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有风作用下的池火燃烧在燃烧速率、火焰形态特征以及燃烧传热(传导、对流和辐射)方式等方面部与无风自由燃烧状念存在很大差异,因此有必要开展不同风速条件下航空煤油池火燃烧特性研究。
通过实验和理论分析相结合的方法,论文从池火燃烧速率、火焰的形态特征以及火焰脉动三个方面入手,研究不同风速条件下航空煤油池火的燃烧特性。论文具体工作包括:
利用火灾科学国家重点实验室大空间火灾试验厅和燃烧风洞试验厅,开展了一系列航空煤油池火燃烧实验。实验中油池有圆形和矩形两种,圆形油池直径有0.150m、0.200m、0.300m和0.600m四种,矩形油池底面积0.360m<2>,长宽比例有1.00、2.25、4.00和9.00四种。风速范围在0m/s~3.20m/s,同时利用红外热像仪和数字摄像机对火焰进行了图像采集。
分析了质量测量数据,得到了不同风速条件下池火燃烧速率分布规律。结果表明,对于圆形池火,相同风速条件下油池燃烧速率随直径增大而增大,而随风速的变化规律差异较大。直径为0.150m,0.200m和0.300m的油池,燃烧速率随风速增加呈现非单调性变化舰律,在风速较低范围(0~0.50m/s)内随风速增加而增加,达到一定值后开始下降,随后又稍有上升,此后其趋势基本不受风速影响,直径0.600m的油池燃烧速率受风速的影响不大,基本维持不变;对于矩形池火,无风时不同尺度油池的燃烧速率基本一致,横向风条件下呈现出不同的变化规律。0.600m×0.600m的正方形油池其燃烧速率呈现非单调性变化规律,0.400m×0.900m的矩形油池,在较低风速条件下(<1.60m/s)两种不同放置方式下的燃烧速率差异不大,当风速增大时油池短边与横向气流垂直情况下燃烧速率随风速增大单调增长,当油池长边与横向气流垂直时燃烧速率随风速的增大呈现非单调性变化趋势。
通过基于Matlab的图像处理技术对池火火焰形状特征进行了分析,得到了不同风速条件下池火火焰高度和火焰倾角分布规律。结果表明,对于不同尺度的油池(D=0.150m,0.200m,0.300m,0.600m),在某一对应的临界风速内,火焰高度、火焰倾角以及火焰拉伸情况是受风速影响的。当风速在这一临界风速内变化时,随着风速的增大,火焰高度减小,火焰倾角变大,火焰拉伸加强。当风速大于这一临界风速时,火焰形状特征基本维持稳定;存在Ri<-1>的临界值,在这一临界值内,随着Ri<-1>的增大,池火火焰高度呈下降趋势,火焰倾角增大,当大于这一临界值时,火焰高度和火焰倾角基本不受影响。
建立了横向风条件下火焰高度和火焰倾角的预测模型,并将得到的模型与实验数据及Thomas、Moorhouse、Pritchard以及美国气体协会(AGA)的相关模型进行了对比。结果表明,论文所建立的模型预测效果与实验结果比较接近,Thoams关于火焰高度的预测模型以及AGA关于火焰倾角的预测模型预测效果较好。
分析了火焰高度时间序列,并结合傅立叶变换方法建立了分析火焰脉动频率特征的方法,并利用该方法对不同风速条件下航空煤油池火火焰“脉动”现象进行了分析。结果表明,池火在无风状态下自由燃烧时火焰脉动现象比较稳定,周期重复性较好,而在有风作用时,火焰的脉动波动性较大,不舰则程度加剧,具有多个脉动频率。