不同边沿高度条件下正庚烷油池火燃烧特性研究
不同边沿高度油池火燃烧行为的实验和数值模拟研究
不同边沿高度油池火燃烧行为的实验和数值模拟研究
党晓贝;何亚平;汪箭
【期刊名称】《火灾科学》
【年(卷),期】2018(027)004
【摘要】采用实验和FDS数值模拟相结合的方法,探讨了边沿高度对油池火燃烧特性的影响.在实验部分,研究了燃烧速率和表观火焰高度随边沿高度的变化趋势,并分别分析了各个阶段的热反馈机制.在实验获得不同尺度、边沿高度正庚烷油池火燃烧速率的前提下,建立相应尺度的不同边沿高度油池火的Fire Dynamics Simulator(FDS)计算模型以针对火焰高度进行了数值模拟研究,分析了实际火焰高度、火焰下探高度随边沿高度的变化趋势,并提出了相关的无量纲拟合式.
【总页数】9页(P213-221)
【作者】党晓贝;何亚平;汪箭
【作者单位】中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,合肥,230026;澳大利亚西悉尼大学,澳大利亚;中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,合肥,230026【正文语种】中文
【中图分类】X932
【相关文献】
1.不同几何边界的航煤油池火灾燃烧特性 [J], 徐建楠;蒋新生;孙国骏;翟琰
2.通风环境中不同油水比例柴油池火的燃烧特性 [J], 张培红;曹宇;潘龙涛
3.插板对正庚烷油池火燃烧行为的影响研究 [J], 郑素梅; 方俊; 赵路遥; 王堃; 王静
舞
4.变压器油池火非稳态燃烧特性实验研究 [J], 陈庆;景巍巍;蔚超;陈鹏
5.不同燃料液面深度的变压器套管油池火燃烧特性数值模拟 [J], 杨娴;从伟;汪书苹;周勇;伦志宜;过羿
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不同尺寸的油盘池火灾临界参数研究
图1300mm油盘火焰高度达到60cm
表2直径300mm油盘不同高度处测点辐射值
测点及其对应辐射值/W/cm2
测点1 3.93 2.03测点2
2.72
2.36
测点3
2.43
1.27
测点4
1.44
0.51
图5直径450mm油盘火焰高度达到90cm
油盘直径450mm的油盘，选测了30、60、90
高度。
相同高度下，直径450mm的油盘辐射值从油盘中图6直径450mm油盘火焰初次出现二次燃烧3直径450mm油盘不同高度对应测点的辐射值
测点及其对应辐射值/W/cm2
图15火焰高度达200cm
5可知，辐射值在高度30cm处近似为零。
根据传热学理论可知，油盘足够大火焰足够高时火焰中心存在
图16油池火生成火旋风
图17火焰发生卷吸造成二次燃烧
9.22W/cm2，燃烧速率随着油盘直径增大而升且明显缩短了达到稳定燃烧的时间。
原油池火灾的火焰特性实验
原油池火灾的火焰特性实验张宝良;孙建刚;李姗姗;崔利富【摘要】对大庆油田原油池火灾在不同池直径下火焰高度、火焰最高温度、油层温度及池壁温度等火焰特性进行了实验测试，实验结果反映了池火灾火焰的动态变化情况，得到池火灾火焰如下的变化规律：稳定燃烧时，原油池火灾火焰高度及火焰最高温度均随着池直径的增加而增加，原油池池中心的最高温度高于池壁最高温度，原油池池壁温度随着池直径增加而减小。
【期刊名称】《油气田地面工程》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】2页(P23-24)【关键词】原油池火灾;火焰高度;火焰温度;火灾实验【作者】张宝良;孙建刚;李姗姗;崔利富【作者单位】大庆油田设计院;大连民族学院土木建筑工程学院;大连民族学院土木建筑工程学院;大连民族学院土木建筑工程学院【正文语种】中文石油储运安全直接关系到我国能源战略安全。
在不同类型的火灾中，池火灾最为常见，虽然池火灾的直接影响面积比其他的大型事故（例如沸腾液体膨胀性蒸汽爆炸或气云爆炸）小，但火焰对生产设备的影响会引起危险性物料的进一步泄漏，并导致更为严重的事故；如果火焰直接接触到设备表面，由于热流量非常高，会使情况变得更加危险。
由于火灾实验研究受资金、安全、环保等因素的限制，我国目前开展的火灾实验研究较少，相应的实验数据较为缺乏。
本文的实验研究结果将揭示池火灾火焰特性的变化规律，并将为后续计算机数值模拟池火灾燃烧过程提供所需的燃烧基本条件，还可验证理论计算的准确性。
实验采用大庆油田原油，池直径分别为1.5、2.0、3.0和5.0 m，深度为0.15 m，为了解决油罐罐底在加工和安装过程中出现的变形而导致油层厚度不均以及模拟油罐真实情况，在罐底加50 mm的水垫层，油层漂浮在水面高度100 mm，这样在整个燃烧面积上油层厚度均可保持一致。
实验时将圆盘放于实验燃烧池中心，为确保安全，在实验燃烧池外围设置保护网，保护网采用钢骨架内焊接2 mm厚冲孔钢板网，钢结构骨架采用L70 mm×70 mm× 8 mm角钢，焊接链接，柱下设置C15混凝土基础，角钢柱插入基础。
边缘高度影响下油池火燃烧行为研究
02
文献综述
油池火燃烧特性研究现状
1 2 3
油池火燃烧特性的实验研究
研究者通过实验模拟油池火的燃烧过程，研究 油池火的燃烧速率、火焰高度、温度分布等燃 烧特性。
油池火燃烧特性的数值模拟研究
研究者利用数值模拟方法，对油池火的燃烧过 程进行模拟，得到油池火的温度场、速度场、 浓度场等分布情况。
油池火燃烧特性的理论研究
研究者通过建立数学模型，对油池火的燃烧过 程进行理论分析，得到油池火的燃烧速率、火 焰高度等燃烧特性。
边缘高度对燃烧行为的影响研究现状
边缘高度对油池火燃烧速率的影响
01
研究表明，随着边缘高度的增加，油池火的燃烧速率会降低，
因为边缘高度增加会阻碍空气的进入和热量的传递。
边缘高度对油池火温度分布的影响
实验方法
采用控制变量法，设置不同的边缘高度，观察油池火燃烧过程中的火焰形状 、温度分布、气体排放等参数的变化情况。
数据采集与处理
数据采集
使用摄像机记录不同边缘高度下油池火的燃烧过程，同时通过热电偶测量火焰温 度，使用气体分析仪检测气体排放成分。
数据处理
对采集到的数据进行整理、分析和比较，提取有关参数，如火焰高度、温度分布 、气体排放量等，用于进一步研究边缘高度对油池火燃烧行为的影响。
2
最佳边缘高度下，油池火的燃烧效率最高，且 产生的污染物排放最低，具有较好的燃烧经济 性和环保性。
3
实验结果表明，通过优化油池的边缘高度，可 以实现对油池火燃烧行为的调控，为实际工业 应用提供理论指导。
研究不足与展望
01
本研究仅针对特定类型的油品进行了实验研究，未来可以进一步拓展到其他类 型的油品，以丰富和完善油池火燃烧行为的理论模型。
正庚烷热释放速率测量与研究
正庚烷热释放速率测量与研究许彬;张永明;方俊;马绥华;刘勇【期刊名称】《消防科学与技术》【年(卷),期】2006(025)003【摘要】以欧洲标准火之一的正庚烷火(TF5)为主要研究对象,在符合ISO 9705标准的ISO ROOM全尺寸实验装置内对正庚烷火热释放速率进行测量与研究.通过在多组不同实验条件下,对正庚烷燃烧时的热释放速率等数据分析,发现相同质量的正庚烷在不同尺寸油盘中燃烧,油盘面积越大燃烧越剧烈,但同时油盘尺寸的增大也会带来影响燃烧的消极因素.研究结果还表明相同尺寸的油盘中不同质量正庚烷的燃烧,燃料质量的增加会使燃烧前期发展较缓慢,但是燃烧后期会更加剧烈,其促进燃烧的效应往往会弥补甚至超出前期的发展缓慢所带来的影响.【总页数】4页(P304-307)【作者】许彬;张永明;方俊;马绥华;刘勇【作者单位】中国科学技术大学,火灾科学国家重点实验室,安徽,合肥,230027;中国科学技术大学,火灾科学国家重点实验室,安徽,合肥,230027;中国科学技术大学,火灾科学国家重点实验室,安徽,合肥,230027;中国科学技术大学,火灾科学国家重点实验室,安徽,合肥,230027;中国科学技术大学,火灾科学国家重点实验室,安徽,合肥,230027【正文语种】中文【中图分类】TK121;TU998.1;X924【相关文献】1.锥形量热仪测量材料热释放速率的影响因素分析 [J], 王康;刘运传;孟祥艳;周燕萍;王雪蓉;王倩倩2.正庚烷喷雾扩散火焰中碳烟体积分数的定量测量 [J], 郑亮;肖国炜;王建昕;帅石金3.苯+环已烷、苯+正庚烷和环已烷+正庚烷的蒸汽压和过量Gibbs自由焓研究 [J], 孙亚平4.正庚烷燃烧反应中间自由基的光谱测量 [J], 叶彬;李萍;张昌华;王利东;唐洪昌;李象远5.影响热释放速率测量因素的实验研究 [J], 刘万福;葛明慧;赵力增;王建伟;曹建丰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
小尺度变压器油池火灾燃烧特性的实验研究
发现油池直径越大 ，单位面积燃烧速率越大。直径 50 cm
330 s
830 s
时燃烧速率超过 20 g/（s · m 2）
（等效于 2 mm/min 的液位
1 700 s
下降速率），而直径 20 cm 时仅为 16 g/（s · m 2）左右（等效
（SGTYHT/18-JS-206）
消防科学与技术 2020 年 12 月第 39 卷第 12 期
1645
修改时间：2020 年 12 月 09 日 12:49:31
2
量损失曲线。由于燃料初始厚度都是 3 cm，
而油池直径分
讨论和分析
2.1
别为 20、30、40、50 cm，燃料总质量依次增多。由图 3 可
他邻近的电气设备损坏，
影响电网的安全稳定运行。
摄帧率为 60 f/s，用于对火焰图像进行拍摄。拍摄过程中
因此 ，开展针对变压器油燃烧特性的深入研究 ，掌握
调整好摄像机的光圈和曝光度等参数 ，
排除其他因素的影
不同尺度下变压器油燃烧特性的变化规律以及关键影响
响，
保证所有视频数据具备可比性。温度测量系统主要由
于 1.2 mm/min 的液位下降速率）。
（b）稳定燃烧阶段
(cm)
70
60
50
40
30
20
10
0
变压器油质量损失数据曲线
面积燃烧速率 ，如图 4 所示。可以看出 ，变压器油的燃烧
（a）起始燃烧阶段
(cm)
70
60
50
40
30
20
10
0
2 000
不同海拔地区庚烷池火羽流特性模拟研究
不 同海拔地区庚烷池火羽流特性模源自研究 倪 明 河北省 秦皇 岛市公安 消防支队，河北 秦皇 岛 ０ ６ ６ ０ ０ ４
捅 姜
运 用Ｆ Ｄ Ｓ 火 灾场模 拟 软 件模 拟 了不 同海拔 地 区开放 空 间 无风 条件下 稳 定燃 烧 的庚 烷 油 池
ｌ ｉ ｍ ｅ 《 ｓ ）
图１秦皇岛和西藏 地区的羽流中心线温度
羽流 中心 线上 的速 度几 乎相 等 。这是 因 为在 此范 围 内 ，西 藏羽 流 中心线 上的温 度 总体 高 于秦 皇 岛地 区羽流 中心 线上 的温 度 ，可 以 推 断在 此 区域 内秦皇 岛地 区羽 流密 度高 于西 藏 地 区羽流 区的 密度 ；而 秦皇 岛地 区的空 气 密 度 大于 西藏 地 区的空 气 密度 ，两地 密度 差近 似 相等 ，因此 两地 驱动 力近似 相等 ，故 羽 流 上 升速 度近 似相 等 。并且 两地 的初 始速 度为 Ｏ ｍ／ ｓ ，可 以 推 断 出在 此 范 围 内两 地 区的 速 度 相等 。在 １ ． Ｏ Ｏ ｍ～３ ． Ｏ Ｏ ｍ范 围内 ，西藏 地 区羽流 中心 线上 的速 度高 于秦 皇岛地 区 羽流 中心线 的速 度 。这 是 因为 西藏 气压 降低导 致 空 气稀薄 ，单 位体 积 内的氧 气含 量变 少 ，为 了维 挣 叵定燃 烧 ，故需 要卷 吸大 量的 空气 ， 因而 卷 吸速 度增大 ，由于 卷吸速 度 与羽流 上 升速 度成 正 比 ，因此羽 流速 度大 于秦 皇 岛地
区的 羽流 速度 。
对秦 皇 岛与西 藏地 区 Ｆ Ｄ Ｓ 模拟 的 羽流 中 心 线 上 的温 度 和速 度 与 Ｈｅ ｓ ｋ ｅ ｓ ｔ ａ ｄ 羽 流 模 型 的预 测 值 （ 在平 均火 焰高 度 以上 ）进 行 比 较 ，可以 发现 Ｆ Ｄ Ｓ 模 拟西 藏地 区羽 流 中心 线 （ 在平 均火 焰 高 度 以 上 ） 的温 度和 速 度 与 Ｈｅ ｓ ｋ ｅ ｓ ｔ ａ ｄ ￣流 模 型在 比较 符 合 ，而 模 拟秦 皇 岛地 区 羽流 中心线 上的 温度 和速 度 比较保 守。
环境风作用下池火燃烧速率、热反馈机制及辐射特性研究
环境风作用下池火燃烧速率、热反馈机制及辐射特性研究油池火的燃烧行为是火灾学界和燃烧学界的经典问题。
前人针对无风环境和水平风作用下油池火的燃烧行为进行了大量的理论分析和实验研究,但着眼于一些特殊尺度和边界条件池火的燃烧行为的研究仍较为有限:(1)环境风作用下“光学薄”较大尺度油池火的燃烧速率和热反馈机制演化。
前人针对环境风作用下油池火燃烧速率演化的研究多集中于较小尺寸(传导-对流主控)和较大尺寸(完全辐射主控),而对于介于对流和辐射主控之间过渡段的“光学薄”池火的研究还很缺乏;(2)环境风作用下较大燃料液面深度(油池上沿与燃料液面之间的竖直距离)油池火燃烧速率演化。
前人的研究多集中于存在环境风但燃料液面深度较小、或燃料液面深度显著但处于静风环境的油池火,而尚无针对环境风与燃料液面深度的耦合作用对油池火燃烧速率演化影响的研究。
而在现实中,油罐火灾均具有较大的燃料液面深度且发生于室外(存在环境风);(3)环境风作用下池火辐射特性。
前人针对池火辐射特性的研究绝大多数针对无风环境下的池火,而针对环境风作用下池火辐射特性的定量研究仍非常有限。
因此,需要针对上述情况,针对环境风作用下的池火燃烧行为进行进一步的研究。
本文围绕环境风作用下池火的燃烧速率、热反馈机制演化和辐射特性,采用理论分析与实验研究相结合的方法进行研究。
利用自制的不同尺寸(5-70 cm)、燃料液面深度的油池、多孔燃烧器,首先研究了“光学薄”较大尺寸正庚烷池火燃烧速率和热反馈机制随环境风速的演化规律,然后研究了环境风和燃料液面深度耦合作用对正庚烷池火燃烧速率的影响,最后研究了环境风作用下丙烷池火的辐射特性。
具体工作包括:(1)量化了“光学薄”较大尺度油池火燃烧速率随风速的非线性演化规律。
通过实验研究发现,随着风速的上升,该尺度油池火的燃烧速率随尺寸不同呈现不同的非线性演化规律;并分析了各演化阶段的物理机制。
利用边长为25-70 cm的5个正方形正庚烷池火进行了燃烧风洞实验(风速为0-约4.5 m/s)。
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不同边沿高度条件下正庚烷油池火燃烧特性研究化石燃料推动了社会文明的发展,作为最重要的化石燃料,石油与现代社会的生产生活都息息相关。
然而,石油及其衍生的液体燃料具有易燃易爆等火灾隐患,石油储罐储量大、排列密集的特点更增加了发生火灾的风险性。
为了给储罐增容,储罐通常具有较高的侧壁,在未完全灌装时具有较大的边沿高度,会对火灾的燃烧特性产生影响。
因此,研究油池的边沿高度对燃烧行为的影响可为石油储罐火灾的防治建立理论基础。
本文主要采用实验和FDS数值模拟相结合的方法,探讨了边沿高度对油池火燃烧特性的影响。
研究对象主要包括不同边沿高度正庚烷(C7H16)油池火的燃烧速率、火焰形态和辐射特性。
为了避免外界环境风的干扰,选择大空间火灾实验厅作为实验场所。
实验采用5 cm、10 cm、15 cm和20 cm直径的油池,边沿高度分别设置为0.25、0.5、1、1.5和2倍油池直径,实验中使用液面平衡装置将燃料层厚度维持在3 cm,使用电子天平记录质量损失。
使用CCD摄像机记录火焰发展过程,并进一步处理生成火焰概率分布图,选取概率值为0.5的图像边界确定火焰高度。
实验结果表明,所有尺寸的燃烧速率均随边沿高度呈现先下降后上升再下降的变化趋势,并分别分析了各个阶段的热反馈机制。
火焰高度方面,除5 cm直径的油池外,其他尺寸油池火焰高度趋势保持一致,均随边沿高度呈指数下降。
5 cm直径的油池随着边沿高度的增加先上升后下降。
油池火辐射热通量和辐射分数均随着边沿高度的不断增加呈现出先上升后下降的趋势,其转折点在h*=0.5处。
数值模拟将实验中测定的燃烧速率作为火源
的设置参数,采用与实验相同的油池尺寸。
油池上方设置有3 D×3 D×4D的开放空间,满足火焰的空气卷吸。
模拟部分主要研究了火焰高度(实际火焰高度、火焰下探高度)对边沿高度的演化规律和油池内部空间的热力学性质。
当D=5-10cm时,实际火焰高度随随边沿高度呈现了先下降后上升再下降的趋势,火焰下探高度则表现为线性增长规律;当D=15-20 cm时实际火焰高度呈现了先下降后上升的趋势,火焰下探高度则先上升后下降;二者比值与边沿高度之间的关系可采用线性表达式进行良好表征。
模拟部分也通过油池内部的温度、速度和燃料浓度分布研究了液面上方蒸汽区的热力学性质。