汽油储罐火灾燃烧特性的实验研究

本文通过对直径为1 m、 1.5 m和2.7 m的汽油储罐进行火灾实验,分析了汽油罐燃烧时不同阶段的燃烧特 性。本文重点讨论了描述燃烧特性的几个重要参数的变化规律,包括火焰脉动频率、火焰高度、倾斜角度以及火焰的温度 分布等,并将结果拟合为相应的实验关联式,以揭示油罐火灾的内在规律和预测其发展趋势。     

甲烷-空气预混V形火焰的CARS实验研究

本文将相干反斯托克斯(CARS)理论光谱计算和实验光谱分析的方法应用于预混V形火焰燃烧的温度测量实验,利用N2的Q支CARS谱线,使用单脉冲宽带方法获得了预混V形火焰的CARS信号光谱强度特性,测量了V形火焰水平方向和竖直方向上的温度分布特征,从中得出了火焰锋面的厚度,分析了火焰锋面的皱褶与摆动对CARS信号的影响。同时测量了不同燃料系数下V形火焰燃烧产物的温度,得出了温度随燃料系数的变化趋势,为进一步研究预混 V形火焰的结构提供了依据。     

油料池火焰红外光谱特性分析研究

油罐池火燃烧污染强度大、范围广,航天遥感可成为实时动态监测油罐池火灾污染的新途径。航天遥感监测以目标光谱特性分析为基础,针对油料池火焰光谱特性研究不足的现状,通过构建全火焰红外测试系统,在室外开放空间条件下对多种油料及混合油料池火焰光谱,其他可燃物火焰的发射光谱进行了测试分析研究,光谱范围1~14 μm。结果表明：92#汽油、95#汽油、0#柴油、航空煤油、润滑油池火焰的光谱曲线特征相似,在特定的波长处存在特征发射峰,在1.1,2.4,2.8及6.3 μm附近存在H₂O特征发射峰,在4.2及4.5 μm附近存在CO₂发射峰,在3.4 μm处存在C—H伸缩振动发射峰,6.3 μm后各光谱曲线无明显特征峰。92#汽油与0#柴油以不同比例混合的池火焰光谱与各油料池火焰光谱相比也无明显差别。92#汽油池火焰光谱与木柴及纸张火焰光谱相比,在3.4 μm处存在特征发射峰;酒精火焰光谱虽然在3.4 μm附近也有类似辐射发射,但辐射强度与4.5 μm处CO₂的辐射强度之比远低于92#汽油池火焰光谱在此两波段处辐射强度之比;蜂窝煤火焰光谱近似灰体辐射光谱。各燃料火焰光谱的差异主要由燃料的化学组成及燃烧反应机理的差异决定的。对92#汽油池火焰连续区、间歇区及烟气区的光谱特性进行了比较分析,结果表明3.4 μm处的C—H伸缩振动峰只存在于连续区,证明了该发射峰是参与燃烧化学反应的油气产生的,该结果与油料池火燃烧反应机理吻合。实验结论对基于光谱特性分析的油料池火焰遥感识别具有重要借鉴意义。     

着火油罐燃烧特性的理论分析

本文利用自行建立的油罐火灾燃烧特性通用模型,计算得到了燃烧速度、火焰高度,火焰跳动频率和平均温度等油罐燃烧特性的变化规律,并深入探讨了油品燃烧速度在油罐直径、风速、环境温度和油位等因素影响下的变化趋势。为了验证理论计算的准确性,将计算结果与汽油和柴油储罐的燃烧实验数据进行了对比,获得了较为满意的结果。     

火焰辐射及偶丝导热对热电偶测温影响的数值分析

本文利用层流同向扩散乙烯火焰的数值模拟结果,根据所得的火焰温度场、气体速度场、火焰辐射场,分析火焰辐射、热电偶偶丝导热对热电偶测温的影响.结果表明在火焰的低温区火焰辐射要大于节点向外辐射,节点得到的能量要高于节点损失的能量,因此在火焰的低温区节点温度要高于当地的气体温度;同时直径为100μm的热电偶存在较大的导热,对节点温度测量有较大的影响.     

油池火灾温度模拟计算及实际试验研究

本文给出了直径4.0 m和9.0 m的2个圆形油池和1个长9.5 m、宽8 m的长方形油池共三种不同规格油池火灾实际试验条件和试验结果,利用CFD软件模拟了长方形油池火灾,并与实际火灾试验结果进行了对比分析,从而预测了10 min内的温度变化,得出储油罐区的某一个油罐发生火灾后对相邻油罐的影响。     

H_2/N_2/O_2射流扩散火焰的直接数值模拟

直接数值模拟(DNS),大涡模拟(LES)与雷诺时均模拟(RANS)是数值模拟燃烧流动的三大主要方法,而射流扩散火焰在燃烧理论,实验研究与数值模拟中都扮演着十分重要的角色,本文采用完全可压缩的Naive-Stokes方程,对喷口直径为D=1 mm,Re=2000的射流扩散火焰进行了直接数值模拟.本文首先分析了冷态时H_2,O_2的混合,发现燃料与氧气在流向长度大于6D后的区域混合得十分充分.随后本文分析了燃烧后的统计特性,主要包括速度场,密度,温度以及主要组分与混合分数的分布,并将DNS结果与实验结果进行对比分析.     

蜡烛火焰三维温度场重建实验研究

本文在实验室中以蜡烛火焰为研究对象,研究采用辐射图像处理技术重建蜡烛三维温度场。并采用细丝热电偶实测火焰局部温度,对蜡烛火焰三维温度场可视化的结果进行了比较。结果表明,火焰高温区的重建温度是合理的,此方法能够很好地重建单峰、双峰三维温度分布。进一步证实了基于火焰图像处理技术实现三维温度场可视化的可行性。     

气化炉内柴油火焰光谱辐射特性及CH*二维辐射特性研究

火焰的自发辐射光谱与火焰的结构、温度分布等燃烧特征参数密切相关。对激发态自由基辐射的辐射强度与二维分布进行研究,可清晰地反映火焰燃烧状态而不对火焰产生扰动。基于多喷嘴对置式气流床气化实验平台,利用光纤光谱仪和配置CCD相机的高温内窥镜,对柴油扩散火焰的辐射光谱及CH*辐射二维分布特性进行研究。考察了当量比和撞击作用对火焰辐射光谱和CH*辐射分布的影响。结果表明,柴油火焰在306.47及309.12 nm处存在OH*辐射特征峰,在431.42 nm处存在CH*辐射特征峰,且存在明显的碱金属原子Na*(589.45 nm),K*(766.91和770.06 nm)发射光谱。此外,由于柴油不完全燃烧生成大量碳黑,在辐射光谱的可见光波段产生了强烈的连续黑体辐射。火焰中的黑体辐射对CH*辐射特征峰的检测存在干扰,且当量比越低时背景辐射越强,对自由基特征峰检测干扰越大。基于普朗克定律利用插值法可扣除430 nm附近波段背景辐射。柴油火焰中CH*辐射峰值随当量比的增加单调减小,CH*辐射等值线沿火焰发展方向依次出现三峰状、双峰状及单峰状,最终收缩为以反应核心区为中心的圆核。随着当量比的提高,出现各个形状的CH*辐射强度阈值不断降低,火焰主反应区面积减小且向下游移动,当量比增加到1.0附近时,理论上柴油完全燃烧,CH*辐射强度显著降低,贫燃火焰的CH*辐射强度及分布区域几乎稳定不变。利用CH*辐射强度值判定火焰举升长度,对于单喷嘴射流火焰,火焰举升长度随当量比的增加经历了显著增加后小幅下降的过程。相同当量比时两喷嘴撞击火焰CH*辐射强度峰值始终高于单喷嘴射流火焰对应值;火焰举升长度随当量比的增加小幅增加。火焰撞击的约束作用使得火焰举升长度不易随着当量比变化发生较大波动,燃烧更加稳定。这为定量判断火焰燃烧状态提供了一种直观、有效的方法,同时为柴油燃烧的化学动力学研究提供了实验依据。     

基于光谱分析的油料池火内部传热特性研究

油料池火焰内部分为不同燃烧区域,目前对油池火内部传热特性研究较少。针对油池火内部传热特性研究不足的现状,构建了红外火焰光谱测试系统,研究分析了92#汽油、95#汽油及润滑油池火焰红外光谱特性,对油池火焰不同燃烧区域的光谱信息进行了提取分析,结果表明：三种油料池火焰光谱特征相似,存在多个CO₂,H₂O及炭黑颗粒等燃烧产物的特征发射波段,3.4 μm处C—H伸缩振动峰明显;火焰烟气区主要光谱特征为4～4.5 μm波段范围内高温CO₂发射峰,该区域火焰与空气换热剧烈,温度变化不稳定,火焰脉动频率较高;火焰间歇区的光谱特征是4～4.5 μm波段范围内高温CO₂发射峰,与烟气区相比,火焰间歇区脉动频率相对较低;与烟气区及间歇区相比,火焰连续区燃烧较为稳定,该区域的光谱特征明显,在2.5～3 μm波段范围内炭黑粒子发射光谱强度较高,且在3.4 μm处存在C—H伸缩振动峰,表明油料池火焰光谱3.4 μm处的特征峰由高温油蒸汽产生。油池火焰不同燃烧区域光谱特征分析表明,油池火焰液态油表面的“富燃料层”吸收火焰传热,引起3.4 μm附近油蒸汽分子能级的改变。油池火焰不同燃烧区域发射光谱强度计算表明,火焰连续区的强度最大,其次为间歇区,火焰烟气区与空气对流强烈,测得的发射光谱强度最低。研究结果为火焰—油料传热模型的修正提供了参考。     

着火油罐燃烧过程预测的通用模型

本文根据油罐火灾的燃烧特点,从基本的传热规律和燃烧机理出发,以油品表面热反馈的能量平衡为前提,并利用化工热力学方法计算了火焰的平均温度,通过迭代方法,并结合相关的实验数据和结果,提出了油罐火灾燃烧过程的通用模型,该模型可适用于多种碳氢类燃料。本文以汽油为例,通过计算可以得到着火油罐的多项燃烧特性,包括燃烧速度、平均火焰温度等,是获取油罐周围热辐射规律的基础和前提,计算结果可为火灾现场战术的决策以及预案的制订提供依据。     

Experimental research on combustion dynamics of medium-scale fire whirl

The medium-scale fire whirl was extensively investigated by experimental means, in order to establish correlations of the burning rate, flame height and flame temperature of fire whirl, and to clarify the difference between fire whirls and general pool fires. Experimental observations and data confirmed that a free burning fire whirl is a highly stable burning phenomenon with large quasi-steady periods. Burning rates of fire whirls depend on pool diameter similarly to those of general pool fires; however the transition turbulent burning occurs sooner as the pool diameter increases. The lip height seems to have little effect on the burning rate of fire whirls. The correlation was proposed to couple the height of fire whirl to the fire release rate and ambient circulation. It correlates the data from both this work and the literature. Radial temperature profiles in the continuous region of the fire whirl were confirmed to be hump-type, implying the existence of fuel-rich inner core. The pool diameter and heat release rate do not significantly affect the radial temperature profiles in non-dimensional radial coordinates. It was found that the fire plume of fire whirl involves three distinct zones just like that of pool fire, but with different normalized ranges. Fire whirls maintain a higher ratio of continuous flame height to the overall flame height, and also higher maximum centerline excess temperature in continuous flame region, as compared to general pool fires. It was further demonstrated that the fire whirl plume at its origin behaves like a turbulent jet with moderate swirling, and then tends to become buoyancy dominated downstream, with slight swirling. With an increase in dimensionless height adjusted by the plume origin, the plume centerline excess temperature decays rapidly and approaches the theoretical value of −5/3 for free buoyancy plume.     

CS2燃烧火焰光谱辐射模型的构建与特征污染产物浓度反演研究

CS₂在当今化工等领域占据了重要地位,而CS₂火灾污染事故危害性极大。通过研究CS₂燃烧火焰光谱辐射以探究其火灾污染特性极为必要。搭建了CS₂燃烧火焰光谱测试平台,采用黑体辐射源对VSR仪器进行了标定,通过多用途傅里叶变换(VSR)红外光谱辐射仪测试了5,10和20 cm三种燃烧尺度下CS₂燃烧的火焰光谱,并通过热电偶测试了整个燃烧时间段内不同燃烧时刻下的火焰温度,以及在火焰上方安装了烟气分析仪对火焰中的燃烧产物浓度进行监测。测量了CS₂整个燃烧时间段内火焰温度,以及不同燃烧时间、不同燃烧尺度下的火焰光谱、燃烧产物组分信息。测试结果表明,CS₂火焰中主要含有高温SO₂,CO₂,CO气体和空气中卷入的H₂O分子,并获取了特征污染产物SO₂的浓度。由于现有光谱仪测量分辨率有限,室内实验测量的火焰尺度有限,为了能实现火灾在线监测需要建立一个火焰光谱辐射模型来反演CS₂火灾时的污染物浓度相关信息。基于HITRAN数据库可知在2.7 μm附近为高温水蒸气的发射峰,4.2 μm附近特征峰为高温CO₂气体的发射峰,4.7 μm附近有CO微弱的发射峰,在7.4 μm附近特征峰为高温SO₂气体的发射峰,并获得了CS₂燃烧时产生的SO₂,CO₂,CO和H₂O气体在火焰燃烧相同温度下的吸收系数,通过计算得到了CS₂燃烧时产生的SO₂,CO₂,CO和H₂O混合气体的透过率与发射率,并结合气体辐射传输方程、气体吸收系数等方程,创建了CS₂燃烧的火焰光谱辐射模型。利用该光谱辐射模型反演了不同燃烧时间下特征污染产物SO₂的浓度,并与实验测得的数据进行了对比分析。结果表明,该模型精度高,可用于燃烧产物浓度的定量化反演,SO₂分子含量在燃烧时间20,40,60和80 s时的反演精度分别是89.5%,82.5%,85.6%和86.5%。为遥感反演CS₂型大尺度火灾中燃烧产物的浓度奠定基础。     

甲烷-煤尘爆炸物火焰传播特性

 在10 m³的爆炸罐中对体积分数为8%的甲烷和75 g/m³煤尘的混合物进行了系统的燃烧爆炸实验。分别利用光测方法和压力方法得到了爆炸物的层流燃烧速度、火焰传播速度、火焰厚度、马克斯坦长度以及爆炸特征值的变化规律。结果表明,在常温常压下,当点火能为40 J时：利用光测法得到的8%甲烷与75 g/m³煤尘混合物的燃烧速度为0.437 m/s,而根据压力-时间关系得到的混合物燃烧速度为0.459 m/s,两者符合较好;用火焰厚度与马克斯坦长度判定的火焰发展趋势相同,即向外传播的火焰趋于稳定;爆炸物的爆炸特征值最大值出现在0.5 m处,壁面的爆炸特征值偏小。     

Processing of thermogram sequences to determine the rotation rate of a vortex flame

We study vortex flame radiation in laboratory conditions. A fire torch was burning from a tank, which was fixed at the axis of uprising swirl airflow. Ethanol was used as a fuel. Processing of a sequence of thermograms of a swirling torch is described. The vortex flame revolutions were calculated using FFT of time pulsations of a signal from a thermal imaging system.     

Flame stabilization with a tubular flame

A new technique to stabilize a flame in a high-velocity stream with use of a tubular flame has been proposed. To elucidate the validity of this technique, an experiment has been conducted by mounting a tubular flame burner on the nozzle. Flame stability limits and temperature distributions around the burner port have been determined, and experiments have been extended to the ducted combustion to measure pressure fluctuations and to analyze the burned gases. Results show that the tubular flame can successfully stabilize the main flame up to 130 m/s, which is the upper limit of the present supply facility. The main flame is well anchored at the exit of the nozzle, and the tubular flame efficiently supplies heat and radicals to the main flame. In the ducted combustion, the pressure fluctuations are reduced significantly. The exhaust gas analyses, however, indicate that an almost chemical equilibrium condition can be achieved at 50 m/s, but not at 90 and 130 m/s. Since the energy input relative to the main flame is just 6.1% at 130 m/s, the present tubular burner is not enough to burn all the unburned gas completely at high velocities, although the main flame can be anchored. The slit length and/or the slit width of the tubular flame burner should be larger to overcome this shortage. From the above results, it is concluded that the tubular flame has a potential for stabilizing a flame in a high-speed stream.