横向风作用下喷口间距对射流扩散火焰特征的影响研究*

吴鹏志，刘长春，姜 桦，宋方智，白杨阳，刘思奇

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.陕西省工业过程安全与应急救援工程技术研究中心，陕西 西安 710054)

0 引言

在燃气管道或容器发生化学腐蚀或机械损伤情况下，泄漏燃气极易形成受环境横向风影响的射流火灾场景。目前，对于含有横向风影响的射流扩散火焰，一般仅针对单个火源的火灾场景(单一泄漏点)进行研究[1-3]，实际工业生产及生活中，因泄漏地点和原因的不确定性，导致多个泄漏点同时泄漏，形成多束火焰的火灾事故较多[4-6]。由于相邻火焰间的相互作用，多火源火灾的燃烧行为会发生变化，当多个火焰间距较小，火焰对周围的空气夹带受到限制，火焰间压差使火焰出现倾斜或合并行为，最终导致火焰燃烧特性发生变化，使火灾更具破坏性和不可控性[7]。为降低火灾危险性和扑救难度，研究多束射流扩散火焰燃烧行为的影响具有重要意义。

部分学者针对多束火焰燃烧行为影响展开研究[8-11]：Baldwin[6]发现多束火焰相互作用的主要影响因素是火源间距，当2束火焰间距变小，彼此将发生倾斜，并且当火焰足够接近时，2者合并；Putnam等[12]研究多喷口火焰相互作用规律，发现喷口距离、排列方式和喷口数量是多束火焰相互作用中主要影响因素；Liu等[13]研究多束矩形正庚烷火焰燃烧速率与排列间距关系，发现融合火焰的火焰燃烧速率大于单个火焰燃烧速率；Liu等[14]研究静止条件下，双喷口间距变化对火源不稳定模式、脉动频率和火焰高度的影响，发现喷口间距是影响火焰周期性脱落、变化，形成交替蜿蜒火焰的主要原因之一。

针对多束火焰火灾的研究主要在静止空气中进行，一般火灾多发生于有环境风的开放空间，且是浮力和风耦合作用的火灾行为。针对环境风作用的多束火焰场景研究较少，Fan等[15]发现在有风情况下，垂直于横向风的2个液体池火发生融合所需间距更小；Bo等[16]引入新的数学方法，量化有风和无风时火焰融合的可能性，抵消传统方法中由于风中火焰的广泛振动特性而导致的局限性和不确定性；Huang等[17-18]研究横向风条件下火焰稳定机理和流场分布，并对射流扩散火焰在下洗、横向风主控、过渡和燃料射流主控4种状态时，近燃料喷管处流场特性展开分析；Shang等[19]研究横向风条件下，不同喷管直径的射流扩散火焰的下洗长度演变过程以及发生火焰下洗的临界条件。

目前，针对横向风射流研究主要集中在单个火源火焰长度和倾角等方面，对于多束火焰的研究主要集中于静止环境中喷口尺寸、距离、排列方式和数量对火焰的影响。为贴近实际泄漏火灾情况，本文通过实验研究横向风作用下2个喷口间距变化对双束火焰燃烧特征(火焰形态变化、火焰长度、火焰融合概率、吹熄极限)的影响规律。

1 实验设计

1.1 实验装置

小型实验风洞结构和风速测量位置如图1所示，其中，风道尺寸为1.2 m×0.3 m×0.3 m，横向风由高压漩涡风机产生，通过转子流量计和PWM变频器共同调节流量大小，同时采用导流板使风洞内空气流速均匀。将出风口划分为4个等面积区域，采用热线无线风速仪测量每个面中心点的平均风速，若风速差值大于5%，则重新进行实验。

图1 实验装置和风速测量点位示意Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment and measurement points of wind speed

Z型喷管分别由不锈钢管焊接而成(内径φ分别为5，7，9 mm，壁厚0.5mm)，2喷管之间的距离通过滑块控制。选取压缩工业丙烷(99.7%)作为实验燃料，其流量由转子流量速计(型号DK800-6)控制，误差小于满量程的2%。实验工况如表1所示，对于每种尺寸的喷嘴，考虑具有不同燃料流速、横向风速和喷嘴距离情况，每种情况重复3次。

表1 实验参数范围Table 1 Range of experimental parameters

1.2 火焰图像处理

实验采用CCD摄像机(型号HDC-TM900、50 Hz帧率、1 280×1 600分辨率)记录火焰图像。火焰图像处理方法如图2(a)～图2(c)所示。射流扩散火焰几何特征参数选取流程为先对截取后的每一帧图片进行灰值化处理，通过调节阈值对灰值化图片进行二值化处理，截取视频中1 000帧图片作为分析对象，将火焰亮点出现概率为50%的火焰轮廓作为分析对象，以喷口中心为坐标原点，获得火焰长度Lf[1,3]。

图2 火焰长度和融合概率的获取Fig.2 Acquisition of flame length and merging probability

在横向风作用下，随喷口间距减小，2束火焰会发生持续性或间歇性融合现象，对此引入火焰融合概率Pm(0≤Pm≤1)表征不同融合行为，Pm等于火焰融合总时间tm与视频总时间t的比值[20]，如式(1)所示：

(1)

考虑视频记录速度不变，利用火焰发生融合帧数nm与采集总帧数n的比值，计算火焰融合概率，其中，对于每帧图片是否重合的判断如图2(d)～图2(e)所示，当2束火焰重合区域分布概率P>50%时，判断为融合，反之，当概率P<50%时为不融合。

根据Liu等[5]定义，假设Pm≥90%时为连续融合火焰；10%≤Pm<90%时为间歇性融合火焰；Pm<10%时火焰相互分离。

2 结论与分析

2.1 喷口间距对火焰燃烧形态的影响

横向风作用下双喷口火焰侧视图如图3所示，当喷口间距s=0 mm时，2束火焰相互融合，随横向风速增加，火焰形态类似于单喷口火焰，火焰倾斜角度发生明显改变，喷口背风侧形成负压区，火焰出现下洗现象；随横向风速进一步增加，火焰下洗区域增加，火焰长度明显减小且呈现淡蓝色火焰，此时火焰倾角趋近90°；保持燃料流速和风速不变，增加喷口间距，更容易导致火焰吹熄。

图3 横向风作用下双喷口火焰形态特征演变过程侧视图(φ=5 mm)Fig.3 Side view on evolution process of flame shape characteristics of dual nozzles under cross-wind(φ=5 mm)

图4(a)是火焰变化时序，当燃料流速和横向风速不变，喷嘴间距s=0 mm时，火焰在颈部上方发生持续性融合，火焰燃烧形态类似单喷口火焰；随喷口间距增加，2束火焰发生间歇性融合现象，并彼此向内倾斜；当喷口距离s≥60 mm时，火焰独立燃烧，相互之间没有显著影响。由图4(b)可知，在燃料流速uf=0.37 m/s时，随横向风速增加，火焰对气流夹带作用增强，气流对火焰冷却能力大于供氧能力。基于文献[21]研究结果，火焰对燃料辐射反馈随横向风速增加而减少，对流和传导对燃料的反馈，随横向风速增加而增加，综合作用结果为火焰燃烧速度加快，火焰间摆动和融合现象逐渐消失。由图4(c)可知，在横向风速u∞=0.94 m/s时，随燃料流速增加，火焰融合现象明显，主要表现为火焰前端融合区域增加，主要原因是大量喷出的燃料，伴随气流夹带与氧气混合，在2喷管前方持续性的混合燃烧，大量燃料燃烧对2束火焰彼此之间空气的竞争增强。

图4 横向风作用下双喷口火焰形态特征演变过程俯视图(φ=5 mm)Fig.4 Top view of evolution process of flame shape characteristics of dual nozzles under cross-wind (φ=5 mm)

横向风作用下双喷口火焰流场变化俯视示意如图5所示。由图5可知，当喷口间距s=0 mm时，2束火焰发生持续性融合现象，火焰燃烧形态与单喷口火焰类似；当喷嘴间距较小时，由于2束火焰对内外空气的竞争强度不同，内外压差使2束火焰彼此向内倾斜，并且火焰间存在较强的热反馈作用，使其前端发生间歇性融合现象；当喷嘴间距继续增大，压差和热反馈效应影响不能使火焰前端彼此倾斜融合，并且2束火焰间的气流由于受热不均匀，形成交替涡旋，从而影响火焰周期性脱落和变化；当喷口间距增大到一定程度时，2束火焰间互不影响，各自独立燃烧。

图5 横向风作用下双喷口火焰流场变化俯视示意Fig.5 Top view of schematic diagram of flame flow field change of dual nozzles under cross-wind

综上，横向风条件下射流火焰间距离改变，会导致火焰间发生倾斜、融合和摆动等现象，从而增加射流火焰间的相互作用。在实际生产和生活中，预防和减少近距离内多束射流火焰的发生，可有效降低火灾危险性。

2.2 喷口间距对火焰长度的影响

无量纲火焰长度Lf/φ随喷口间距s的变化曲线如图6所示。当燃料流速较大且横向风较小时，火焰无量纲长度随喷口间距增加，呈先略微增大后逐渐减小致平稳趋势。因为喷口间距从0逐渐增大的过程，等同于增大火焰与空气的接触面积，使2束火焰对气流的夹带作用增强，火焰间发生倾斜和融合现象，如图6(a)所示，并且火焰融合会促进火焰间的热反馈作用，导致火焰长度略微增加。随喷口间距继续增大，火焰间融合现象和热反馈作用逐渐消失，呈单束火焰燃烧状态，火焰长度逐渐减小并趋于平稳。因此，增加2束射流火焰距离，有助于降低火焰间的相互作用，减小火焰拉伸长度，降低2束或多束射流火灾危险性。

图6 无量纲火焰长度Lf/φ随喷口间距s的变化曲线(φ=5 mm)Fig.6 Variation curves of dimensionless flame length Lf/φ with nozzle spacing s (φ=5 mm)

燃料流速较小或横向风速较大时，动量比R值较小，这时火焰形态主要受横向风剪切力作用，火焰拉伸长度较短，燃烧速度较快，摆动幅度弱，火焰长度受喷嘴间距影响较弱，如图6(b)～图6(c)所示。

2.3 喷口间距对火焰融合概率的影响

不同燃料流速、横向风速和喷口间距下火焰融合概率曲线如图7所示，在相同喷口间距和横向风速下，火焰间融合概率随燃料流速增加而增加，与图4(c)中结果一致。在燃料流速和风速都不变的情况下，火焰融合概率Pm随喷口间距增加而降低，该结果与文献[17]的结果一致。

图7 火焰融合概率Pm随喷口间距s的变化曲线(φ=5 mm)Fig.7 Variation curves of flame merging probability Pm with nozzle spacing s (φ=5 mm)

假定Pm=50%时，对应喷口间距定义为火焰临界融合间距sc如图8所示，随横向风速增加，2束火焰的临界融合间距均呈先增加后减小趋势。原因是随横向风速缓慢增加，气流夹带作用和供氧能力占据主导，此时2束火焰摆动强烈，火焰临界融合间距存在1个极大值；当继续增大风速，气流对火焰的冷却作用占据主导，此时火焰颜色逐渐变蓝，长度减小，2束火焰摆动逐渐减弱，临界融合间距逐渐减小。

图8 火焰临界融合间距sc随横向风速u∞的变化曲线Fig.8 Variation curves of flame merging spacing sc with cross-wind speed u∞

2.4 喷口间距对火焰吹熄极限的影响

火焰吹熄极限工况曲线如图9所示，在实验风速范围内，随燃料流速增加，火焰吹熄所需横向风速总体呈减小趋势。主要因为随燃料流速增加，火焰底部开始形成空隙，直至喷口上方没有连续火焰，火焰发生推举现象进而导致吹熄。

图9 火焰吹熄极限工况Fig.9 Curves of flame blow-out limit conditions

随喷口间距增大，火焰更容易发生吹熄，该现象在图3中也可以观察到，这主要是当喷口间距较小时，相当于增大背风侧低压漩涡区，燃料能够在漩涡处快速混合，拥有稳定点火源，并且足够靠近的2束火焰会彼此倾斜和融合，融合火焰间的燃烧作用比单个火焰燃烧作用强[14]。因此，在实际生产生活中，应减少多束射流融合火焰发生，有效降低火灾扑救难度。

3 结论

1)在横向风速u∞及喷口间距s较小的情况下，2束火焰因空气夹带竞争，彼此相互倾斜，同时火焰间区域压力降低，使火焰发生融合。火焰间的融合现象随喷口间距或横向风速增加而逐渐减弱，随燃料流速增加而逐渐加强。

2)在横向风速u∞较小或燃料流速uf较大情况下，随喷口间距s增加，2束火焰间气流夹带和热反馈作用增强，火焰被少量拉伸，但随s继续增加，该相互作用逐渐消失，火焰长度逐渐减小致平稳。

3)通过引入火焰融合概率Pm定量表征火焰的融合行为，随喷口间距增加，火焰融合概率Pm逐渐减小，随横向风速增加，由于气流对火焰的冷却能力逐渐大于供氧能力，临界融合间距sc会先增加后减小。当燃料流速uf较大时，火焰易发生推举现象，从而导致吹熄风速较小；喷口间距s较小时，燃料容易在喷口后方低压区快速混合，火焰融合增强火焰间的相互作用，导致发生吹熄所需横向风速较大。

4)横向风条件下,2束射流火焰间的竞争、倾斜、融合以及摆动行为会增强火焰间的相互作用，增加射流火灾危险性。在实际生产和生活中，应加强对2束及多数射流火焰的研究，以预防和减少此类火灾的发生，降低此类火灾的扑救难度。