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          不同初始溫度條件對RP-5火蔓延速率的影響

          發布時間: 2021-08-23 14:54:07

          隨著飛機、船舶等交通運輸業的發展,石油產品仍舊在全球能源結構中占據最大的比例,在石油產品的生產、儲存、運輸和使用過程中,燃油泄漏事故時有發生[1],這些泄漏的燃油一旦遇到點火源,就可能出現典型的火災現象:液體表面的火蔓延。RP-5號航空煤油由烷烴、環烷烴、和芳香烴等構成,主要用于航母艦載機的渦輪發動機,具有閃點高,密度大、燃燒速度快、火勢兇猛、輻熱強等特點[2,9]。發生火災時危害性極大,往往會造成重大經濟損失和慘重人員傷亡。因此,對RP-5的火蔓延行為進行研究,充分認識航空煤油火蔓延的基本特性和機理,對控制航空煤油火災的發生、發展和撲救,降低火災的危害性具有重要的理論和現實意義。

          一直以來,大量的學者針對液體燃料在不同初溫條件下的火焰蔓延速度進行了大量的研究。1968 年 Glassman[3]對燃料初始溫度對火焰蔓延速度的影響進行了研究,并首次以燃料閃點為界,把液體燃料火蔓延分為了氣相控制蔓延和液相控制蔓延。Akita[4]在 1973 年,對甲醇火焰蔓延進行了系統研究,把蔓延模式細化為低速穩定蔓延、脈動蔓延、高速穩定蔓延和預混火焰蔓延四種模式,其中前三種屬于液相控制,預混火焰蔓延模式屬于氣相控制。

          1. Degroote[5]在 2005年,對乙醇火焰蔓延進行了系統研究,將乙醇燃料不同初溫條件下火焰蔓延速度劃分為五種模式,分別為低速穩定蔓延、脈動蔓延、高速穩定蔓延、穩定加速蔓延和預混火焰蔓延,并得出了預混火焰蔓延和穩定加速蔓延模式下火焰蔓延速度計算的經驗模型。Burgoyne[6]等人發現己醇、戊醇和丁醇的火蔓延誘導時間隨著燃油初溫的升高而線性下降。Akita和Fujiwara[7]的研究表明油池尺寸不會對液體火蔓延脈動階段和穩定階段的轉折溫度產生影響,用小尺度的油池同樣可以探究火焰蔓延的脈動現象。Schiller[8]的實驗證明了在液體火蔓延過程中,燃油的初始溫度會通過影響油面的燃料蒸汽分布來改變火焰傳播速度。

          近年來國內外研究者針對燃油初溫對火焰蔓延速度的影響也做了大量的研究,但是對RP-5號航空煤油的火蔓延特性進行系統研究的并不多見。本文通過自行搭建的火焰蔓延測試系統,選擇了13種不同的燃油初溫,系統的研究了燃油初溫對RP-5火蔓延速率的影響。

          1 試驗裝置與測量方法

          噴氣燃料RP-5火焰蔓延試驗系統主要由油槽、水浴加熱系統和測試系統三部分組成。實驗系統構成圖見圖1和圖2。

          圖1 火焰蔓延速度測試系統示意圖

          圖2 火焰蔓延速度測試系統圖

          油槽通過支撐懸擱在水浴箱內。油槽的尺寸為1.5m×0.06m×0.06m(長×寬×高)的矩形箱,油槽的左端(距左端面5cm)設置一點火區,在點火區注入適量的汽油或庚烷作為引燃劑。用擋板把點火區和油槽其他區域隔開,使引燃劑限定在引燃區,保證點火時點火區以外的燃油保持初始溫度。

          水浴箱的尺寸為1.7m×0.25m×0.11m(長×寬×高)的矩形箱,為了保證能夠在一段時間內燃油溫度是穩定的;同時減少了試驗裝置附近加熱過程中燃油蒸氣的聚集,在水浴箱內配制所需溫度的熱水,同時把所要求溫度的燃油(在其他地方采用水浴加熱的方式得到的設定溫度的燃油)倒入油槽。

          通過熱電偶的溫升配合錄像系統得到火焰蔓延速度。在油槽的中心線上,距離點火端0.25m的位置開始布置熱電偶,在1.1m的范圍內共布置了12個測點,編號為T1~T12,測點間間距為0.1m。熱電偶貼近燃料液面,當火焰傳播到該位置時,熱電偶會產生明顯的溫升。用相鄰兩熱電偶的間距(0.1m)除以兩熱電偶顯著溫升的時間差,就能得到該區間內火焰蔓延的平均速度。

          2 試驗結果與分析

          大多數火災的發生,都是從可燃物的某一部分開始,然后蔓延擴大的。這是因為物質在燃燒時造就了一個危險的熱傳播過程,即燃燒——熱效應——燃燒。燃燒產生的熱效應使燃燒點周圍的可燃物受熱發生分解、著火和自燃,如此往復,火熱便迅速地向周圍蔓延開去。   

          為保證實驗結果的可靠性,每種工況進行兩次重復實驗。選取300℃作為參考溫度,即每條曲線到達300℃的時間,作為火焰到達的參考時間。具體的液相蔓延過程中溫度隨時間的變化曲線如圖3所示。