橫向風作用下噴口間距對射流擴散火焰特征的影響研究*

吳鵬志，劉長春，姜 樺，宋方智，白楊陽，劉思奇

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.陜西省工業過程安全與應急救援工程技術研究中心，陜西 西安 710054)

0 引言

在燃氣管道或容器發生化學腐蝕或機械損傷情況下，泄漏燃氣極易形成受環境橫向風影響的射流火災場景。目前，對于含有橫向風影響的射流擴散火焰，一般僅針對單個火源的火災場景(單一泄漏點)進行研究[1-3]，實際工業生產及生活中，因泄漏地點和原因的不確定性，導致多個泄漏點同時泄漏，形成多束火焰的火災事故較多[4-6]。由于相鄰火焰間的相互作用，多火源火災的燃燒行為會發生變化，當多個火焰間距較小，火焰對周圍的空氣夾帶受到限制，火焰間壓差使火焰出現傾斜或合并行為，最終導致火焰燃燒特性發生變化，使火災更具破壞性和不可控性[7]。為降低火災危險性和撲救難度，研究多束射流擴散火焰燃燒行為的影響具有重要意義。

部分學者針對多束火焰燃燒行為影響展開研究[8-11]：Baldwin[6]發現多束火焰相互作用的主要影響因素是火源間距，當2束火焰間距變小，彼此將發生傾斜，并且當火焰足夠接近時，2者合并；Putnam等[12]研究多噴口火焰相互作用規律，發現噴口距離、排列方式和噴口數量是多束火焰相互作用中主要影響因素；Liu等[13]研究多束矩形正庚烷火焰燃燒速率與排列間距關系，發現融合火焰的火焰燃燒速率大于單個火焰燃燒速率；Liu等[14]研究靜止條件下，雙噴口間距變化對火源不穩定模式、脈動頻率和火焰高度的影響，發現噴口間距是影響火焰周期性脫落、變化，形成交替蜿蜒火焰的主要原因之一。

針對多束火焰火災的研究主要在靜止空氣中進行，一般火災多發生于有環境風的開放空間，且是浮力和風耦合作用的火災行為。針對環境風作用的多束火焰場景研究較少，Fan等[15]發現在有風情況下，垂直于橫向風的2個液體池火發生融合所需間距更??；Bo等[16]引入新的數學方法，量化有風和無風時火焰融合的可能性，抵消傳統方法中由于風中火焰的廣泛振動特性而導致的局限性和不確定性；Huang等[17-18]研究橫向風條件下火焰穩定機理和流場分布，并對射流擴散火焰在下洗、橫向風主控、過渡和燃料射流主控4種狀態時，近燃料噴管處流場特性展開分析；Shang等[19]研究橫向風條件下，不同噴管直徑的射流擴散火焰的下洗長度演變過程以及發生火焰下洗的臨界條件。

目前，針對橫向風射流研究主要集中在單個火源火焰長度和傾角等方面，對于多束火焰的研究主要集中于靜止環境中噴口尺寸、距離、排列方式和數量對火焰的影響。為貼近實際泄漏火災情況，本文通過實驗研究橫向風作用下2個噴口間距變化對雙束火焰燃燒特征(火焰形態變化、火焰長度、火焰融合概率、吹熄極限)的影響規律。

1 實驗設計

1.1 實驗裝置

小型實驗風洞結構和風速測量位置如圖1所示，其中，風道尺寸為1.2 m×0.3 m×0.3 m，橫向風由高壓漩渦風機產生，通過轉子流量計和PWM變頻器共同調節流量大小，同時采用導流板使風洞內空氣流速均勻。將出風口劃分為4個等面積區域，采用熱線無線風速儀測量每個面中心點的平均風速，若風速差值大于5%，則重新進行實驗。

圖1 實驗裝置和風速測量點位示意Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment and measurement points of wind speed

Z型噴管分別由不銹鋼管焊接而成(內徑φ分別為5，7，9 mm，壁厚0.5mm)，2噴管之間的距離通過滑塊控制。選取壓縮工業丙烷(99.7%)作為實驗燃料，其流量由轉子流量速計(型號DK800-6)控制，誤差小于滿量程的2%。實驗工況如表1所示，對于每種尺寸的噴嘴，考慮具有不同燃料流速、橫向風速和噴嘴距離情況，每種情況重復3次。

表1 實驗參數范圍Table 1 Range of experimental parameters

1.2 火焰圖像處理

實驗采用CCD攝像機(型號HDC-TM900、50 Hz幀率、1 280×1 600分辨率)記錄火焰圖像?；鹧鎴D像處理方法如圖2(a)～圖2(c)所示。射流擴散火焰幾何特征參數選取流程為先對截取后的每一幀圖片進行灰值化處理，通過調節閾值對灰值化圖片進行二值化處理，截取視頻中1 000幀圖片作為分析對象，將火焰亮點出現概率為50%的火焰輪廓作為分析對象，以噴口中心為坐標原點，獲得火焰長度Lf[1,3]。

圖2 火焰長度和融合概率的獲取Fig.2 Acquisition of flame length and merging probability

在橫向風作用下，隨噴口間距減小，2束火焰會發生持續性或間歇性融合現象，對此引入火焰融合概率Pm(0≤Pm≤1)表征不同融合行為，Pm等于火焰融合總時間tm與視頻總時間t的比值[20]，如式(1)所示：

(1)

考慮視頻記錄速度不變，利用火焰發生融合幀數nm與采集總幀數n的比值，計算火焰融合概率，其中，對于每幀圖片是否重合的判斷如圖2(d)～圖2(e)所示，當2束火焰重合區域分布概率P>50%時，判斷為融合，反之，當概率P<50%時為不融合。

根據Liu等[5]定義，假設Pm≥90%時為連續融合火焰；10%≤Pm<90%時為間歇性融合火焰；Pm<10%時火焰相互分離。

2 結論與分析

2.1 噴口間距對火焰燃燒形態的影響

橫向風作用下雙噴口火焰側視圖如圖3所示，當噴口間距s=0 mm時，2束火焰相互融合，隨橫向風速增加，火焰形態類似于單噴口火焰，火焰傾斜角度發生明顯改變，噴口背風側形成負壓區，火焰出現下洗現象；隨橫向風速進一步增加，火焰下洗區域增加，火焰長度明顯減小且呈現淡藍色火焰，此時火焰傾角趨近90°；保持燃料流速和風速不變，增加噴口間距，更容易導致火焰吹熄。

圖3 橫向風作用下雙噴口火焰形態特征演變過程側視圖(φ=5 mm)Fig.3 Side view on evolution process of flame shape characteristics of dual nozzles under cross-wind(φ=5 mm)

圖4(a)是火焰變化時序，當燃料流速和橫向風速不變，噴嘴間距s=0 mm時，火焰在頸部上方發生持續性融合，火焰燃燒形態類似單噴口火焰；隨噴口間距增加，2束火焰發生間歇性融合現象，并彼此向內傾斜；當噴口距離s≥60 mm時，火焰獨立燃燒，相互之間沒有顯著影響。由圖4(b)可知，在燃料流速uf=0.37 m/s時，隨橫向風速增加，火焰對氣流夾帶作用增強，氣流對火焰冷卻能力大于供氧能力?；谖墨I[21]研究結果，火焰對燃料輻射反饋隨橫向風速增加而減少，對流和傳導對燃料的反饋，隨橫向風速增加而增加，綜合作用結果為火焰燃燒速度加快，火焰間擺動和融合現象逐漸消失。由圖4(c)可知，在橫向風速u∞=0.94 m/s時，隨燃料流速增加，火焰融合現象明顯，主要表現為火焰前端融合區域增加，主要原因是大量噴出的燃料，伴隨氣流夾帶與氧氣混合，在2噴管前方持續性的混合燃燒，大量燃料燃燒對2束火焰彼此之間空氣的競爭增強。

圖4 橫向風作用下雙噴口火焰形態特征演變過程俯視圖(φ=5 mm)Fig.4 Top view of evolution process of flame shape characteristics of dual nozzles under cross-wind (φ=5 mm)

橫向風作用下雙噴口火焰流場變化俯視示意如圖5所示。由圖5可知，當噴口間距s=0 mm時，2束火焰發生持續性融合現象，火焰燃燒形態與單噴口火焰類似；當噴嘴間距較小時，由于2束火焰對內外空氣的競爭強度不同，內外壓差使2束火焰彼此向內傾斜，并且火焰間存在較強的熱反饋作用，使其前端發生間歇性融合現象；當噴嘴間距繼續增大，壓差和熱反饋效應影響不能使火焰前端彼此傾斜融合，并且2束火焰間的氣流由于受熱不均勻，形成交替渦旋，從而影響火焰周期性脫落和變化；當噴口間距增大到一定程度時，2束火焰間互不影響，各自獨立燃燒。

圖5 橫向風作用下雙噴口火焰流場變化俯視示意Fig.5 Top view of schematic diagram of flame flow field change of dual nozzles under cross-wind

綜上，橫向風條件下射流火焰間距離改變，會導致火焰間發生傾斜、融合和擺動等現象，從而增加射流火焰間的相互作用。在實際生產和生活中，預防和減少近距離內多束射流火焰的發生，可有效降低火災危險性。

2.2 噴口間距對火焰長度的影響

無量綱火焰長度Lf/φ隨噴口間距s的變化曲線如圖6所示。當燃料流速較大且橫向風較小時，火焰無量綱長度隨噴口間距增加，呈先略微增大后逐漸減小致平穩趨勢。因為噴口間距從0逐漸增大的過程，等同于增大火焰與空氣的接觸面積，使2束火焰對氣流的夾帶作用增強，火焰間發生傾斜和融合現象，如圖6(a)所示，并且火焰融合會促進火焰間的熱反饋作用，導致火焰長度略微增加。隨噴口間距繼續增大，火焰間融合現象和熱反饋作用逐漸消失，呈單束火焰燃燒狀態，火焰長度逐漸減小并趨于平穩。因此，增加2束射流火焰距離，有助于降低火焰間的相互作用，減小火焰拉伸長度，降低2束或多束射流火災危險性。

圖6 無量綱火焰長度Lf/φ隨噴口間距s的變化曲線(φ=5 mm)Fig.6 Variation curves of dimensionless flame length Lf/φ with nozzle spacing s (φ=5 mm)

燃料流速較小或橫向風速較大時，動量比R值較小，這時火焰形態主要受橫向風剪切力作用，火焰拉伸長度較短，燃燒速度較快，擺動幅度弱，火焰長度受噴嘴間距影響較弱，如圖6(b)～圖6(c)所示。

2.3 噴口間距對火焰融合概率的影響

不同燃料流速、橫向風速和噴口間距下火焰融合概率曲線如圖7所示，在相同噴口間距和橫向風速下，火焰間融合概率隨燃料流速增加而增加，與圖4(c)中結果一致。在燃料流速和風速都不變的情況下，火焰融合概率Pm隨噴口間距增加而降低，該結果與文獻[17]的結果一致。

圖7 火焰融合概率Pm隨噴口間距s的變化曲線(φ=5 mm)Fig.7 Variation curves of flame merging probability Pm with nozzle spacing s (φ=5 mm)

假定Pm=50%時，對應噴口間距定義為火焰臨界融合間距sc如圖8所示，隨橫向風速增加，2束火焰的臨界融合間距均呈先增加后減小趨勢。原因是隨橫向風速緩慢增加，氣流夾帶作用和供氧能力占據主導，此時2束火焰擺動強烈，火焰臨界融合間距存在1個極大值；當繼續增大風速，氣流對火焰的冷卻作用占據主導，此時火焰顏色逐漸變藍，長度減小，2束火焰擺動逐漸減弱，臨界融合間距逐漸減小。

圖8 火焰臨界融合間距sc隨橫向風速u∞的變化曲線Fig.8 Variation curves of flame merging spacing sc with cross-wind speed u∞

2.4 噴口間距對火焰吹熄極限的影響

火焰吹熄極限工況曲線如圖9所示，在實驗風速范圍內，隨燃料流速增加，火焰吹熄所需橫向風速總體呈減小趨勢。主要因為隨燃料流速增加，火焰底部開始形成空隙，直至噴口上方沒有連續火焰，火焰發生推舉現象進而導致吹熄。

圖9 火焰吹熄極限工況Fig.9 Curves of flame blow-out limit conditions

隨噴口間距增大，火焰更容易發生吹熄，該現象在圖3中也可以觀察到，這主要是當噴口間距較小時，相當于增大背風側低壓漩渦區，燃料能夠在漩渦處快速混合，擁有穩定點火源，并且足夠靠近的2束火焰會彼此傾斜和融合，融合火焰間的燃燒作用比單個火焰燃燒作用強[14]。因此，在實際生產生活中，應減少多束射流融合火焰發生，有效降低火災撲救難度。

3 結論

1)在橫向風速u∞及噴口間距s較小的情況下，2束火焰因空氣夾帶競爭，彼此相互傾斜，同時火焰間區域壓力降低，使火焰發生融合?；鹧骈g的融合現象隨噴口間距或橫向風速增加而逐漸減弱，隨燃料流速增加而逐漸加強。

2)在橫向風速u∞較小或燃料流速uf較大情況下，隨噴口間距s增加，2束火焰間氣流夾帶和熱反饋作用增強，火焰被少量拉伸，但隨s繼續增加，該相互作用逐漸消失，火焰長度逐漸減小致平穩。

3)通過引入火焰融合概率Pm定量表征火焰的融合行為，隨噴口間距增加，火焰融合概率Pm逐漸減小，隨橫向風速增加，由于氣流對火焰的冷卻能力逐漸大于供氧能力，臨界融合間距sc會先增加后減小。當燃料流速uf較大時，火焰易發生推舉現象，從而導致吹熄風速較小；噴口間距s較小時，燃料容易在噴口后方低壓區快速混合，火焰融合增強火焰間的相互作用，導致發生吹熄所需橫向風速較大。

4)橫向風條件下,2束射流火焰間的競爭、傾斜、融合以及擺動行為會增強火焰間的相互作用，增加射流火災危險性。在實際生產和生活中，應加強對2束及多數射流火焰的研究，以預防和減少此類火災的發生，降低此類火災的撲救難度。