入射角度對噴射火脫火效能的影響分析

蔣曉剛，遲 衛，金良安，苑志江

（海軍大連艦艇學院航海系，遼寧 大連 116018）

入射角度對噴射火脫火效能的影響分析

蔣曉剛，遲 衛，金良安，苑志江

（海軍大連艦艇學院航海系，遼寧 大連 116018）

為研究入射角度對脫火效能的影響規律，借助THORNTON模型和火焰傾角計算公式對其進行理論分析，并設計專門的實驗裝置具體研究雙向人工擾流入射角度與脫火效能之間的關系。結果表明：在水平面和豎直面兩個不同平面內，脫火效能均隨著入射角度的改變呈現明顯的變化，水平面兩擾流夾角120°、豎直面入射對稱角30°時的脫火效能最大。合理設置入射角度，有助于提高雙向人工擾流的脫火效能。

噴射火；脫火效能；入射角度；雙向人工擾流；火焰傾角

0 引言

因管道或儲罐泄漏形成的射流燃燒導致的噴射火災，由于其高發生率和強破壞性[1-2]，歷來是火災撲救的重點和難點。脫火法施救技術是為克服現有噴射火災施救代價高、效率低、方法器材通用性差等固有問題而提出的一種新型高效低耗通用技術，其主要研究內容是脫火效能。由于脫火距離（火焰根部與燃料噴口的距離）是衡量脫火效能的重要參數，而擾流入射角度又是影響脫火距離的關鍵因素，因此對于擾流入射角度的研究十分重要。

然而，目前關于擾流入射角度與脫火效能之間關系的研究較少，主要集中在影響火焰特征尺寸的燃料特性、噴口直徑以及燃料釋放速度等方面，例如，A. Cessou，C.Maurey和D.Stepowski[3]研究了不同直徑的噴口對甲烷、丙烷和乙烯等不同燃料的部分預混層流燃燒狀況；P.S.Cumber及M.Spearpoint[4]利用CFD技術提出了丙烷燃燒形成的噴射火焰長度的計算方法，并構建了相關模型；羅育洪等[5]對單向人工擾流條件下的脫火效能進行了研究，表明隨著入射角度的增加，脫火效能有逐漸減小的趨勢，但對雙向人工擾流條件下的脫火效能并未涉及。

鑒于上述情況，本文在理論分析的基礎上設計實驗，重點對雙向人工擾流條件下入射角度與脫火

效能的關系進行研究，為尋求更為高效的噴射火脫火方法提供一定的參考依據。

1 影響因素的理論分析

1.1 THORNTON模型

THORNTON模型[6]是一種近似描述噴射火焰形貌的固體火焰模型。在有風條件下噴射火焰的幾何形狀及尺寸的數學模型大體分為3類：單點源模型、多點源模型和固體火焰模型。一般認為，以THORNTON模型來近似噴射火焰的形貌最為恰當，這是由于該模型是通過大量的風洞實驗和場地試驗的觀測和分析研究得出的，其物理意義最為明確，得出的表達式經過了大量的試驗驗證。該模型假定噴射火形狀為平截頭圓錐形，描述平截頭圓錐體的參數有火焰長度Lb、火焰錐體長度R1、火焰傾角α、錐體抬升高度b等，有風條件下的噴射火形狀如圖1所示，圖中uw為水平方向的風速，d為噴口直徑，W1為火焰下截面寬度，W2為火焰上截面寬度。

圖1 有風條件下的噴射火形狀示意圖

該模型中主要涉及到H.A.Berker給出的火焰長度計算公式[7]，具體公式這里不再贅述，僅將本文用到的關于火焰抬升高度的公式進行簡要介紹。火焰抬升高度b是沿孔口軸線方向孔口中心到圓錐體軸線與孔口軸線相交處的距離，計算式為

式中：K——與射流速度比相關的量；

α——火焰傾角；

Lb——有風條件下的火焰長度，其通過靜止條件下的火焰長度進行計算，主要與燃料和噴口的固有屬性相關。

從與火焰抬升高度相關的上述3個參數可以看出，火焰傾角α是影響火焰抬升高度的關鍵參數，也是影響脫火效能的關鍵參數。

1.2 火焰傾角計算公式

造成火焰傾角的原因是由于外界人工擾流的存在，其實質是燃氣射流與人工擾流形成的相交射流改變了兩者原有的運動軌跡，使得火焰的燃燒方向發生了改變，在某一程度上其遵循相交射流的運動規律。因此，可以依據相交射流理論對火焰傾角的計算公式進行推導。

相交射流的基本運動規律是當兩股射流以一定的角度相交時，兩者會在各自慣性力的作用下，相互碰撞和混合，直接進行動量、能量和質量交換，最終形成一股匯合流。根據相交射流理論推導得出了火焰傾角計算公式[8]，如式（2）所示。

式中：α——火焰傾角；

θ——燃氣射流與人工擾流之間的夾角（即入射夾角）；

Mmol1，Mmol2——人工擾流和燃氣射流的摩爾質量；

r1，r2——擾流噴管和燃氣噴管的半徑；

ν1，ν2——人工擾流和燃氣射流的流速；

ψ——修正系數。

從式（2）可知，摩爾質量和噴管半徑在實驗時均是相對固定的參數，除了流速比之外，入射角度是影響火焰傾角的關鍵因素，而根據“1.1”的分析，火焰傾角是影響脫火效能的重要參數。因此，對擾流入射夾角開展相應的實驗以便具體研究其與脫火效能間的關系十分必要。

2 入射角度的實驗研究

由于羅育洪等[5]已對單向人工擾流入射角度對脫火效能的影響進行了相應的實驗研究，并得出了脫火效能隨著擾流入射角度的增加逐漸減小的結論，但并未對雙向人工擾流條件下的入射角度對脫火效能的影響進行研究，因此，專門設計了實驗裝置并開展相應實驗進行了研究。

2.1 實驗裝置

雙向人工擾流脫火施救實驗裝置主要有擾流系統、燃氣系統和數據采集系統3部分，如圖2所示，圖中設備編號與圖3相同。擾流系統由兩擾流噴管、空氣壓縮機、玻璃轉子流量計、導流管和三通接頭組成；燃氣系統由燃氣噴管、丁烷氣瓶、可調導氣噴頭、導流管和玻璃轉子流量計組成；數據采集系統由攝像頭和計算機組成。

圖2 實驗裝置實物圖

圖3 實驗裝置示意圖

為對實驗裝置進行具體說明，特繪制了該裝置示意圖，如圖3所示：1C4H10氣瓶；2空氣壓縮機（迪瑪特RAC24L，容積為24 L，螺桿式空壓機）；3、4閥門；5、6氣體玻璃轉子流量計（北星LZB系列，量程為0.1～1.0m3/h，流量計準確度為±2.5%）；7燃料噴管（內徑4 mm，外徑6 mm）；8擾流噴管1（內徑8 mm，外徑10 mm）；9擾流噴管2（內外徑參數同擾流噴管1）；10攝像頭（ANC的C230，高品質5玻鏡頭并支持手動調焦，同時配備優秀的CMOS成像芯片，有效像素為1000萬）；11便攜計算機。

實驗時由空氣壓縮機提供人工擾流，丁烷氣瓶提供燃氣，氣體流量由氣體調節閥門控制，同時可利用流量計自帶的調節裝置進行微調，通過可調支架將燃氣噴管和擾流噴管固定到實驗所需位置，架設攝像頭并連接計算機，采用“攝像頭-計算機”的方式進行取像，從而獲得實驗數據，實驗時整套裝置處于無外界氣流擾動的相對封閉空間。

圖4為單雙向擾流條件下的噴口細節圖，其中q1和q2為人工擾流流量，d1和d2為人工擾流噴管內徑（d1=d2=8 mm），qF為燃氣流量，dF為燃氣噴管內徑（dF=4mm），θ1和θ2為擾流噴管的入射角度，h1和h2為擾流噴管的入射高度，l1和l2為擾流噴管的入射距離。

圖4 雙向人工擾流噴口細節圖

2.2 實驗方法

根據實驗的研究目的，本文從入射角度入手，主要研究雙向擾流入射角度的改變對脫火效能的影響。

入射角度實驗根據雙向擾流與燃氣擾流所處平面的差異，分為水平面和豎直面入射角度兩項內容。水平面入射角度實驗指的是雙向人工擾流構成的平面與燃氣射流所處的平面相垂直，擾流入射角度僅在該平面上變化；豎直面入射角度實驗指的是雙向人工擾流與燃氣射流處于同一豎直面內，擾流入射角度在該豎直面變化。兩部分實驗都是通過改變入射角度獲取不同的脫火距離，進而分析入射角度對脫火效能的影響。需要注意的是，實驗時需保證兩擾流與燃燒射流的入射夾角相等。

2.3 數據采集與處理

由于脫火距離是衡量脫火效能的關鍵因素，本實驗主要通過獲取脫火距離研究入射角度與脫火效能的關系。

實驗中待火焰狀態穩定，控制擾流流量，使火焰脫離噴口燃燒，制造脫火現象，使用攝影系統記錄脫火距離L以及擾流流量計的數據等信息，其中拍攝圖像的分辨率為1280pixel×512pixel，拍攝頻率為100f/s。

實驗數據處理的基本過程是從攝影圖像數據中挑出火焰根部邊緣清晰、明顯的脫火圖像作為分析樣本，通過圖像分析技術進行綜合處理與分析，建立數學模型以求解表征擾流脫火效能的脫火距離。

在文獻[9]中已對該數據采集方法進行了詳細的講解，在此僅對圖像處理的基本思路進行描述：利用Matlab編制相應程序，對樣本圖像進行處理，可得灰度圖像，之后借助Matlab圖像閱覽器的像素區域工

具觀察噴管邊緣和火焰根部邊緣的灰度值，確定門限值，進而獲得相應閾值，將灰度圖像按照閾值轉換為二值圖像，計算脫火區域所占像素數量，最后將其換算為實際脫火距離。

2.4 實驗結果與分析

根據實驗內容方法，對實驗參數進行如下設置：入射距離l1=l2=7mm，入射高度h1=h2=0mm。

2.4.1 水平面入射角度實驗

該部分實驗雙向擾流構成的平面與燃氣射流所處的平面相互垂直，水平面入射角度代表的是兩擾流之間的夾角，在此用θh表示，令θh從30°～180°等間隔變化，實驗時選取燃氣流量qF分別為0.02，0.04和0.06m3/h，獲取不同入射角度條件下的脫火距離如表1所示。

根據表1繪制的水平面不同入射角度下的最大脫火距離變化曲線如圖5所示。

表1 水平面不同擾流夾角的脫火距離

圖5 水平面不同擾流夾角脫火距離的變化曲線

由實驗數據可知，θh為30°時火焰無法脫開；從60°～120°時脫火距離L逐漸增大，但趨勢較緩；從120°～180°，脫火距離L開始較急劇的減小，表明了水平面入射角度對脫火距離有顯著的影響。與擾流流量為0.02m3/h和0.06m3/h相比，擾流流量為0.04m3/h時火焰整體脫開距離較大。

經分析認為，造成以上實驗結果的原因主要是由于擾流夾角的改變使得擾流速度分量發生改變，從而改變了可燃混合物的速度，并對高溫產物回流起到了一定的破壞作用，在兩種效果相互作用下，火焰最大脫開距離產生了不同的變化。

2.4.2 豎直面入射角度實驗

該部分實驗兩擾流噴管與燃氣噴管所處在同一豎直平面，實驗時入射角度保持θ1=θ2，同時從15°～90°等間距變化，具體實驗數據如表2所示。

表2 豎直面不同入射角度的脫火距離

根據表2繪制的豎直面兩擾流不同入射角度脫火距離L曲線如圖6所示。

圖6 豎直面不同入射角度的脫火距離變化曲線

由實驗數據可知，入射角度為15°時，火焰無法脫開；入射角度為30°時，脫火距離最大，之后隨著入射角度的增大，脫火距離呈逐漸減小的趨勢。不同擾流流量所取得的脫火距離有所差別，與擾流流量為0.02m3/h和0.06m3/h相比，擾流流量為0.04 m3/h的脫火距離整體較大。

為便于直觀的比較，特選擇qF=0.04m3/h時的火焰脫開距離實驗圖片進行對比，如圖7所示。

分析認為，根據雙向擾流的速度分解可知，隨著擾流夾角的減小，擾流在豎直方向的速度分量變大，使得火焰可燃混合物的流速增大，從而火焰脫開距離增大。擾流流量適中時（如0.04m3/h）取得的脫火距離較大，而擾流流量較小（0.02m3/h）或較大（0.06m3/h）時取得的脫火距離相對較小，主要是由于擾流流量較小時，所形成的豎直方向的速度分量較小，脫火距離也較小；擾流流量較大時，會增大燃氣噴口附近的卷吸作用，從而穩固了燃燒條件，減弱了擾流的干擾

作用，因此脫火距離也有所減小。

圖7 豎直面不同入射角度脫火距離對比圖

另外，與水平面入射角度實驗相比，豎直面入射角度取得的最大脫火距離較大。

分析認為，這主要是由于水平面夾角實驗時擾流噴口一直緊貼燃氣噴口，位置未發生變化，而雙向擾流夾角在豎直面變化時，擾流噴口與燃氣噴口的距離會發生相應的變化，不能保持時刻緊貼燃氣噴口邊緣，從而造成燃氣噴口與擾流噴口之間的間隙變大，則匯合流的混合長度變長[10]，并且根據相交射流匯合流的混合變形理論，認為相交射流的夾角α越大，撞擊后的射流衰減也越快，射程越短。因此，雙向擾流的夾角越小，匯合流的混合長度越長，同時射流衰減也越慢。根據火焰穩定燃燒的條件，燃燒若能繼續進行，必須存在固定火焰源，而固定火焰源存在高于燃氣噴口平面的某一平面內，擾流夾角變小使得匯合流的混合長度變長，則固定火焰源所在平面隨之抬高，因而火焰脫開距離變大。

3 結束語

通過對THORNTON模型和火焰傾角計算公式的分析，說明了擾流入射角度對噴射火脫火效能的顯著影響，進而利用實驗重點研究了雙向人工擾流入射角度與脫火效能之間的關系。通過對脫火距離的分析表明：隨著入射角度的增加，水平面擾流夾角實驗脫火效能呈現先增大后減小的趨勢，豎直面入射角度實驗脫火效能呈現逐漸減小的趨勢；入射角度過小時，火焰均無法脫開。本文僅初步分析了入射角度對脫火效能的影響，在今后的工作中需對入射角度與脫火效能的數學模型進行更為深入的研究。

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Analysis of relationship between incidence angle and lift-off efficiency

JIANG Xiao-gang，CHI Wei，JIN Liang-an，YUAN Zhi-jiang
（Department of Navigation，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China）

In order to research the relationship between incidence angle and lift-off efficiency，the effect of incidence angle for lift-off efficiency was analyzed on the foundation of THORNTON model and calculation method for oblique angle of ejecting flame.Relations between TDIF （twodirection man-made interfering jet flows）and lift-off efficiency were researched by experiments with special designed experimental device.The results show that on two different planes，the liftoff efficiency was greatly affected by incidence angle.When the interfering jet flows angle of horizontal plane was 120 degree or the incidence angle of vertical plane was 30 degree，the liftoff efficiency was the largest.It is favorable to increase the reliability of TDIF when the incidence angle is set up reasonably.

jet fire；lift-off efficiency；incidence angle；TDIF；oblique angle of ejecting flame

X913.4；TK121；X928.7；TE972

：A

：1674-5124（2014）01-0128-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.01.032

2013-02-05；

：2013-03-26

蔣曉剛（1988-），男，河南許昌市人，博士研究生，主要從事艦船安全與防護技術研究。