多油池火燃烧热反馈与对外辐射特性研究

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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,随着经济社会的不断发展,各国对液体燃料的需求量日益增加。然而,液体燃料在加工、储存和运输过程中的火灾事故频繁发生。现实中,单个火源燃烧产生的高强度热辐射或者爆炸形成的高温喷溅物,极易引燃邻近位置的其他可燃物,形成多火源燃烧,进而诱发更大规模的燃烧,发展成为极具危害性和破坏性的区域大火。近年来,多火源燃烧造成的重特大火灾事故频繁发生,给人们带来了巨大的财产损失,人员伤亡和环境破坏,是包括我国在内的世界各国共同面临的重大安全问题。深入认识多火源燃烧行为的特殊规律,揭示多火源燃烧的物理机制,认识其热危害特性,对提高石油化工行业重特大火灾防控能力有极其重要的意义。本文采用实验研究与理论分析相结合的方法,针对多油池火燃烧热反馈演变规律及对外辐射特性开展了系统研究。具体工作包括:(1)实验研究了多油池火燃烧热反馈特性的演变规律。通过开展不同火源数量、火源间距及几何布局形式的多油池火燃烧实验。首先揭示了稳定燃烧阶段多油池火的质量损失速率、火焰形态等基本燃烧行为特性,阐述了多火源空气卷吸受限与热反馈增强对燃烧行为的耦合影响。继而,根据多油池火燃烧的火焰倾斜及融合行为,提出了非对称热反馈的分区测量方法,揭示了燃料表面辐射热流的分布规律。发现随着火源间距的减小,火焰由独立燃烧、逐渐倾斜直至完全融合,油池燃料表面辐射热反馈的非均匀性显著增强。最后,基于分区叠加的辐射、传导热量反馈计算方法和燃料的能量守恒关系,进一步揭示了辐射、传导和对流热反馈分数(组分占比)随多火源间距和几何布局的演变特性。(2)实验研究了热反馈增强作用下的油池火辐射热阻特性。基于多火源燃烧交互热反馈增强这一物理机制的抽象,采用外加辐射热源模拟多火燃烧中相邻火源增强的辐射热反馈,开展了不同外加辐射条件下的液体燃料蒸发和燃烧实验。基于解耦的思想,首先研究了燃料蒸气对外加辐射的阻碍特性,发现在外加辐射下,随着燃料质量损失速率增大,蒸气的辐射吸收能力增强,有效辐射热阻系数增大;当燃料蒸气的辐射吸收能力趋于饱和后,有效辐射热阻系数逐渐趋于恒定。根据朗伯-比尔定律,基于理论分析,将燃料蒸气的有效辐射热阻系数与质量损失速率关联,并结合实验数据,建立了燃料蒸气有效辐射热阻系数的预测模型。最后,基于该预测模型和实验测量,进一步揭示外加辐射作用下,燃料蒸气和火焰的辐射热阻演变规律。(3)实验研究了多油池火对外辐射特性并建立对外辐射计算模型。首先,基于不同尺度单一池火燃烧实验,采用动态“黑体-红外”测量方法获取不同高度处火焰发射率,揭示了发射率的空间分布规律。结合火焰形态、温度的实验测量,量化表征了火焰辐射参数(火焰形态、温度、发射率)的空间分布规律,建立了考虑火焰辐射参数空间分布规律的多层柱体火焰辐射模型,通过与前人模型和实验数据对比,验证了该模型在近场辐射预测的更高精度。然后,基于前述火焰辐射参数的空间分布规律,考虑交互作用的多火焰形态特性,根据玻尔兹曼辐射定律,提出了采用火焰发射率与温度四次方乘积的权重计算方法,建立了权重多点源对外辐射计算模型,通过与前人模型和实验数据对比,验证了模型的可靠性。
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