尹凱路,霍 巖,鄒高萬,董 惠

(哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

火災(zāi)是火失去控制而蔓延的一種災(zāi)害性燃燒現(xiàn)象，它是各種災(zāi)害中發(fā)生最頻繁且極具毀滅性的災(zāi)害之一[1]。若多個(gè)起火點(diǎn)位置相近時(shí)，由于各火焰之間復(fù)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(qū)周圍存在切向來流時(shí)，甚至可形成融合旋轉(zhuǎn)火焰，進(jìn)一步增加了火災(zāi)破壞性和撲救難度。在上世紀(jì)60年代，學(xué)者們就曾對多池火燃燒時(shí)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(gè)湍流浮力擴(kuò)散火焰的相互作用，并推導(dǎo)了火焰髙度的量綱一的表達(dá)式。Thomas等[3]研究了平行放置的火源的火焰融合問題，并進(jìn)行火焰受力分析，推導(dǎo)火焰融合的臨界判據(jù)。在此基礎(chǔ)上Bladwin[4]將其應(yīng)用到多油池火源的研究中。Chigier等[5]就環(huán)形多池火進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)火焰高度、穩(wěn)定性與環(huán)形陣列旋流水平、火源間距相關(guān)。Huffman等[6]曾通過實(shí)驗(yàn)較早地測量了環(huán)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和理論分析。在國內(nèi)，劉瓊[9]設(shè)計(jì)了等間距火方陣試驗(yàn)平臺，模擬大量火源同時(shí)燃燒的情況，分析了空氣卷吸和輻射熱反饋兩種作用機(jī)制對多源火燃燒的影響。王佳文等[10]利用多個(gè)豎井結(jié)構(gòu)并排時(shí)各自內(nèi)部火源所形成的火旋風(fēng)試驗(yàn)獲得了多個(gè)相對獨(dú)立的火旋風(fēng)同時(shí)發(fā)生時(shí)的質(zhì)量燃燒速率及火焰高度的半經(jīng)驗(yàn)公式。林圣澤等[11]構(gòu)建了離散可燃物燃燒速率計(jì)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(jìn)行研究，分析了火點(diǎn)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(dòng)、熱反饋與燃燒耦合機(jī)制。然而，截至目前，國內(nèi)外學(xué)者對多池火研究較多集中在火焰區(qū)引射空氣沒有物理結(jié)構(gòu)約束時(shí)的非受限空間的多火源自由燃燒，而對豎井內(nèi)有側(cè)開縫處引射空氣所形成的特殊切向來流作用于多池火時(shí)形成的融合旋轉(zhuǎn)火焰研究相對較少。本文通過對豎井內(nèi)多個(gè)池火融合火焰在側(cè)開縫引射切向來流作用下所形成的融合旋轉(zhuǎn)火焰進(jìn)行試驗(yàn)，對典型多油池融合旋轉(zhuǎn)火焰的燃燒速率與火焰高度進(jìn)行了分析，所得結(jié)果對于此類特殊形式的燃燒速率、融合火焰高度預(yù)測等理論模型構(gòu)建及其災(zāi)害防治等均有參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)裝置

多池火耦合燃燒試驗(yàn)豎井如圖1所示。頂部開口的試驗(yàn)豎井尺寸為：長0.32 m×寬0.32 m×高2.00 m。豎井左右兩側(cè)配有可前、后滑動(dòng)的側(cè)面板，以便調(diào)整形成設(shè)定寬度的對稱開縫，從而在火源區(qū)形成切向引射空氣來流。豎井底部按設(shè)定擺放形式放置多個(gè)直徑為0.05 m的圓形油池，燃料質(zhì)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(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，同時(shí)還在沒有豎井結(jié)構(gòu)約束時(shí)進(jìn)行了相同試驗(yàn)條件下的多池火自由耦合燃燒試驗(yàn)。多池火自由融合燃燒試驗(yàn)裝置如圖2所示。

根據(jù)試驗(yàn)豎井空間對油池個(gè)數(shù)的容納程度，考慮多油池以相對規(guī)則的擺放方式融合燃燒場景。試驗(yàn)時(shí)，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?jǐn)[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(cè)開縫寬度d為3.0,5.0,7.0,9.0 cm進(jìn)行試驗(yàn)，并以相同試驗(yàn)條件進(jìn)行多油池自由融合燃燒試驗(yàn)。每條次試驗(yàn)的各油池均使用5 ml正庚烷(純度98%)液態(tài)燃料。多油池的各種擺放方式如圖3所示。

圖1 有側(cè)開縫的試驗(yàn)豎井

圖2 自由融合燃燒時(shí)的多池火試驗(yàn)裝置

圖3 各組油池?cái)[放方式

2 燃料質(zhì)量消耗速率結(jié)果分析

試驗(yàn)中由電子稱獲取的液體燃料質(zhì)量變化近似為化學(xué)反應(yīng)消耗產(chǎn)生[13]，因此本文由燃料質(zhì)量隨時(shí)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(cè)開縫為5.0 cm豎通道內(nèi)融合旋轉(zhuǎn)火焰燃燒時(shí)燃料質(zhì)量隨時(shí)間變化曲線?？梢姸喑鼗鹁?jīng)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(nèi)多池火融合燃燒過程的各典型階段對應(yīng)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(zhuǎn)火焰的同時(shí)，還因劇烈旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生向上的抽吸力而使燃料質(zhì)量出現(xiàn)一定程度的“失重”，致使各階段持續(xù)時(shí)間與質(zhì)量變化速率也與自由融合燃燒明顯不同。說明豎井內(nèi)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(qiáng)度發(fā)生改變。

圖4 燃料質(zhì)量隨時(shí)間變化(4油池)

針對劇烈燃燒階段，不同個(gè)數(shù)油池和擺放形式時(shí)的燃料質(zhì)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(nèi)的融合燃燒明顯具有更高的燃料質(zhì)量損失速率，說明豎井內(nèi)的多池火燃燒被明顯強(qiáng)化。同時(shí)，豎井側(cè)開縫寬度為3.0 cm時(shí)質(zhì)量損失速率約為自由燃燒時(shí)的2.0～3.7倍，而在豎井側(cè)開縫分別為5.0,7.0,9.0 cm時(shí)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(zhuǎn)火焰形成，從而降低了豎井內(nèi)的多池火燃燒效率。另外，隨著油池?cái)?shù)量增加，側(cè)開縫變化帶來的質(zhì)量損失速率增益有所減小，雙油池質(zhì)量損失速率約為自由燃燒時(shí)的3.7倍，而4油池時(shí)僅為2.0倍。

(1)

(2)

王佳文等[10]曾提出多源火旋風(fēng)質(zhì)量燃燒速率的半經(jīng)驗(yàn)公式為

(3)

圖5 質(zhì)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(jù)質(zhì)量守恒，向上流動(dòng)的熱流體質(zhì)量等于由側(cè)開縫進(jìn)入的流體質(zhì)量，即：

(4)

(5)

將式(5)帶入式(3)可得到：

(6)

將燃料質(zhì)量損失數(shù)據(jù)帶入式(6)中進(jìn)行擬合得到豎井內(nèi)多池融合旋轉(zhuǎn)火焰燃料質(zhì)量消耗關(guān)系式：

雙油池(R2=0.942 9)

(7)

一字?jǐn)[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(nèi)多池火融合旋轉(zhuǎn)火焰劇烈燃燒階段的燃料質(zhì)量損失速率，由式(7)～(10)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比如圖7所示?？梢钥闯鲭p油池和3油池場景的吻合相對較好，而4油池時(shí)受試驗(yàn)豎井及側(cè)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(yīng)，導(dǎo)致關(guān)系式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定偏差。

圖7 豎井內(nèi)多池火融合旋轉(zhuǎn)火焰的燃料質(zhì)量消耗速率試驗(yàn)數(shù)據(jù)與關(guān)系式計(jì)算結(jié)果對比

3 融合火焰高度結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中的多池火融合火焰高度H可由獲取的圖像結(jié)果獲取。以Zukoski等[15]引入的間歇率0.5時(shí)對應(yīng)的H值來定義平均火焰高度Hc。圖8為油池間距2.50 cm時(shí)，自由燃燒火焰與雙池融合旋轉(zhuǎn)火焰燃燒過程的對比，圖像的時(shí)間間隔7 s。由圖8可見，在燃料被引燃后，豎井內(nèi)的各池火隨即展現(xiàn)出比自由融合燃燒時(shí)更明顯的相互融合趨勢；隨著時(shí)間的推移，豎井內(nèi)多池火全面融合并發(fā)生整體旋轉(zhuǎn)與傾斜，而自由融合燃燒的多池火僅在火焰中部以上區(qū)域發(fā)生相互融合，底部火焰依然保持各池火相對獨(dú)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(dú)立，而豎井內(nèi)多池火融合旋轉(zhuǎn)火焰狀態(tài)保持則保持至近乎燃料耗盡。

圖8 雙池融合火焰形態(tài)變化(S=2.50 cm)

圖9為側(cè)開縫寬度d為5.0 cm時(shí)，豎井內(nèi)多油池融合旋轉(zhuǎn)火焰與自由融合燃燒火焰高度對比。圖9中同時(shí)給出了對應(yīng)峰值火焰高度Hmax。由圖9可以看出，雙油池時(shí)，豎井內(nèi)融合旋轉(zhuǎn)火焰峰值高度約為自由融合燃燒時(shí)的1.10倍，但平均高度僅約為自由融合燃燒時(shí)的80%，而油池?cái)?shù)量增加后，豎井內(nèi)融合旋轉(zhuǎn)火焰平均高度則與自由融合燃燒時(shí)接近或稍高。這是由于豎井內(nèi)多池火燃燒初始階段尚未形成劇烈的融合旋轉(zhuǎn)火焰時(shí)，此時(shí)多池火各自相對獨(dú)立的火焰在切向來流作用下發(fā)生傾斜導(dǎo)致其豎直方向的高度降低，而油池?cái)?shù)量較少時(shí)相對更易受切向來流影響而發(fā)生幅度更大的傾斜；隨著豎井內(nèi)多池火燃燒劇烈程度的增加，引射空氣能力增強(qiáng)，使側(cè)開縫進(jìn)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(zhuǎn)火焰，此時(shí)火焰高度較自由融合燃燒時(shí)明顯增加。對比圖9(b)、(c)可發(fā)現(xiàn)，三角形擺放的油池火焰平均約為一字?jǐn)[放的油池火焰平均高度的1.10倍。這是由于三角形擺放時(shí)，各個(gè)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(fā)速度，進(jìn)而提升了融合火焰高度。圖9(c)中，油池間距5.00 cm時(shí)的豎井內(nèi)融合旋轉(zhuǎn)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(shí)豎井內(nèi)的融合旋轉(zhuǎn)火焰并不穩(wěn)定，加上由側(cè)開縫進(jìn)入的氣流的影響導(dǎo)致融合旋轉(zhuǎn)火焰整體傾斜且產(chǎn)生明顯的進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象。由此可見，豎井內(nèi)多池火融合旋轉(zhuǎn)火焰燃燒過程涉及油池個(gè)數(shù)、油池?cái)[放形式以及豎井側(cè)開縫寬度等多個(gè)參數(shù)之間的耦合關(guān)系。另外，一字?jǐn)[放的3油池和4油池工況下融合旋轉(zhuǎn)火焰峰值高度約為相同條件下自由融合燃燒時(shí)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(zhuǎn)火焰峰值高度約為自由融合燃燒時(shí)的1.10倍。這說明在豎井結(jié)構(gòu)一定時(shí)，油池?cái)?shù)量的增加會(huì)增大相同條件下融合旋轉(zhuǎn)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(nèi)單池火旋風(fēng)，雷佼[13]曾提出火焰高度和熱釋放速率與外加環(huán)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(huán)量，將側(cè)開縫寬度、燃料熱釋放速率與旋轉(zhuǎn)火焰高度結(jié)合在一起。根據(jù)前文推導(dǎo)，多池融合旋轉(zhuǎn)火焰的量綱一的單位質(zhì)量燃燒速率可由自由池火量綱一的單位質(zhì)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(zhuǎn)火焰高度結(jié)合在一起。

本文對于式(13)假設(shè)與推導(dǎo)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(yàn)，豎井內(nèi)多池火融合旋轉(zhuǎn)火焰形成后穩(wěn)定時(shí)段對應(yīng)的平均火焰高度隨油池間距的變化數(shù)據(jù)帶入式(13)中進(jìn)行擬合計(jì)算，可得：

雙油池(R2=0.985 1)

(14)

一字?jǐn)[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(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線

4 結(jié) 論

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

2)豎井側(cè)開縫過大可降低豎井內(nèi)多池火燃燒效率。同時(shí)，隨著油池?cái)?shù)量增加，側(cè)開縫變化帶來的質(zhì)量損失速率增益有所減小，雙油池質(zhì)量損失速率約為自由燃燒時(shí)3.7倍，而4油池時(shí)僅為2.0倍。

3)豎井側(cè)開縫和燃料量一定時(shí)，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(zhuǎn)火焰的形成與持續(xù)時(shí)間。豎井內(nèi)雙油池時(shí)，融合旋轉(zhuǎn)火焰持續(xù)時(shí)間占總體燃燒過程的時(shí)間相對較短，此時(shí)融合旋轉(zhuǎn)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(shí)的80%。

4)豎井結(jié)構(gòu)一定時(shí)，油池?cái)?shù)量增加不僅強(qiáng)化融合旋轉(zhuǎn)火焰的生成能力，而且增大融合旋轉(zhuǎn)火焰與自由融合火焰峰值高度之間的差異。同時(shí)，使各池液面均勻接收融合火焰熱量反饋的油池?cái)[放方式更有利于形成相對強(qiáng)烈的融合旋轉(zhuǎn)火焰。

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