近年来,随着全球经济的持续和快速发展,对能源的需求也越来越强烈。作为传统化石能源的石油,仍然在全球能源结构中占据着最大的比重。然而,在石油产品的生产、储存、运输和使用过程中,因燃油泄漏造成的火灾事故也时有发生。这些泄漏的燃油一旦遇到点火源,就可能出现一种典型的火灾现象：即液体表面的火蔓延。这种现象不仅会发生在常压的平原地区,也可能发生在低压低氧的高海拔地区,例如飞机的起飞和降落阶段,或者长距离的油料输送都跨越很大的海拔高度。若这些过程发生油料泄漏事故,就可能出现高海拔下的液体火蔓延行为。另外,液体火蔓延过程也存在着非常复杂的传热传质问题,而这些问题目前仍未得到很好的解释。因此,鉴于液体火蔓延的火灾危险性和内在的科学意义,在平原和高原地区开展液体火蔓延研究对油料火灾的防治具有十分重要的意义。由于碳氢燃料和醇类燃料的火蔓延之间存在很大的差异,本文选取两种典型的碳氢燃料(航空煤油RP-5和0#柴油)和一种醇类燃料(正丁醇),研究它们在不同的件下(初始温度、海拔高度、油池宽度及厚度等)的火蔓延特征。研究参数包括火蔓延速度、扩散火焰高度、火焰脉动频率和波长、表面流长度和预热时间等。基于实验结果,建立能量守恒方程对表面流传热进行计算,构建了液相控制火蔓延阶段,表面流的预热模型。本文实验条件下得到的主要结论如下：分析了平原常压环境下厚油池火焰传播特性。碳氢燃料的火蔓延过程中存在两个显著不同的火焰：靠前的是蓝色的闪燃火焰,靠后的是黄色的主火焰。闪燃火焰本质上属于预混燃烧,而主火焰本质上属于扩散燃烧。在一定的温度下,0#柴油的闪燃火焰脉动波长比RP-5要长。碳氢燃料的火焰前锋以“前进-回缩-前进”周期性重复的方式向前传播,而醇类燃料的火焰前锋以“爬行”和“跳跃”交替变换的方式向前传播,火焰传播速度可能比较小,甚至停滞不前,但不会后退。液体火蔓延脉动频率随初始温度的增大而增大,这可以由菲克第二定律来解释。在一定的温度下,RP-5的火蔓延频率比0#柴油大。研究发现,气相涡旋对液体火蔓延的火焰脉动起着关键作用。当逆向浮力大于正向的气体热膨胀时,火焰前方可以形成气相涡旋,火焰以脉动方式向前传播。相反,当正向的气体热膨胀大于逆向的浮力时,火焰前方不会形成气相涡旋,火焰以高速稳定的形式向前传播。实验测量了正丁醇脉动和高速稳定火蔓延的转折温度为30.2℃,与理论预测值28℃非常接近。RP-5和0#柴油的火蔓延速度均随着初始温度的增大而缓慢增大,直到初始温度达到分别达到82.5℃和92.20C,它们分别对应着两种燃料的气液控制火蔓延转折温度。研究发现,在一定的初始温度下,正丁醇的火蔓延速度明显大于碳氢燃料的火蔓延速度。正丁醇的无量纲脉动速度(与无量纲初始温度的平方根成正比。气相控制阶段,三种燃料的Vf均与成正比。实验还测量了气液交界面附近的温度分布。水平方向上,随着表面流前锋的抵达,油面出现台阶温升和预热时间现象。在一定的初始温度下,RP-5的台阶温升比0#柴油大,而预热时间小。竖直方向时,上层液体的温度比下层高。分析了高原低压低氧环境下厚油池火焰传播特性。相对于平原地区,高原地区的火焰较弱,而火焰高度和火焰脉动频率较高。在平原和高原地区,正丁醇的火焰脉动周期均与无量纲初始温度(T0-Tho)/Tho的对数成正比。在相同的初始温度下,拉萨地区火蔓延速度比合肥地区大,这说明,高海拔地区的火蔓延事故具有更大火灾危险性。海拔高度对火蔓延速度的影响可以用液体闪点和表面张力随气压的变化关系来解释。拉萨地区的表面流台阶温升大于合肥地区,而预热时间和表面流长度较短。研究了薄油池航空煤油火焰传播特性。钢壁面上航空煤油池火蔓延分为薄油池和厚油池火蔓延机制。当油层厚度小于4.0mm时,为薄油池火蔓延机制；当油层厚度大于4.0mm时,为厚油池火蔓延机制。同样的,根据油池宽度是否超过12cm,可以将火蔓延划分为窄油池及宽油池火蔓延机制。对于薄油池或窄油池火蔓延机制,火焰脉动频率随油层厚度或油池宽度的增大而减小,而火焰脉动波长随油层厚度或油池宽度的增大而增大；对于厚油池或宽油池火蔓延机制,火焰脉动频率和波长不受油池尺寸的影响。薄厚油池火蔓延机制也可以通过特征尺度比h*/L*和的大小来划分。薄油池火蔓延机制条件下,火蔓延速度随着油层厚度的增大而增大。这主要是由钢壁面的粘性剪切力作用造成的,而热损失作用相对较弱。火蔓延只有在油层厚度超过临界燃油厚度的情况下才能发生。当油池宽度小于16cm时,临界燃油厚度与油池宽度成反比；当油池宽度超过16cm时,临界燃油厚度保持不变,约为1.2mm。研究发现,当油层厚度小于临界燃油厚度时,液体表面变形是造成火焰熄灭的一个重要因素。理论分析表明：在航空煤油火蔓延临界燃油厚度条件下,油层的表面变形量达到69%。建立了液相控制阶段,表面流预热模型。表面流主要是由表面张力驱动的,而浮力的作用相对较弱。基于液相表面张力的变化,计算得到了一维薄厚油池火蔓延的表面流速度。计算结果表明,表面流速度随着初始温度和油层厚度的增大而增大。最后,根据能量守恒原理,对表面流的传热进行了定量计算,发现液相对流传热是液体火蔓延的主要传热模式。