边缘高度影响下油池火燃烧行为特性实验

刘春祥， 刘声涛， 黄 萍， 余龙星， 张永亮， 黄俊清

（1.福州大学环境与安全工程学院，福州 350108；2.青岛理工大学机械与汽车工程学院，山东青岛 266520）

0 引 言

液体燃料作为工业血液是全球经济发展的重要动力和保障。中国原油加工量一直保持增长态势，并在2022 年成为世界第一大炼油国［1］。但液体燃料在生产、加工、储存、运输过程中因操作不当或防范不到位而引发的火灾事故频发。研究液体燃料火灾发生和发展过程对于火灾防控、化工安全至关重要。油池火是火灾研究领域最常用、最基础的火源形式，油罐火是最典型的油池火［2］，燃烧速率、火焰高度和火焰脉动频率是表征火焰燃烧行为特性的基本参数。随着油池火燃烧的进行，油池内燃料被逐渐消耗导致油池边缘高度h（燃料液面与油池口边缘的距离）不断增加，这将对油池火火焰形态特征造成显著影响，系统分析不同h油池火燃烧火焰特征参数对危险性评估和应急响应有重要意义［1］。

为分析燃烧速率和火焰形态特征参数（火焰高度、火焰脉动频率）随h 改变的演化规律，本文设计并制作了由4 个子系统组成的可变h模拟装置开展实验研究。为消防安全设计和火灾救援提供实验数据支撑。

1 实验装置

可变h油池火燃烧模拟装置主要由动态供油系统、燃烧系统、无级升降系统以及数据采集系统4 部分组成，如图1 所示。其中：燃烧系统用来模拟不同h下的油池火燃烧；动态供油系统用于补充燃烧消耗的燃油，使油池液面稳定在同一高度；无级调节升降系统用来调节油池h，以便进行不同工况实验；数据采集系统则用于测量实验过程中的燃油质量损失速率和记录火焰形态变化。

图1 可变h油池火燃烧模拟装置

1.1 燃烧系统

燃烧系统可有效模拟不同h 油池火燃烧过程，揭示火焰燃烧行为特性，如图2 所示。由于h 影响下油池火的燃烧行为会发生显著变化，呈现出与经典油池（h为零或趋近零）显著不同的火焰形态特征［4-5］，由实验工作台、油池、油池固定支架和柔性供油管组成的燃烧系统，使h在实验过程中始终保持稳定。实验时油池放置在定做的工作台上，油池周围用环形支架固定，支架可通过两侧螺丝调节固定，燃料通过供油管从油池底部缓缓注入，这样可以保证实验过程中装置的稳定性。

图2 燃烧系统

1.2 动态供油系统

动态供油系统需精确调控燃料供应，保证燃料液面始终稳定在同一高度。该系统主要由供给罐、溢流管、回收罐、蠕动泵以及供油管5 个部件组成，如图3所示。实验中，随着燃烧反应的进行，油池内燃料不断消耗造成液面与油池开口边缘的距离增加，即油池h增加，进而影响羽流卷吸和火焰形态。因此，实验时先后开启供给罐和回收罐之间的阀门1 与供给罐和油池之间的阀门2，燃料通过供油管流入到油池中，当供给罐液面过高时，多余燃料通过溢流管流入回收罐。实验过程中根据油池直径大小来调节蠕动泵功率，使得蠕动泵的液体输送量始终大于油池燃烧的燃料消耗量。

图3 动态供油系统

1.3 无级调节升降系统

不同h影响下的油池火将呈现不同的燃烧行为特征，实验中需测试多组工况，以探究在h影响下羽流燃烧行为演化规律。为此，在实验过程中通过无级调节升降机带动上方的动态供油系统的上下升降实现燃烧系统中液位水平位置的改变，以实现不同h 的调节。如图4 所示，无级调节升降系统主要由铝合金外壳、精密螺纹丝杆、无刷电动机3 个部件构成。通过控制无刷电动机正反方向旋转，带动螺纹丝杆的上下伸缩，实现升降台的上下抬升。升降误差为±5 mm。该升降系统最大承重为150 kg，可在升降中任意位置停止。

图4 无级调节升降系统

1.4 数据采集系统

本实验平台数据采集系统主要包括燃烧速率测量系统和火焰形态采集系统。

（1）燃烧速率测量系统。燃烧速率是描述油池火燃烧特性的重要参量之一，它直接决定了油池的热释放速率。实验中利用量程为34 kg，精度为0.1 g 的电子天平来记录燃料的质量损失速率，采集间隔为1 s。天平放在动态供油系统与无级调节升降系统之间，且用防火板隔开，保证实验过程中系统的安全性。

（2）火焰形态采集系统。火焰形态是油池火燃烧的重要特征参数参数，本平台通过使用HDR-CX900高清数码相机来拍摄实验过程中的火焰图像，拍摄的图像分辨率为1 920 ×1 080，帧率为50 f/s。实验中高清数码相机置于油池正前方以实时记录火焰形态的演化过程。

2 实验步骤与方法

由于该实验进程步骤较多，为使整个实验流程有序地进行，需协同操作，严格按照实验步骤进行。油池火燃烧实验具有一定的危险性，因此，在实验开始前需让参与人员做好个人防护措施并进行安全操作培训。实验的操作步骤如下：

步骤1首先通过无级调节升降系统调节动态供油系统高度（溢流管顶部水平高度即为油池液面高度），进而控制燃料液面与油池口上边缘的距离即h。

步骤2向供给罐中加入正庚烷燃料，并打开供给罐下方的阀门2。待燃料液面超过溢流管一定高度后停止供油。打开溢流管上的阀门1 使多余的燃料流入回收罐。

步骤3在燃料装填好后，调整摄像机角度，保证能够拍到油池上方的整个火焰区域。

步骤4检查电脑端天平数据导出软件能否正常工作。在确保各设备能正常运行后，用点火器将油池引燃。

步骤5随着油池燃烧反应的进行，燃料不断被消耗。应调节好蠕动泵功率使燃烧过程中油池液面始终保持在恒定高度。

步骤6开启正前方的摄像头记录火焰图像数据，同时在电脑端收集记录燃料质量变化数据。

3 实验结果与分析

3.1 燃烧速率

油池火具有燃烧强度大、热辐射强等特点［6-7］，计算池火燃烧速率可以精确评估油池火热危害。油池火的燃烧速率定义为单位时间的燃料燃烧消耗质量。如图5 所示为实验测量的实时质量变化曲线，通过对该曲线求导可确定燃烧速率（见图6）。对燃烧速率曲线稳定段求平均可得到不同工况下油池对应的燃烧速率值，如图7 所示。由图7 可知，随着h 从0 增加至15 cm，燃料的质量损失速率逐渐降低，最大边缘高度的油池火相比无边缘高度工况降低了63%。这是因为随着h 的增大，羽流卷吸空气受限，导致燃烧速率下降。

图5 燃烧实时质量变化曲线

图6 燃烧速率曲线

图7 燃烧速率随h/D变化曲线

3.2 火焰高度

火焰形态的演化规律可以表征油池火燃烧行为和羽流燃烧模式的变化，因此分析火焰形态具有重要研究意义［8-10］。火焰高度定义为火焰间歇率50%［11］的位置，即平均火焰高度［12］。图8 所示为火焰图像处理过程，采用大津法（OTSU）方法，将相机拍摄的视频逐帧转化得到灰白二值图，然后对二值图进一步处理得到概率云图，最后利用Tecplot软件绘制火焰间歇与高度变化图像［13-15］，如图9 所示。该方法的可靠性已得到广泛验证。由图9可知，随着h从0增加至15 cm，火焰高度逐渐下降，相比无边缘高度工况降低了38%，这是由于更多燃料蒸汽在油池内部燃烧所导致的。说明h的增加会抑制油池火燃烧，这与燃烧速率的结论具有一致性。

图8 火焰图像处理过程

图9 火焰高度演化规律

3.3 火焰脉动频率

火焰的脉动频率表征了燃烧火焰的紊流特性，它会影响火焰的空气卷吸率，进而影响燃烧效率［15］。用快速傅里叶变换方法对时间序列火焰高度数据处理可得到火焰频谱图，计算式为［16］

式中：x（t）为火焰脉动信号；X（ω）为火焰脉动信号的连续频谱；ω为圆频率。通过频谱图可求得火焰主脉动频率，如图10 所示。由图10 可知，随着h从0 增加至15 cm，火焰主脉动频率逐渐下降，相比无边缘高度工况降低了29%。这与h 限制羽流根部将周围空气卷吸至火焰，形成向上发展的流动涡团有关；h 越大，限制作用越强，火焰脉动频率则随之降低。

图10 主火焰脉动频率随h/D变化曲线

4 结 语

本文通过开展不同h 条件下的油池火燃烧实验，研究了h对油池火燃烧行为特性的影响。实验结果表明：h对油池火燃烧行为特性影响较大；燃烧速率、火焰高度和火焰脉动频率等参数随h的增加呈现出下降趋势。成果可用于指导化工液体储罐火灾应急响应和消防救援。