航空煤油火焰蔓延特性研究

摘要

随着飞机、船舶等交通运输业的发展，燃油泄漏引发的火灾频繁发生，不断造成灾难性后果。航空煤油具有燃烧速度快、火势凶猛、辐射热强等特性，发生火灾时危害性极大，往往会造成重大经济损失和惨重人员伤亡。因此，充分认识航空煤油火蔓延的基本特性和机理，对控制航空煤油火灾的发生、发展和扑救，降低火灾的危害性具有重要的理论和现实意义。航空煤油属于高闪点多组分混合燃料（闪点为66℃），燃烧前的初始温度一般都低于闪点，因此其初期的火焰蔓延过程主要是液相控制下的火蔓延，与前入主要研究的酒精类低闪点单质燃料有较大区别。因此，有必要针对航空煤油在液相控制模式下的火蔓延进行研究，为航空煤油火灾的控制和灭火机理的研究提供理论依据。
　　 为研究航空煤油火焰液相控制下的蔓延过程，论文研制了航空煤油火焰蔓延实验系统：研究了液相控制模式下的火焰蔓延特性，包括火焰形态、蔓延速度和脉动等：研究了火焰蔓延过程中燃料表面的温度分布及其温升：建立了表面流数学模型，给出了火焰蔓延过程中表面流速度和温度分布特点；建立了火焰脉动数学模型，揭示了航空煤油火焰脉动过程和燃料表面可燃蒸气着火方式。论文的具体工作包括：
　　 研制了液体火蔓延特性实验系统。搭建了尺寸为1.00m（长）x0.04m（宽）xO.lOm（深）油槽；利用CCD摄像对火焰位置和蔓延速度进行研究；借助红外摄像和微细热电偶对火焰蔓延过程中液体表面及液面下温度变化进行测量：利用纹影仪对火焰前方的液体表面流进行研究。
　　 实验研究了不同初始温度条件下航空煤油火蔓延过程。结果表明，航空煤油火焰由主火焰和闪燃火焰两部分构成。随着燃料初始温度升高，主火焰蔓延速度由初温16℃时的O.6cm/s，增长至70℃时的2em/s。73℃时的火焰蔓延由液相控制模式转为气相控制模式，主火焰蔓延速度也跃升至1 m/s。在液相控制条件下，不同初温的航空煤油火焰始终以前展一后缩一前展水平脉动方式向前蔓延。主火焰脉动频率具有多频脉动特征。推动主火焰向前蔓延的主要是脉动幅度较大的基频。基频随着燃料初始温度的升高由16℃时的2.0Hz，增长至70℃时的5.4Hz。而闪燃火焰具有低频间断脉动的特征，其脉动频率基本分布在0.2Hz-1.0Hz之间。
　　 实验研究了航空煤油火焰锋面前方液体表面温度分布和温升过程。结果表明：燃料初温小于66℃时，燃料表面温升缓慢，并会出现特有的温升稳定阶段。当燃料初始温度大于66℃时，燃料表面温度呈线性快速增长趋势。在本文实验条件下，燃料表面最高温度基本处在115℃-145℃的范围内。火焰锋面前方的液体表面升温区可由预热升温区、闪燃火焰升温区和主火焰升温区构成。燃料初温大于66℃时，只有闪燃火焰升温区和主火焰升温区。火焰锋面前方的表面流由弱扰动区和强扰动区构成，随着燃料初始温度的升高，各区域长度逐渐减小，且弱扰动所占比例逐渐超过强扰动。当燃料初温大于66℃时，整个表面流都为弱扰动。表面流是火焰前方液面温度分布的重要影响因素，强扰动区上方液面温度较低，温度分布较均匀。弱扰动区上方液面温度呈线性快速增长趋势。闪燃区主要处于弱扰动区上方。
　　 建立了航空煤油火焰蔓延的表面流稳态模型，对表面流内部温度和速度分布进行了分析，主要得出以下结论：温度对航空煤油粘度的影响控制着表面流内部温度和速度分布，随着与表面流出口距离的增加，表面流温度逐渐降低，燃料粘度增大，所受的粘性剪切力也逐渐增强，最终在表面流锋线附近形成强扰动区域，表面流的速度和温度在强扰动区域发生突变，在强扰动区域内部温度呈均匀分布状态。随着燃料初温的升高，低温燃料对表面流的粘性剪切扰动逐渐减小，表面流内部锋线附近的温升平台和速度突变现象逐渐消失，最终导致表面流强扰动区域的宽度和厚度逐渐减小。随着燃料初始温度的升高，表面流体积惯性力与所受粘性剪切力的相互作用对表面流的影响逐渐减小，表面流雷诺数随着燃料初温的升高而减小，同时弱扰动分离和转捩时的雷诺数也随着燃料初始温度的升高而减小。航空煤油火焰锋面前方表面流中也存在冷流现象，出现的位置为强扰动中心偏上位置，主要是表面流回流过程中，部分低温燃料被卷入表面流上层所致。
　　 建立了火焰锋面前方的可燃蒸气运动模型，对航空煤油火焰蔓延过程中的脉动和着火方式进行了分析。结果表明：航空煤油着火条件为化学反应速率大于Ccri=O.077kg/m3.s。航空煤油火焰脉动过程可以分为发展阶段和衰退阶段，闪燃火焰始终出现在主火焰锋面前方，是火焰脉动区域燃料蒸发速率最低的位置。主火焰区域主要有扩散燃烧和预混燃烧两种燃烧方式，闪燃区的燃烧方式为预混燃烧。

目录

文摘

英文文摘

图例目录

表格目录

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.2.1 燃料初始温度与火焰蔓延速度关系研究

1.2.2 高温表面流研究

1.2.3 火焰脉动蔓延机理研究

1.2.4 研究现状小结

1.3 研究内容与方法

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究方法

1.4 本论文的章节安排

参考文献

第2章 实验装置与原理

2.1 引言

2.2 实验系统构成

2.3 微细热电偶测温及误差分析

2.3.1 微细热电偶测温

2.3.2 微细热电偶测温误差分析

2.4 红外热像测温装置及测温原理

2.4.1 红外热像仪工作原理

2.4.2 红外热像仪误差分析

2.4.3 红外热像仪参数设置

2.5 纹影摄像装置及光学原理

2.5.1 纹影摄像原理

2.5.2 实验系统的几何光路

2.5.3 高速摄像机

2.6 火焰图像采集与处理

2.7 实验方法

2.8 本章小结

参考文献

第3章 航空煤油火焰蔓延过程研究

3.1 前言

3.2 火焰蔓延基本现象

3.2.1 基本蔓延模式

3.2.2 主火焰蔓延特征

3.2.3 闪燃火焰蔓延特征

3.2.4 航空煤油初温对火蔓延模式的影响

3.3 航空煤油火焰蔓延速度分析

3.3.1 基于火焰位置一时间曲线的速度分析

3.3.2 初温对主火焰蔓延速度的影响

3.3.2 初温对闪燃火焰蔓延速度的影响

3.4 航空煤油火焰脉动蔓延频谱分析

3.4.1 趋势项提取

3.4.2 幅频分析

3.4.3 脉动频率结果分析

3.4.4 脉动幅值结果分析

3.5 本章小结

参考文献

第4章 航空煤油火焰锋面前方液面温度分布实验研究

4.1 前言

4.2 火焰蔓延过程中燃料表面升温过程

4.3 液面温度分布特性分析

4.3.1 燃料表面升温区域划分

4.3.2 闪燃火焰锋面下方燃料表面温度

4.3.3 主火焰锋面下方燃料表面温度

4.3.4 初温对升温区的影响

4.4 火蔓延过程中燃料表面升温机理

4.4.1 火焰前方液体表面流现象与结构

4.4.2 表面流速度及其影响因素

4.4.3 表面流与火蔓延的关系

4.5 本章小结

参考文献

第5章 航空煤油火焰蔓延表面流数值模拟研究

5.1 前言

5.2 模型的建立及求解

5.2.1 物理模型

5.2.2 数学模型

5.3 计算工况

5.4 计算结果分析

5.4.1 计算结果与实验对比

5.4.2 表面流内部温度与速度分布

5.4.3 燃料初温对表面流内部温度与速度分布的影响

5.4.4 表面流扰动变化分析

5.4.5 表面流冷流特性分析

5.5 本章小结

参考文献

第6章 航空煤油火焰脉动蔓延数值模拟研究

6.1 前言

6.2 模型的建立及求解

6.2.1 物理模型

6.2.2 边界条件及航空煤油燃烧化学反应

6.3 计算结果分析

6.3.1 着火判据的选择

6.3.2 火焰蔓延脉动过程分析

6.3.2 燃烧方式分析

6.4 本章小结

参考文献

第7章 结论与展望

7.1 全文总结及结论

7.2 论文创新点

7.3 研究展望

附录1 航空煤油粘度测试

附录2 航空煤油表面张力测试

附录3 航空煤油密度

致谢

攻读博士学位期间参与的科研项目与发表的学术论文