q2为人工扰流流量，d1和d2为人工扰流喷管内径（d1=d2=8 mm），qF为燃气流量，dF为燃气喷管内径（dF=4mm），θ1和θ2为扰流喷管的入射角度，h1和h2为扰流喷管的入射高度，l1和l2为扰流喷管的入射距离。

图4 双向人工扰流喷口细节图

2.2 实验方法

根据实验的研究目的，本文从入射角度入手，主要研究双向扰流入射角度的改变对脱火效能的影响。

入射角度实验根据双向扰流与燃气扰流所处平面的差异，分为水平面和竖直面入射角度两项内容。水平面入射角度实验指的是双向人工扰流构成的平面与燃气射流所处的平面相垂直，扰流入射角度仅在该平面上变化；竖直面入射角度实验指的是双向人工扰流与燃气射流处于同一竖直面内，扰流入射角度在该竖直面变化。两部分实验都是通过改变入射角度获取不同的脱火距离，进而分析入射角度对脱火效能的影响。需要注意的是，实验时需保证两扰流与燃烧射流的入射夹角相等。

2.3 数据采集与处理

由于脱火距离是衡量脱火效能的关键因素，本实验主要通过获取脱火距离研究入射角度与脱火效能的关系。

实验中待火焰状态稳定，控制扰流流量，使火焰脱离喷口燃烧，制造脱火现象，使用摄影系统记录脱火距离L以及扰流流量计的数据等信息，其中拍摄图像的分辨率为1280pixel×512pixel，拍摄频率为100f/s。

实验数据处理的基本过程是从摄影图像数据中挑出火焰根部边缘清晰、明显的脱火图像作为分析样本，通过图像分析技术进行综合处理与分析，建立数学模型以求解表征扰流脱火效能的脱火距离。

在文献[9]中已对该数据采集方法进行了详细的讲解，在此仅对图像处理的基本思路进行描述：利用Matlab编制相应程序，对样本图像进行处理，可得灰度图像，之后借助Matlab图像阅览器的像素区域工

具观察喷管边缘和火焰根部边缘的灰度值，确定门限值，进而获得相应阈值，将灰度图像按照阈值转换为二值图像，计算脱火区域所占像素数量，最后将其换算为实际脱火距离。

2.4 实验结果与分析

根据实验内容方法，对实验参数进行如下设置：入射距离l1=l2=7mm，入射高度h1=h2=0mm。

2.4.1 水平面入射角度实验

该部分实验双向扰流构成的平面与燃气射流所处的平面相互垂直，水平面入射角度代表的是两扰流之间的夹角，在此用θh表示，令θh从30°～180°等间隔变化，实验时选取燃气流量qF分别为0.02，0.04和0.06m3/h，获取不同入射角度条件下的脱火距离如表1所示。

根据表1绘制的水平面不同入射角度下的最大脱火距离变化曲线如图5所示。

表1 水平面不同扰流夹角的脱火距离

图5 水平面不同扰流夹角脱火距离的变化曲线

由实验数据可知，θh为30°时火焰无法脱开；从60°～120°时脱火距离L逐渐增大，但趋势较缓；从120°～180°，脱火距离L开始较急剧的减小，表明了水平面入射角度对脱火距离有显著的影响。与扰流流量为0.02m3/h和0.06m3/h相比，扰流流量为0.04m3/h时火焰整体脱开距离较大。

经分析认为，造成以上实验结果的原因主要是由于扰流夹角的改变使得扰流速度分量发生改变，从而改变了可燃混合物的速度，并对高温产物回流起到了一定的破坏作用，在两种效果相互作用下，火焰最大脱开距离产生了不同的变化。

2.4.2 竖直面入射角度实验

该部分实验两扰流喷管与燃气喷管所处在同一竖直平面，实验时入射角度保持θ1=θ2，同时从15°～90°等间距变化，具体实验数据如表2所示。

表2 竖直面不同入射角度的脱火距离

根据表2绘制的竖直面两扰流不同入射角度脱火距离L曲线如图6所示。

图6 竖直面不同入射角度的脱火距离变化曲线

由实验数据可知，入射角度为15°时，火焰无法脱开；入射角度为30°时，脱火距离最大，之后随着入射角度的增大，脱火距离呈逐渐减小的趋势。不同扰流流量所取得的脱火距离有所差别，与扰流流量为0.02m3/h和0.06m3/h相比，扰流流量为0.04 m3/h的脱火距离整体较大。

为便于直观的比较，特选择qF=0.04m3/h时的火焰脱开距离实验图片进行对比，如图7所示。

分析认为，根据双向扰流的速度分解可知，随着扰流夹角的减小，扰流在竖直方向的速度分量变大，使得火焰可燃混合物的流速增大，从而火焰脱开距离增大。扰流流量适中时（如0.04m3/h）取得的脱火距离较大，而扰流流量较小（0.02m3/h）或较大（0.06m3/h）时取得的脱火距离相对较小，主要是由于扰流流量较小时，所形成的竖直方向的速度分量较小，脱火距离也较小；扰流流量较大时，会增大燃气喷口附近的卷吸作用，从而稳固了燃烧条件，减弱了扰流的干扰

作用，因此脱火距离也有所减小。

图7 竖直面不同入射角度脱火距离对比图

另外，与水平面入射角度实验相比，竖直面入射角度取得的最大脱火距离较大。

分析认为，这主要是由于水平面夹角实验时扰流喷口一直紧贴燃气喷口，位置未发生变化，而双向扰流夹角在竖直面变化时，扰流喷口与燃气喷口的距离会发生相应的变化，不能保持时刻紧贴燃气喷口边缘，从而造成燃气喷口与扰流喷口之间的间隙变大，则汇合流的混合长度变长[10]，并且根据相交射流汇合流的混合变形理论，认为相交射流的夹角α越大，撞击后的射流衰减也越快，射程越短。因此，双向扰流的夹角越小，汇合流的混合长度越长，同时射流衰减也越慢。根据火焰稳定燃烧的条件，燃烧若能继续进行，必须存在固定火焰源，而固定火焰源存在高于燃气喷口平面的某一平面内，扰流夹角变小使得汇合流的混合长度变长，则固定火焰源所在平面随之抬高，因而火焰脱开距离变大。

3 结束语

通过对THORNTON模型和火焰倾角计算公式的分析，说明了扰流入射角度对喷射火脱火效能的显著影响，进而利用实验重点研究了双向人工扰流入射角度与脱火效能之间的关系。通过对脱火距离的分析表明：随着入射角度的增加，水平面扰流夹角实验脱火效能呈现先增大后减小的趋势，竖直面入射角度实验脱火效能呈现逐渐减小的趋势；入射角度过小时，火焰均无法脱开。本文仅初步分析了入射角度对脱火效能的影响，在今后的工作中需对入射角度与脱火效能的数学模型进行更为深入的研究。

[1]Palacios A，Muñoz M，Casal J.Jet fires：an experimental study of the main geometrical features of the flame in subsonic and sonic regimes[J].Environmental and Energy Engineering，2008，55（1）：256-263.

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[10]谢兴华.燃烧理论[M].徐州：中国矿业大学出版社，2002：98-100.

Analysis of relationship between incidence angle and lift-off efficiency

JIANG Xiao-gang，CHI Wei，JIN Liang-an，YUAN Zhi-jiang
（Department of Navigation，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China）

In order to research the relationship between incidence angle and lift-off efficiency，the effect of incidence angle for lift-off efficiency was analyzed on the foundation of THORNTON model and calculation method for oblique angle of ejecting flame.Relations between TDIF （twodirection man-made interfering jet flows）and lift-off efficiency were researched by experiments with special designed experimental device.The results show that on two different planes，the liftoff efficiency was greatly affected by incidence angle.When the interfering jet flows angle of horizontal plane was 120 degree or the incidence angle of vertical plane was 30 degree，the liftoff efficiency was the largest.It is favorable to increase the reliability of TDIF when the incidence angle is set up reasonably.

jet fire；lift-off efficiency；incidence angle；TDIF；oblique angle of ejecting flame

X913.4；TK121；X928.7；TE972

：A

：1674-5124（2014）01-0128-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.01.032

2013-02-05；

：2013-03-26

蒋晓刚（1988-），男，河南许昌市人，博士研究生，主要从事舰船安全与防护技术研究。