乙醇添加比例对乙醇－柴油混合物表面火蔓延的影响研究

白洪宝，段强领，王青松，孙金华＊

（1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026；2.海军蚌埠士官学校兵器系，蚌埠，233012）

0 引言

随着我国经济的发展和汽车保有量的增加，石油燃料短缺问题日益突出，且由于石油消费与经济增长密切相关，宏观经济走势已成为影响我国石油需求的首要因素。可以预见，我国经济的发展将以7%左右年均增速持续较长时间，这样将导致国内的石油消费居高不下，汽车尾气排放造成的大气污染问题将日趋严重。为了解决日益严重的环境问题，使用清洁环保的新型燃料就是一个比较有效的手段，乙醇燃料就是一种较好的替代能源。

乙醇柴油是乙醇燃料的一种，属于易燃液体，其泄漏引发的火灾也应符合易燃液体火灾的特性。易燃液体泄漏会向低洼处、地沟、地槽、地井等处流淌，如被引燃则形成池火灾或流淌火灾，火灾随易燃液体流淌发展，其相邻设备和储罐都会受到影响。大型储油罐泄露、运输乙醇柴油的大型油罐车在运输途中侧翻、使用乙醇柴油的汽车管路或容器受热变形或者破裂导致易燃液体泄漏等，都有可能引发火灾，造成重大的财产损失和人员伤亡，为控制此类火灾的蔓延、减小火灾造成的损失就必须对乙醇柴油的表面火蔓延规律及蔓延机理进行研究，而火焰能否在泄漏的燃料表面蔓延成为可控燃烧法能否实现的关键所在。

乙醇柴油表面火蔓延研究是液体燃料表面火焰蔓延研究的一部分。20世纪80年代以来，人们在液体燃料表面火焰蔓延的研究取得了长足的进步，发现火焰蔓延还可以细分为低速稳定蔓延、脉动蔓延、匀速蔓延、线性加速和气相控制蔓延等五种模式［1－7］，并对各种蔓延模式的产生机理进行了深入研究。但这些研究所针对的燃料主要是乙醇、丙醇等低闪点单质燃料［8，9］，而对于高闪点燃料，如柴油等，则研究较少。相比于单一可燃液体火焰传播特性的研究，混合可燃液体火焰传播研究还较少。混合可燃液体火焰传播受多种参数的影响，例如：外界气流、液体粘性、介质粒径、介质温度、介质表面导热系数和介质层表面倾角等，因此其传播特性更为复杂。

本文针对初始温度为27℃＜T＜55℃条件下的乙醇柴油混合燃料的火蔓延过程开展实验研究，采用高速纹影摄像系统和微细热电偶测温技术，对不同初始温度条件下乙醇柴油表面传播火焰的结构、火蔓延速度及燃料表面温升规律等进行分析。

1 实验方案

1.1 实验燃料的配制

通过大量文献调研了解到，乙醇与柴油在低比例情况下可以互溶，乙醇比例越高，二者互溶性越差；相比于其它标号的柴油，0 柴油与乙醇在常温下的互溶性更好。因此，本实验中选取国产某0 柴油作为基础燃料，在其中分别加入体积百分含量为2.5%、5%、7.5%、10%、12.5%、15%的无水乙醇（分析纯，含量≥99.7%），并用玻璃棒不断搅拌，混合后的乙醇柴油分别记作E2.5D、E5D、E7.5D、E10D、E12.5D、E15D，燃料配制好以后静置一段时间待用。

1.2 实验系统

图1 实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

实验系统如图1所示，由纹影系统、高速摄像机、数码摄像机、实验槽、热电偶、数据采集仪等组成。纹影系统由一个24V、500W卤钨灯光源、两个焦距为2000mm的凹面镜、聚焦透镜、狭缝、反射镜及控制刀口等组成。高速摄像机为日本Photron公司生产的高速摄影仪FastcamUltima APX型，用来记录火蔓延全过程，实验中将高速摄像机的分辨率设置为512×512，拍摄速度设置为1000fps。纹影摄像是利用流场对光折射的原理产生图像，由于温度、浓度、压力对火焰结构的影响直观上都反映为密度变化，因此通过纹影图像可清晰再现火焰内部流场结构的变化。数码摄像机拍摄火蔓延时的火焰自发光图片。

实验油槽是长方体容器，本体由不锈钢制成，内部尺寸为600mm×20mm×30mm（长×宽×深），为便于拍摄火蔓延过程中液面高度和油面下方燃油的流动情况，实验槽的两侧安装石英玻璃，实验槽放置于纹影系统光路的中央。由于0 柴油在室温下不易点燃，因此在油槽一端设置点火区，距端面20mm处放置隔离挡板，保证点火时点火区以外燃油保持初始温度，实验中取少量正庚烷注入点火区，作为引燃剂。六根K型快速响应热电偶从实验槽底部穿入，总跨度100mm，相邻两根热电偶之间距离相等，均为20mm，热电偶测温端置于燃油液面的中心线上并且与液面相平，以测量油面温度变化，如图2所示。数据采集仪可实时记录热电偶采集得到的火蔓延过程中油面各点位置的升温情况。

图2 点火区及热电偶分布示意图Fig.2 Schematic diagram of the ignition zone and thermocouple distribution

1.3 实验过程

1.按照图1安装好各实验仪器设备，调试好高速纹影摄像系统、数据采集仪和数码摄像机，做好实验前准备工作。

2.为了得到不同的初始温度，实验中会先将配制好的燃料在热水浴中加热一段时间，通过温度计测量燃料的温度，直到测得的温度数值高于期望温度，准备将燃料倒入实验槽。由于将燃料倒入实验槽和燃料在点火之前的过程中，燃料会有一部分的热量损失，会导致燃料的温度下降，因此，实验中将点火前1s热电偶记录的温度值设定为燃料的初温。将准备好的混合燃料倒入实验槽，使液面与热电偶测点相平。

3.点燃混合燃料，使火焰沿油面自由蔓延，用高速纹影摄像系统记录整个火蔓延过程，数码摄像机记录燃烧火焰的自发光图片；数据采集仪实时记录由热电偶传来的温度数据。

4.保存高速纹影系统、数码摄像机和数据采集仪获得的数据，重复2、3步骤，进行下一工况实验。

5.实验结束后，收集实验过程中产生的废液，整理好各实验仪器设备，清理实验现场。

2 实验结果及分析

2.1 不同比例乙醇柴油的火焰形貌

实验中，通过数码摄像机获得的不同比例乙醇柴油混合燃料在燃料初温为28℃附近时的蔓延火焰的外貌形态如图3所示。

图3 各燃料火蔓延过程中火焰的外貌形态Fig.3 Flame appearance shape in the process of each fuel flame spread

从图3中可以看出，火焰自点火区向前（自左向右）传播，当乙醇添加比例≤10%时，火焰的外貌结构与0 柴油类似，整个火焰传播的区域由橘红色火焰区、蓝色火焰区和无火焰区构成，火蔓延过程中的火焰由主火焰和闪燃火焰构成，主火焰位置靠后、火焰高度较高；闪燃火焰在主火焰前方紧贴液面、火焰高度较低。在火蔓延的过程中，蓝色闪燃火焰火蔓延速度很快，长度不断变化，有时完全消失，呈现一种不连续存在的脉动状态。橘红色主火焰持续存在，呈现出不断脉动向前蔓延的状态［10－12］。当乙醇添加比例＞10%时，蓝色闪燃火焰消失，整个火焰传播区域由火焰区和无火焰区构成。从乙醇柴油燃烧的过程中还可以发现，燃料点燃的一瞬间，蓝色火焰迅速从点火区传播到实验槽的另一端，随后火焰的外缘颜色逐渐加深，变成橘黄色，整个燃烧区火焰的外缘比较平滑；当燃烧稳定之后，火焰外缘开始出现小幅波动并逐渐变得剧烈。

从图3中还可以发现，在初温为28℃附近时，当乙醇添加比例≤10%时，随着乙醇添加比例的增大，主火焰前方闪燃火焰的长度逐渐变短；同0 柴油的火蔓延类似，在火焰前方油面下也存在一个狭长的紊流，在向前流动时还向壁面扩张运动，内部不均匀，其长度也随乙醇比例的增大而逐渐变短。在火蔓延过程中，这种紊流一直保持在火焰的前方，且其水平向前运动速度略大于火焰传播速度。Torrance等人［13］在醇类燃料的火蔓延实验中将其称为表面流。表面流和闪火焰是液体燃料火蔓延过程中特有的现象，但同0 柴油相比，乙醇柴油火蔓延过程中的表面流现象不够明显，说明乙醇的添加会对表面流产生一定的削弱作用。当乙醇添加比例＞10%时，在火焰前方油面下方观察不到表面流的存在，此时火焰的传播速度超过了表面流的速度，可能是因为混合燃料中的可燃蒸气在液面上方与空气混合形成的可燃性混合物处在燃烧范围内，使得火蔓延主要受气相控制而造成的。

2.2 不同比例乙醇柴油的火蔓延行为

图4 各燃料火蔓延过程中的纹影形态Fig.4 Schlieren appearance shape in the flame spread process of each fuel

高速纹影摄像被用来显示火蔓延过程中蔓延火焰及其附近流场的结构特征。图4是一组不同比例的乙醇柴油火蔓延过程的纹影摄像记录，从图4中可以看出，在初温为28℃～35℃之间时，当乙醇添加比例＜10%（E2.5D，E5D，E7.5D）时，乙醇柴油混合燃料的火焰传播纹影图像与0 柴油的类似，即蔓延火焰的前下部纹影边缘均比较光滑的，说明蔓延火焰的火焰前锋比较光滑；后上部纹影边缘则因火焰抖动显得凌乱不规则。从图4中还可以发现，随着乙醇比例的增大，火焰前锋的倾角变大，火焰燃烧时的抖动变小。

当乙醇添加比例≥10%（E10D，E12.5D，E15D）时，乙醇柴油混合燃料与0 柴油的纹影图像区别比较明显，蔓延火焰的纹影边缘都是比较光滑的，没有褶皱出现，说明蔓延火焰的火焰边缘比较光滑。图4中不同配比混合燃料在前6s时间内，火焰前锋所在位置的连线成一直线，反映出在火蔓延的过程中，火焰传播的速度比较均匀。另外，随着乙醇比例的增大，火焰前锋的倾角基本没有变化，反映出在该温度下乙醇的添加比例对火蔓延速度的影响不大。

图5 E7.5D不同初温下的纹影形态Fig.5 Different schlieren appearance shape of E7.5D under different initial temperatures

图5给出E7.5D在不同初温下相同时间间隔内的火蔓延过程纹影摄像记录，可以发现：（1）在火蔓延的初始阶段，火焰前锋倾角较小，火焰前缘比较光滑，随着时间的推移，倾角逐渐变大，火焰前缘上部变得不规则，褶皱增多，反映出火焰燃烧时的抖动变得剧烈；（2）随着初温的升高，在同一时刻火焰前锋的位置更靠前，火焰前锋上部边缘也变得越来越不光滑，反映出初温的升高会使火蔓延速度变大，火焰燃烧得更剧烈。

2.3 不同比例乙醇柴油的火蔓延模式

图6显示了0 柴油和不同比例乙醇柴油混合燃料在不同初温条件下火焰前锋的运动轨迹。图6中横坐标表示火焰在纹影拍摄范围内的传播时间，纵坐标表示火焰在传播过程中，火焰前锋向前运动离开火蔓延初始点的距离。从图6（a）、（b）、（c）中可以看出，0 柴油在不同初温条件下，火焰是以一种“前进－后退－前进”的模式向前传播的，并且传播过程比较连续；偶尔还还会以“前进－停滞－前进”的运动方式向前传播，这与酒精火焰蔓延的方式相同［10］。与0 柴油相比，当乙醇添加比例＜10%时，即E2.5D、E5D和E7.5D等混合燃料在各个初始温度下的“距离－时间”曲线变化趋势与0 柴油接近，说明混合燃料的火蔓延方式与0 柴油相似，火焰也是以一种“前进－后退－前进”或者“前进－停滞－前进”的模式向前传播的，这里将火焰的这种传播模式称为脉动蔓延［8］。

图6 各燃料在不同初温条件下火焰前锋的运动轨迹Fig.6 Flame front motion trajectory of each fuel under different initial temperatures

这种脉动蔓延模式的产生，是因为混合燃料的初温较低时，燃料表面的可燃蒸气浓度不够支持火焰的持续蔓延，当液面上方某一位置的可燃蒸气浓度低于燃烧极限时，即使火焰锋面到达该位置，火焰锋面也会停滞不前；如果此时火焰下方的燃料蒸发速率仍无法支持火焰持续燃烧，则火焰锋面就会后退至燃料蒸发速率可以支持火焰持续燃烧的位置。一旦火焰锋面前方燃料表面的蒸发速率小于可燃蒸气的燃烧速率，再加上环境空气的冷却作用，就会使火焰后退或停滞。只有主火焰锋面下方温度较高的表面流不断向火焰前方补充热量，以及主火焰对火焰锋面根部附近燃料表面的持续热反馈，加速火焰根部附近燃料表面的蒸发，才能推动火焰持续向前低速蔓延。由此可见，当乙醇的添加比例＜10%时，混合燃料的燃烧性质接近于0 柴油的燃烧性质，其蔓延方式与0 柴油相似。

当乙醇添加比例＞10%时，图6中E12.5D和E15D在各初始温度下的“距离－时间”曲线变化不大，即火焰始终以一种稳定的方式向前传播，火蔓延速度比较稳定。此时混合燃料的蒸气向液面上方蒸发的速度较快，并在燃料表面上方持续、快速的形成一层燃料与空气的当量混合气，使得火焰蔓延速度达到最大并一直保持稳定向前传播。由此可知，乙醇添加比例＞10%时，混合燃料的火蔓延与预混火焰的传播机理相似，火蔓延方式与0 柴油不同而接近于乙醇的蔓延方式。

当乙醇添加比例为10%时，图6中E10D在不同温度下的“距离－时间”曲线变化比较明显，可以将其分为三个阶段，分别是27.6℃时的低速稳定蔓延阶段、30.4℃时的高速稳定蔓延阶段和48.1℃时的脉动蔓延阶段。之所以有这种变化，可能是因为初温的变化使得E10D混合燃料中乙醇与柴油的相容性发生了变化，随着温度的升高，乙醇柴油的相容性变小，使得乙醇从柴油中分离并挥发，此时混合燃料中的0 柴油在燃烧时起到了主导作用，致使E10D的火蔓延方式由稳定蔓延向脉动蔓延模式转变。

2.4 不同比例乙醇柴油的火蔓延速度

对火焰锋面位置随时间变化的情况进行数据处理，可以得到火蔓延速度随时间的变化规律。图7中（a）、（b）、（c）显示了0 柴油和不同比例乙醇柴油混合燃料在不同初温条件下火蔓延速度的变化情况，由图7中可以看出，0 柴油在液相控制模式下的火蔓延基本处于低速脉动传播状态，且呈现出周期性蔓延的特征。E2.5D、E5D和E7.5D在不同初始温度下的火蔓延速度变化范围保持在－200mm·s－1～1000mm·s－1，表现出一种低速稳定脉动蔓延的状态，对比三种混合燃料的脉动蔓延速度，E2.5D火蔓延速度的变化幅度比较大；E12.5D的火蔓延速度随初温的升高而变小，由27.6℃时的1400mm·s－1～1700mm·s－1减小到47.6℃时的900mm·s－1～1300mm·s－1；E15D的火蔓延速度在实验测定的温度范围内变化不大，始终保持在1400mm·s－1～1700mm·s－1之间。

图7 各燃料在不同初温条件下火蔓延速度的变化Fig.7 Changes in the speed of flame spread under different initial temperatures

在不同初始温度条件下，E12.5D和E15D的火蔓延速度变化趋势是相似的，先是在点火后迅速达到最大值，随后火蔓延速度小幅下降，最后在一个数值范围内保持稳定直到火蔓延结束。E10D的火蔓延速度变化比较明显，具体表现为：当混合燃料初温为27.6℃时，点火之后保持低速稳定蔓延，速度不超过70mm·s－1，1.9s后，火蔓延速度迅速增大，并在火蔓延结束之前达到最大值，为883mm·s－1；当混合燃料初温为30.4℃时，点火之后的0.05s里，火蔓延速度就达到最大，数值约为1535mm·s－1，之后保持稳定，继续高速蔓延直至火蔓延结束；当混合燃料初温为48.1℃时，点火后火焰保持低速脉动蔓延，火蔓延速度变化范围保持在－200mm·s－1～600mm·s－1之间，与E2.5D、E5D和E7.5D的火蔓延速度接近。

对比不同比例乙醇柴油火蔓延速度的变化情况可知，在相同初始温度条件下，当乙醇添加比例＜10%时，混合燃料的火焰保持低速脉动蔓延状态，火蔓延速度的变化幅度不大，与0 柴油的火蔓延速度相近；可能是因为混合燃料中乙醇的比例不大，导致混合燃料的物理化学性质偏向于0 柴油的理化特性，所以其火蔓延模式和速度接近于0 柴油火蔓延特征。当乙醇添加比例≥10%时，火焰保持高速稳定蔓延状态，火蔓延速度会随着燃料初始温度的升高而降低；这是因为随着混合燃料中乙醇含量的增大，点火之后混合燃料中乙醇的理化特性对混合燃料的影响比重变大，所以混合燃料能够保持高速稳定蔓延，但当燃料初温过大时，可能又影响到了乙醇和柴油的相容性，导致乙醇过快挥发，火蔓延速度反而降低，这在E10D火蔓延时表现的最明显。

2.5 油面温升规律分析

根据传热学和火焰传播理论，主火焰前锋的前方液面温度对火蔓延起着重要的作用，液面温升的快慢直接决定了火蔓延速度的大小。实验中使用K型微细热电偶对火焰前锋推近至该测点时燃料表面的温度变化进行探测和分析。热电偶的具体布置位置和方式如图2所示。

图8为燃油初温在28.3℃时，热电偶记录的E7.5D混合燃料的液面温升曲线。由图8中可以看出，液面各点在主火焰前锋到达之前首先有一个明显温升（ΔT），Zhou［14］在其研究中称其为台阶温升，随后温度振荡上升，升温趋势变缓。E7.5D的台阶温升现象与0 柴油表面火蔓延时的台阶温升现象是相似的。对比其余几种混合燃料表面火蔓延过程中的升温曲线可以发现，当乙醇添加比例＜10%时，混合燃料表面火蔓延过程中都有台阶温升出现，分析其原因是因为在火蔓延过程中，主火焰前方油面下方存在着表面流。在表面流的作用下，主火焰前锋根部温度较高的液体不断向主火焰前方流动，致使前方液面升温明显。随着时间的推移，在表面流预热和主火焰前锋对前方液面辐射的双重作用下，前方液面的蒸发速度加快，待未燃液面的蒸发速度达到一定条件时，即未燃液面上方可燃蒸气浓度达到了混合燃料的燃烧下限，主火焰前锋就会向前蔓延。所以，台阶温升现象是表面流和主火焰前锋热辐射共同作用的结果。

图8 E7.5D火蔓延过程中的表面温度变化（初温T＝28.3℃）Fig.8 Changes of the surface temperature in the flame spread process of E7.5D（initial temperature T＝28.3℃）

图9中（a）、（b）为不同比例的乙醇柴油在不同初温下火蔓延过程中的表面温度变化曲线，这里的温度曲线是以每组工况下3号热电偶所测得的温度数据来绘制的，图中t＝0表示每组工况下1号热电偶出现明显温升的时刻。需要说明的是，E2.5D混合燃料需用引燃剂（正庚烷）点燃，其它混合燃料由点火器直接引燃；E2.5D在出现台阶温升之前，在初温小于45℃的情况下，要经过一段时间的升温之后才能形成火蔓延，图9中（a）和（b）中的E2.5D温度曲线都是经过升温过程之后开始记录的。通过对比可知，随着乙醇添加比例的增大，混合燃料火蔓延过程中热电偶所记录的燃料表面的最高温度逐渐变小，且升至最高温度的时间也逐渐减小；但在各工况下，不同比例的混合燃料火蔓延过程中液面所能达到的最高温度相差不大。

图10中（a）、（b）给出了不同比例乙醇柴油在不同初始温度条件下火蔓延过程中油面升温速率及最高温度的变化情况。从图（a）可知：当乙醇添加比例＜10%时，混合燃料的表面火蔓延升温速率随着初温的升高而升高；当乙醇添加比例≥10%时，混合燃料的表面火蔓延升温速率会随着初温的升高而降低。图（b）表明了随着不同比例乙醇柴油混合燃料初温的升高，E7.5D和12.5D混合燃料表面火蔓延过程中的最高温度会随之升高；E5D、E10D和E15D的最高温度变化趋势相似，即先小幅下降然后再随之升高；E2.5D的最高温度变化则是先升高再下降。需要指出的是，E2.5D在燃料初温为34.3℃时，先经过了较长时间的加热过程，使得点火前混合燃料的温度已经升高到48.6℃，因此从出现台阶温升之前混合燃料的温度变化来讲，E2.5D的最高温度变化趋势与E7.5D和12.5D是一致的。

图9 各燃料在不同初温下火蔓延过程中表面温度变化曲线Fig.9 Surface temperature change curve in the flame spread process of each fuel under different initial temperatures

图10 各燃料在不同初温下火蔓延过程中升温速率及最高温度的变化Fig.10 Changes of the heating rate and maximum temperature in the flame spread process of each fuel under different initial temperatures

3 结 论

本文利用高速纹影摄像技术对不同比例乙醇柴油在不同初始温度下的火蔓延过程进行了研究，并结合热电偶测温技术，对火蔓延过程中混合燃料的表面温度变化情况进行了分析，得到了如下结论：

（1）当乙醇添加比例≤10%时，乙醇柴油蔓延火焰的外貌结构与0 柴油相似，由主火焰和闪燃火焰构成，闪燃火焰随乙醇添加比例的增大而变短；火焰前锋油面下方存在表面流长度随乙醇比例的增大而变短。当乙醇添加比例＞10%时，闪燃火焰消失，在火焰前锋油面下方观察不到表面流的存在，火蔓延主要受气相控制。

（2）当乙醇添加比例＜10%时，火焰低速脉动蔓延；当乙醇添加比例＞10%时，火焰始终以一种稳定的方式向前传播，火蔓延速度比较稳定；E10D的火蔓延模式分为三个阶段，分别是低速稳定蔓延阶段，高速稳定蔓延阶段和脉动蔓延阶段。

（3）初温相同的条件下，当乙醇添加比例＜10%时，混合燃料的火蔓延速度变化幅度比较小，当乙醇添加比例≥10%时，火蔓延速度会随着燃料初始温度的升高而降低；混合燃料中乙醇含量的变化对燃料表面火蔓延方式和火蔓延速度的影响比较明显。

（4）当乙醇添加比例＜10%时，混合燃料表面火蔓延过程中都有台阶温升现象，这是表面流和主火焰前锋热辐射共同作用的结果，混合燃料的表面火蔓延升温速率随着初温的升高而升高；当乙醇添加比例≥10%时，混合燃料的表面火蔓延升温速率会随着初温的升高而降低。火蔓延过程中混合燃料表面的最高温度随着乙醇比例的增大而变小，升至最高温度的时间逐渐减小。

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