双线性浮力主控湍流扩散射流火焰融合机制与火焰高度演化

摘要

近年来，随着中国经济和科技的发展，以人为本的理念和环保意识的增强极大的改变了中国的能源结构。便于运输和清洁高效的气态能源正以不可阻挡的姿态走进人们的日常生活。然而由于各种各样的原因，超长燃气管线经常发生火灾、爆炸等灾难性质的事故，严重破坏了人们的生命和财产安全。一般来说，高压输送燃气的破裂管线根据其根部火源形状和较大的燃气喷出速度，可近似处理为线性湍流扩散射流火。在多处管道破裂时，因火焰间的相互作用而导致火焰被拉长，火焰方向改变，极有可能导致火旋风的形成，这种群发性火灾的火焰融合行为使得火灾更具破坏性和失控性。因而研究射流火焰相互作用的行为特点及其规律，对于防止射流火焰融合导致更大损失，具有重要意义。
　　前人对多火焰相互作用行为特征进行了广泛的研究。然而，大量的研究工作主要探究的是轴对称火焰相互作用行为受燃料类型，扩散火焰类型，燃烧器数量及其分布和燃烧器间距的影响。而对于双线性火焰的相互作用行为的研究仍显著缺乏，尽管已有关于双线性层流扩散火焰相互作用的研究报道，但双线性浮力主控湍流扩散火焰相互作用机制还缺乏研究，由于湍流火焰的空气卷吸机理与层流扩散火焰存在显著差异，因此，有必要展开浮力主控湍流扩散双线性火焰相互作用的研究工作。
　　本文通过实验的方法从火焰融合机制与火焰高度演化特征的角度切入来探究火焰相互作用行为。本实验采用两个完全一致的燃烧器，其内缝尺寸为2mm×142.5mm，燃烧器底部放置在高于水平地面0.4m的高度处。实验以丙烷为燃料，燃料出口速度范围0.23m/s-0.70m/s，在计算Fr和Gr后，核实本文火焰状态均为浮力主控湍流火焰。燃烧器间距的范围为0-1m。实验结果表明，随着燃烧器间距的增加，双火焰间的相互作用可将火焰形态划分为连续性融合、间歇性融合、无融合但有相互作用以及自由火焰状态，值得注意的是，当两个火焰发生融合时，其火焰高度很明显高于其相对应流量下的单一自由火焰高度。与此同时，火焰高度随着燃烧器间距的增大先减小后增大，并最终不断趋近于单一自由火焰高度，这是一个复杂的、非单调的变化过程，与前人在层流火焰中所观察到的规律截然不同，并且发现最小火焰高度恰巧出现在融合临界间距处，且该处的火焰高度低于单一自由火焰高度。
　　本文将Kuwana等人根据层流扩散火焰推导出的融合临界间距模型拓展并应用到湍流扩散火焰中，构建了火焰融合概率模型和融合临界间距模型。发现了火焰融合概率模型可表达为三段函数的形式，融合临界间距模型表明融合临界间距正比于单一自由火焰高度，或者说与燃料出口速度呈2/3次方的关系。并提出了“有效”卷吸周长作为特征长度来量化双火焰的相互作用与空气卷吸行为特征，该“有效”卷吸周长包含了燃烧器的长、宽，火焰基部“扩展”和有效侧向卷吸特征长度，基于该“有效”卷吸周长，建立的火焰融合点高度模型和火焰高度模型。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．1．1 射流火灾研究的必要性

1．1．2 多射流火焰相互作用现象

1．2 研究现状

1．2．1 线性火源的卷吸与火焰高度经典理论

1．2．2 非线性多火焰相互作用行为与表征模型

1．2．3 双线性多火焰相互作用行为与表征模型

1．2．4 研究现状小结

1．3 研究目标和内容

1．4 章节安排

第2章 实验装置和实验设计

2．1 引言

2．2 实验装置设计

2．2．1 燃烧器设计

2．2．2 燃料质量流量控制与测量系统

2．2．3 火焰图像采集系统

2．3 实验设计

2．3．1 实验总体设计

2．3．2 实验工况设计

2．4 火焰图像处理方法

2．5 本章小结

第3章 双线性浮力主控湍流扩散射流火焰相互作用机制与融合行为研究

3．1 引言

3．2 不同火焰间距下火焰相互作用现象

3．3 基于Burke-shumann理论的火焰相互作用理论分析

3．4 火焰融合概率模型与融合临界间距模型

3．5 本章小结

第4章 双线性浮力主控湍流扩散射流火焰高度演化与模型研究

4．1 引言

4．2 火焰高度随火焰间距的演化过程

4．3 不同火焰间距下火焰卷吸行为分析

4．4 基于双火源卷吸特征长度的火焰高度模型

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 本文主要工作及结论

5．2 本文创新点

5．3 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文