浸入易燃液体的多孔介质表面火蔓延研究

摘要

易燃液体在储存、运输及使用过程中经常会发生泄漏事故，泄漏的液体浸入到多孔介质(砂、土壤等)中，此时如果有外部热源存在且靠近泄漏地点，就有可能将易燃液体引燃，火焰可能会在多孔介质表面迅速蔓延，从而造成更大的人员伤亡和财产损失。易燃液体浸入多孔介质后介质表面的火蔓延行为与固体或纯液体可燃物表面的火蔓延行为有很大的不同。因此，有必要对浸入易燃液体的多孔介质表面火蔓延特性进行深入的研究，它可为预防易燃液体浸入多孔介质后引发的火灾事故提供理论基础和实验依据，有助于提高易燃液体泄漏后的防灾抗灾能力，确保人民生命财产安全和国民经济健康、快速发展。
　　 本文研究了多孔介质在浸入低粘性的高挥发性或难挥发性易燃液体后混合相表面的火蔓延过程。利用高速纹影系统、摄像机以及热电偶获得了不同参数条件下火蔓延过程的纹影图像、自发光图像以及多孔介质层内部的温度分布。分析了表面蔓延火焰的外貌结构、各参数对火蔓延的影响规律、介质层温度分布规律以及砂层内部的传热特性，在此基础上建立了火蔓延速度模型。
　　 高挥发性的易燃液体乙醇浸入石英砂后介质表面火蔓延特性与模型。对于闪点低于石英砂层初始温度的易燃液体(乙醇)，研究结果表明：
　　 液面高度和初始温度是通过改变介质层上方可燃预混蒸气层的特征(浓度、厚度等)来影响火焰的蔓延速度。无论砂层的初始温度是低于或高于乙醇的化学当量温度Tst，在研究的液面高度范围内，都存在一个对火蔓延速度有着显著影响和一个火蔓延速度基本相同的液面高度范围。液面高度H=0cm，砂层初始温度小于Tst时，初始温度的减小和介质粒径的增加都会使火焰蔓延速度减小；初始温度大于Tst时，这些参数对火蔓延速度的影响消失，火蔓延速度几乎不变并且保持一个很大的速度值。液面高度H<0cm，砂层初始温度小于Tst时，初始温度的减小和介质粒径的增加都会使火焰蔓延速度减小；初始温度大于Tst时，初始温度增加，火蔓延速度也会逐渐的变大，并慢慢趋近同温度下H=0时的火蔓延速度；另外，初始温度大于Tst时，随着粒径的变化，火蔓延速度几乎不变。
　　 液面高度H=0cm且初始温度低于Tst时，介质表面的火蔓延过程依赖于火焰前锋附近的气相热传导，火蔓延速度vf与1/T01/3(Tb-T0)2成正比关系。
　　 难挥发性的易燃液体丁醇浸入石英砂后介质表面火蔓延特性与模型。对于闪点高于石英砂层初始温度的易燃液体(丁醇)，研究结果表明：
　　 不同参数条件下，火蔓延分为两种蔓延模式：稳定蔓延和脉动蔓延模式。不同的蔓延模式下，都分别存在三个对火蔓延有不同影响(影响较大、影响较小和基本没有影响)的液面高度范围。在两种蔓延模式下，介质粒径的增大和初始温度的减小都会使火蔓延速度减小。无论那种火蔓延模式，依靠热毛细管上升效应向介质表面的燃料供应率对火焰蔓延速度都有着最大的影响。稳定火蔓延时砂层内部向预热区的热转移主要依赖于砂层内部的热传导。脉动火蔓延时砂层内部向预热区的热转移主要依赖于火焰前锋附近下方砂层内部液体的对流。
　　 液面高度H=0cm且无脉动蔓延发生时，火蔓延速度vf与1/T01/3(Tb-T0)2成正比关系。液面高度H=0cm且发生脉动火焰蔓延时，火蔓延过程主要依赖于火焰前锋附近下方砂层内部液体的对流，火蔓延速度vf与1/(Tb-T0)3成正比关系。