側開縫豎井內多池火融合燃燒特性

尹凱路,霍 巖,鄒高萬,董 惠

(哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

火災是火失去控制而蔓延的一種災害性燃燒現象，它是各種災害中發生最頻繁且極具毀滅性的災害之一[1]。若多個起火點位置相近時，由于各火焰之間復雜的相互影響與耦合作用，極有可能形成融合火焰，尤其是在火焰區周圍存在切向來流時，甚至可形成融合旋轉火焰，進一步增加了火災破壞性和撲救難度。在上世紀60年代，學者們就曾對多池火燃燒時相互作用與火焰融合等方面展開研究。Putnam等[2]利用天然氣陣列形成火源研究了多個湍流浮力擴散火焰的相互作用，并推導了火焰髙度的量綱一的表達式。Thomas等[3]研究了平行放置的火源的火焰融合問題，并進行火焰受力分析，推導火焰融合的臨界判據。在此基礎上Bladwin[4]將其應用到多油池火源的研究中。Chigier等[5]就環形多池火進行研究，發現火焰高度、穩定性與環形陣列旋流水平、火源間距相關。Huffman等[6]曾通過實驗較早地測量了環形池火陣列的燃燒速率隨各池火大小及間距的變化情況。Schalike等[7]和Vasanth等[8]對多池火之間的火焰互相融合情況進行了實驗研究和理論分析。在國內，劉瓊[9]設計了等間距火方陣試驗平臺，模擬大量火源同時燃燒的情況，分析了空氣卷吸和輻射熱反饋兩種作用機制對多源火燃燒的影響。王佳文等[10]利用多個豎井結構并排時各自內部火源所形成的火旋風試驗獲得了多個相對獨立的火旋風同時發生時的質量燃燒速率及火焰高度的半經驗公式。林圣澤等[11]構建了離散可燃物燃燒速率計算模型。焦艷[12]以正庚烷及乙醇作燃料，對正六邊形及正方形的陣列進行研究，分析了火點直徑D以及間距S等因素對燃燒速率、溫度及速度分布、火焰高度、空氣卷吸和熱量反饋等的影響，揭示了多油池火源的流動、熱反饋與燃燒耦合機制。然而，截至目前，國內外學者對多池火研究較多集中在火焰區引射空氣沒有物理結構約束時的非受限空間的多火源自由燃燒，而對豎井內有側開縫處引射空氣所形成的特殊切向來流作用于多池火時形成的融合旋轉火焰研究相對較少。本文通過對豎井內多個池火融合火焰在側開縫引射切向來流作用下所形成的融合旋轉火焰進行試驗，對典型多油池融合旋轉火焰的燃燒速率與火焰高度進行了分析，所得結果對于此類特殊形式的燃燒速率、融合火焰高度預測等理論模型構建及其災害防治等均有參考價值。

1 試驗裝置

多池火耦合燃燒試驗豎井如圖1所示。頂部開口的試驗豎井尺寸為：長0.32 m×寬0.32 m×高2.00 m。豎井左右兩側配有可前、后滑動的側面板，以便調整形成設定寬度的對稱開縫，從而在火源區形成切向引射空氣來流。豎井底部按設定擺放形式放置多個直徑為0.05 m的圓形油池，燃料質量變化通過BK-D電子稱(精度0.01 g)測量和記錄。

為與豎井內試驗結果進行對比，同時還在沒有豎井結構約束時進行了相同試驗條件下的多池火自由耦合燃燒試驗。多池火自由融合燃燒試驗裝置如圖2所示。

根據試驗豎井空間對油池個數的容納程度，考慮多油池以相對規則的擺放方式融合燃燒場景。試驗時，分別對不同油池最外緣間距S的雙油池(S為2.50,5.00,7.50,10.00 cm)，一字擺放的3油池(S為1.25,2.50,5.00 cm)、等邊三角形擺放的3油池(S為1.25，2.50，3.75和5.00 cm)及口字型擺放的4油池(S為2.50,5.00,7.50 cm)分別以豎井側開縫寬度d為3.0,5.0,7.0,9.0 cm進行試驗，并以相同試驗條件進行多油池自由融合燃燒試驗。每條次試驗的各油池均使用5 ml正庚烷(純度98%)液態燃料。多油池的各種擺放方式如圖3所示。

圖1 有側開縫的試驗豎井

圖2 自由融合燃燒時的多池火試驗裝置

圖3 各組油池擺放方式

2 燃料質量消耗速率結果分析

試驗中由電子稱獲取的液體燃料質量變化近似為化學反應消耗產生[13]，因此本文由燃料質量隨時間變化獲取燃燒速率以及熱釋放速率。

圖4為油池間距為5.00 cm 4油池自由燃燒與相同條件下側開縫為5.0 cm豎通道內融合旋轉火焰燃燒時燃料質量隨時間變化曲線。可見多池火均經歷了初始階段、劇烈燃燒階段和衰減階段，其中初始階段和衰減階段還可能包含火焰間彼此融合以及衰減分離階段。與自由融合燃燒相比，豎井內多池火融合燃燒過程的各典型階段對應的融合火焰具有明顯更高的亮度，且在劇烈燃燒階段形成多池火融合旋轉火焰的同時，還因劇烈旋轉產生向上的抽吸力而使燃料質量出現一定程度的“失重”，致使各階段持續時間與質量變化速率也與自由融合燃燒明顯不同。說明豎井內多池火融合燃燒雖在整體變化趨勢上與自由融合燃燒過程相似，但在燃燒過程中(尤其是劇烈燃燒階段)的燃燒強度發生改變。

圖4 燃料質量隨時間變化(4油池)

針對劇烈燃燒階段，不同個數油池和擺放形式時的燃料質量損失速率隨油池間距的變化如圖5所示。由圖5可見，與自由融合燃燒相比，豎井內的融合燃燒明顯具有更高的燃料質量損失速率，說明豎井內的多池火燃燒被明顯強化。同時，豎井側開縫寬度為3.0 cm時質量損失速率約為自由燃燒時的2.0～3.7倍，而在豎井側開縫分別為5.0,7.0,9.0 cm時約為1.1～2.0倍，說明過大的開縫形成的引射空氣來流相對不利于多池火融合旋轉火焰形成，從而降低了豎井內的多池火燃燒效率。另外，隨著油池數量增加，側開縫變化帶來的質量損失速率增益有所減小，雙油池質量損失速率約為自由燃燒時的3.7倍，而4油池時僅為2.0倍。

(1)

(2)

王佳文等[10]曾提出多源火旋風質量燃燒速率的半經驗公式為

(3)

圖5 質量損失速率隨油池間距的變化

圖6 量綱一的單位面積燃燒速率隨燃料面比率的變化

以高度為dz的豎通道微元體為控制體，根據質量守恒，向上流動的熱流體質量等于由側開縫進入的流體質量，即：

(4)

(5)

將式(5)帶入式(3)可得到：

(6)

將燃料質量損失數據帶入式(6)中進行擬合得到豎井內多池融合旋轉火焰燃料質量消耗關系式：

雙油池(R2=0.942 9)

(7)

一字擺放的3油池(R2=0.938 7)

(8)

三角形擺放的3油池(R2=0.930 8)

(9)

4油池(R2=0.810 7)

(10)

針對豎井內多池火融合旋轉火焰劇烈燃燒階段的燃料質量損失速率，由式(7)～(10)計算結果與試驗數據對比如圖7所示。可以看出雙油池和3油池場景的吻合相對較好，而4油池時受試驗豎井及側開縫寬度限制，油池間相互競爭空氣而相互抑制彼此燃燒反應，導致關系式與試驗數據有一定偏差。

圖7 豎井內多池火融合旋轉火焰的燃料質量消耗速率試驗數據與關系式計算結果對比

3 融合火焰高度結果分析

實驗中的多池火融合火焰高度H可由獲取的圖像結果獲取。以Zukoski等[15]引入的間歇率0.5時對應的H值來定義平均火焰高度Hc。圖8為油池間距2.50 cm時，自由燃燒火焰與雙池融合旋轉火焰燃燒過程的對比，圖像的時間間隔7 s。由圖8可見，在燃料被引燃后，豎井內的各池火隨即展現出比自由融合燃燒時更明顯的相互融合趨勢；隨著時間的推移，豎井內多池火全面融合并發生整體旋轉與傾斜，而自由融合燃燒的多池火僅在火焰中部以上區域發生相互融合，底部火焰依然保持各池火相對獨立的火焰形式；在燃燒后期階段，自由融合燃燒的火焰彼此分開保持各自獨立，而豎井內多池火融合旋轉火焰狀態保持則保持至近乎燃料耗盡。

圖8 雙池融合火焰形態變化(S=2.50 cm)

圖9為側開縫寬度d為5.0 cm時，豎井內多油池融合旋轉火焰與自由融合燃燒火焰高度對比。圖9中同時給出了對應峰值火焰高度Hmax。由圖9可以看出，雙油池時，豎井內融合旋轉火焰峰值高度約為自由融合燃燒時的1.10倍，但平均高度僅約為自由融合燃燒時的80%，而油池數量增加后，豎井內融合旋轉火焰平均高度則與自由融合燃燒時接近或稍高。這是由于豎井內多池火燃燒初始階段尚未形成劇烈的融合旋轉火焰時，此時多池火各自相對獨立的火焰在切向來流作用下發生傾斜導致其豎直方向的高度降低，而油池數量較少時相對更易受切向來流影響而發生幅度更大的傾斜；隨著豎井內多池火燃燒劇烈程度的增加，引射空氣能力增強，使側開縫進入豎井的空氣來流具有更大的切向力而形成劇烈的多池火融合旋轉火焰，此時火焰高度較自由融合燃燒時明顯增加。對比圖9(b)、(c)可發現，三角形擺放的油池火焰平均約為一字擺放的油池火焰平均高度的1.10倍。這是由于三角形擺放時，各個火源之間彼此更容易相互影響，燃料表面受到相對更多的來自其他兩油池火焰的熱輻射，因此加速燃料的蒸發速度，進而提升了融合火焰高度。圖9(c)中，油池間距5.00 cm時的豎井內融合旋轉火焰峰值高度低于自由融合燃燒火焰，這是由于在此油池間距時豎井內的融合旋轉火焰并不穩定，加上由側開縫進入的氣流的影響導致融合旋轉火焰整體傾斜且產生明顯的進動現象。由此可見，豎井內多池火融合旋轉火焰燃燒過程涉及油池個數、油池擺放形式以及豎井側開縫寬度等多個參數之間的耦合關系。另外，一字擺放的3油池和4油池工況下融合旋轉火焰峰值高度約為相同條件下自由融合燃燒時的1.32倍和1.25倍，而雙油池及等邊三角形擺放的3油池融合旋轉火焰峰值高度約為自由融合燃燒時的1.10倍。這說明在豎井結構一定時，油池數量的增加會增大相同條件下融合旋轉火焰與自由融合燃燒火焰峰值高度之間的差異。

圖9 火焰平均高度及峰值隨油池間距的變化

針對豎井內單池火旋風，雷佼[13]曾提出火焰高度和熱釋放速率與外加環量耦合公式為

(11)

H*=H/HP=f(Γ*)

(12)

將式(5)和式(11)帶入式(12)，可得

(13)

式中以c(L3/d)代替速度環量，將側開縫寬度、燃料熱釋放速率與旋轉火焰高度結合在一起。根據前文推導，多池融合旋轉火焰的量綱一的單位質量燃燒速率可由自由池火量綱一的單位質量燃燒速率m*及燃料面比率rs求得，故式(13)間接地將自由池火燃燒速率與旋轉火焰高度結合在一起。

本文對于式(13)假設與推導都是建立在火焰豎直方向的前提下，未考慮融合火焰在切向力作用下的傾斜影響。對于本文試驗，豎井內多池火融合旋轉火焰形成后穩定時段對應的平均火焰高度隨油池間距的變化數據帶入式(13)中進行擬合計算，可得：

雙油池(R2=0.985 1)

(14)

一字擺放的3油池(R2=0.921 2)

(15)

三角形擺放的3油池(R2=0.884 6)

(16)

4油池(R2=0.898 2)

(17)

圖10 融合火焰高度試驗數據與擬合曲線

4 結 論

1)有側開縫的豎井所形成的獨特引射空氣來流改變了多池火之間火焰融合形態以及對燃料液面熱反饋，形成的融合旋轉火焰在一定程度上強化了燃燒效率并提升了火焰高度。

2)豎井側開縫過大可降低豎井內多池火燃燒效率。同時，隨著油池數量增加，側開縫變化帶來的質量損失速率增益有所減小，雙油池質量損失速率約為自由燃燒時3.7倍，而4油池時僅為2.0倍。

3)豎井側開縫和燃料量一定時，多油池燃燒引射空氣能力和相對擺放位置決定了融合旋轉火焰的形成與持續時間。豎井內雙油池時，融合旋轉火焰持續時間占總體燃燒過程的時間相對較短，此時融合旋轉火焰峰值高度約為自由燃燒融合火焰的1.1倍，但平均高度僅約為自由融合燃燒時的80%。

4)豎井結構一定時，油池數量增加不僅強化融合旋轉火焰的生成能力，而且增大融合旋轉火焰與自由融合火焰峰值高度之間的差異。同時，使各池液面均勻接收融合火焰熱量反饋的油池擺放方式更有利于形成相對強烈的融合旋轉火焰。

5)基于浮力火焰疊加環量的思想，推導并擬合得到了豎井內典型形式多池火耦合旋轉火焰燃燒速率與火焰高度理論模型。