矩形噴口射流火火焰軸向溫度研究

沈 燕，陶常法，宗若雯,3*，支有冉

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026； 2.合肥工業(yè)大學(xué)動(dòng)力機(jī)械及工程系，合肥，230009；3.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州城市公共安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘇州，215123； 4.南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，南京，211167)

矩形噴口射流火火焰軸向溫度研究

沈 燕1，陶常法2，宗若雯1,3*，支有冉4

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026； 2.合肥工業(yè)大學(xué)動(dòng)力機(jī)械及工程系，合肥，230009；3.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州城市公共安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘇州，215123； 4.南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，南京，211167)

隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)低碳化的發(fā)展，天然氣產(chǎn)業(yè)在我國(guó)得到進(jìn)一步升級(jí)。在利用高壓管道進(jìn)行輸運(yùn)的過(guò)程中，因泄漏而引發(fā)的天然氣火災(zāi)爆炸事故時(shí)有發(fā)生。實(shí)驗(yàn)以甲烷為燃料，研究不同開(kāi)口特征下(長(zhǎng)寬比n=1,2.25,4,9,16)矩形火源火焰中心軸線的溫度分布。研究表明，火焰溫度隨熱電偶相對(duì)位置的變化呈現(xiàn)出三段分布的規(guī)律。通過(guò)引入虛點(diǎn)源Z0對(duì)經(jīng)典羽流模型進(jìn)行修正，發(fā)現(xiàn)不同長(zhǎng)寬比下無(wú)量綱虛點(diǎn)源與火焰佛羅德數(shù)Frf呈現(xiàn)一定的函數(shù)關(guān)系，且無(wú)量綱溫度在高度方向上仍呈現(xiàn)三段式分布。

矩形噴口；射流火；軸向溫度；虛點(diǎn)源

0 引言

近年來(lái)，隨著能源結(jié)構(gòu)低碳化的發(fā)展，我國(guó)天然氣利用的步伐逐年加快，現(xiàn)已基本形成華北、東北、中部、西部地區(qū)以及長(zhǎng)江三角洲和中南地區(qū)管網(wǎng)的主體框架。在利用高壓管道輸送天然氣的過(guò)程中，因地形地貌復(fù)雜，自然災(zāi)害以及建筑施工等都可能導(dǎo)致管線受損從而引發(fā)泄漏；高速噴出的氣體快速擴(kuò)散，遇明火或放電火花將形成氣體射流火。

自20世紀(jì)四五十年代，就已經(jīng)有關(guān)于氣體射流火的相關(guān)研究，特別是在火源形狀、火焰溫度、輻射強(qiáng)度等方面，相關(guān)研究已較為深入[1-13]。在火焰溫度方面，Mcaffrey[14]基于邊長(zhǎng)為0.3 m的氣體燃燒器實(shí)驗(yàn)，提出了經(jīng)典的火羽流三段分布模型，從而可以在整個(gè)羽流范圍內(nèi)對(duì)溫度進(jìn)行統(tǒng)一的描述。Gómez-Mares等[15]對(duì)大型豎直氣體射流火(D=12mm～30mm)軸向溫度分布進(jìn)行了預(yù)測(cè)，建立了火焰中心軸線溫度和該溫度在中心線上相對(duì)位置的一個(gè)函數(shù)。王[16]，HU等[17]通過(guò)引入虛點(diǎn)源對(duì)不同氣壓環(huán)境下的圓形噴口火焰軸向溫度分布模型進(jìn)行了修正，發(fā)現(xiàn)兩種壓力環(huán)境下所有的數(shù)據(jù)都具有較好的收斂性，且在高度方向上溫度仍然呈現(xiàn)出三段分布規(guī)律。張[18]對(duì)自由邊界條件下不同長(zhǎng)寬比矩形火源浮力羽流區(qū)中心線溫度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)羽流中心線佛羅德數(shù)隨火源佛羅德數(shù)的增大而增大。而上述研究大都基于軸對(duì)稱火源，對(duì)矩形火源軸向溫度分布的研究也僅限于浮力羽流區(qū)。本文通過(guò)在矩形火源中引入虛點(diǎn)源的概念，從而能夠?qū)φ麄€(gè)羽流區(qū)內(nèi)的溫度進(jìn)行統(tǒng)一描述。

天然氣泄漏源頭多種多樣，火源形狀也各有不同。由于天然氣具有較大的燃燒熱值和火焰高度，且其主要成分是甲烷，因此研究基于不同開(kāi)口特征下甲烷氣體射流火焰的溫度分布規(guī)律，有助于我們更好地掌握此類災(zāi)害的特點(diǎn)，從而為我們安全高效地利用清潔能源提供保障。

符號(hào)表

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental setup

1 實(shí)驗(yàn)布置和測(cè)量

圖1為研究矩形射流火火焰中心軸線溫度的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。矩形噴口的尺寸分別為6 mm×6 mm，4 mm×9 mm，3 mm×12 mm，2 mm×18 mm 和1.5 mm×24 mm。5個(gè)噴口具有相同的截面積，長(zhǎng)寬比從1∶1過(guò)渡到1∶16。距離矩形噴口1.6 m的CCD攝像機(jī)被用來(lái)實(shí)時(shí)記錄火焰高度。輻射計(jì)與攝像機(jī)位于同一側(cè)，距離噴口1.9 m；置于噴口正上方的熱電偶樹(shù)用來(lái)測(cè)量火焰中心軸線溫度，表1中列出了熱電偶與噴口之間的距離。實(shí)驗(yàn)所用氣體均為甲烷。甲烷氣瓶和矩形噴嘴之間用橡膠管連接，中間接有流量計(jì)，通過(guò)調(diào)節(jié)流量計(jì)獲得所需流量。每個(gè)矩形噴口各開(kāi)展5種實(shí)驗(yàn)工況，具體情況如表1所示。實(shí)驗(yàn)均在無(wú)風(fēng)條件下進(jìn)行，室溫保持在20±2 ℃，大氣壓強(qiáng)為101±5 kPa?；鹧骈L(zhǎng)度的獲取方法在文獻(xiàn)[18]中已有詳細(xì)描述，本實(shí)驗(yàn)中選取間歇率為50%時(shí)作為火焰長(zhǎng)度。

表1 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 火焰溫度分布

圖2 火焰軸向溫度分布情況Fig.2 Axial flame temperature distribution

表2列示了當(dāng)n=16時(shí)熱電偶距離噴口高度與火焰長(zhǎng)度的比值，該比值為熱電偶在火焰中心軸線上的相對(duì)位置。圖2給出了火焰軸向溫度隨熱電偶相對(duì)位置的變化情況。從圖2中可以看出，火焰軸向溫度分布可以分為三段：上升階段(0%～40%)，相對(duì)平穩(wěn)階段(40%～90%)和下降階段(>90%)。這種現(xiàn)象可以歸結(jié)為空氣與燃料的混合以及熱平衡[15]。在上升階段，空氣與燃料開(kāi)始混合，但仍處于貧氧狀態(tài)。因此燃燒速率相對(duì)較慢，火焰軸向溫度較低。而在平穩(wěn)階段，除反應(yīng)的氣體已被預(yù)熱外，充足的氧氣使得燃料可以充分燃燒，因此火焰溫度在該區(qū)域達(dá)到最大值且波動(dòng)較小。當(dāng)燃料逐漸被消耗，加上不斷有外界空氣被卷吸進(jìn)入火焰并對(duì)其進(jìn)行冷卻，火焰溫度開(kāi)始呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。

表2 熱電偶距離噴口高度與火焰高度的比值(n=16)

2.2 虛點(diǎn)源的分析與討論

虛點(diǎn)源是一個(gè)被用來(lái)修正羽流模型中豎向高度的假定的點(diǎn)源。經(jīng)典羽流模型假設(shè)火焰產(chǎn)生的垂直上升氣流由一個(gè)熱源發(fā)出，其中心軸線溫度分布可用式(1)表示。

(1)

用虛點(diǎn)源對(duì)豎向高度進(jìn)行修正，即把修正后的豎向高度Z-Z0帶入方程式(1)，可得到式(2)。

(2)

以往研究表明，軸對(duì)稱火羽流中心線溫度分布與高度滿足-5/3次方的關(guān)系[19-21]。張[18]在其論文中擬合了不同長(zhǎng)寬比(1∶1～1∶71.25)下矩形火源溫度與高度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)長(zhǎng)寬比為5時(shí)，矩形噴口燃燒器的指數(shù)關(guān)系最小，呈-2次方關(guān)系；之后開(kāi)始隨著長(zhǎng)寬比的增大逐漸增長(zhǎng)，直到其中心線溫度指數(shù)關(guān)系傾向于線性火源關(guān)系。此外，當(dāng)高度達(dá)到一定值時(shí)，羽流規(guī)律會(huì)逐漸傾向于軸對(duì)稱形式。因此，在本文中統(tǒng)一取-5/3次方作為火焰中心軸線溫度與高度之間的指數(shù)關(guān)系。故可將方程(2)改寫(xiě)為：

(3)

圖3給出了虛點(diǎn)源的求解方法。以長(zhǎng)寬比為2.25、熱釋放速率為2.58 kW這一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，將Φ和Z進(jìn)行線性擬合，擬合的直線在x軸上的截距就是虛點(diǎn)源Z0的值。

圖3 虛點(diǎn)源的求解(n=2.25，HRR=2.58 kW)Fig.3 Deducing of virtual origins (n=2.25, HRR=2.58 kW)

Delichatsios[19]提出了火焰佛羅德數(shù)的概念。對(duì)于噴射入靜止環(huán)境中所產(chǎn)生的射流火焰而言，佛羅德數(shù)(Frf)是影響火焰長(zhǎng)度的主要因素。即Frf是表示火焰中射流初始動(dòng)量與作用在火焰上的浮力之比?？梢员硎緸椋?/p>

(4)

f

(5)

式中C為方程式的系數(shù)。圖5給出了系數(shù)C隨矩形噴口長(zhǎng)寬比的變化情況。如圖5所示，當(dāng)n的值為2.25時(shí)，系數(shù)C迅速增大。但總體上系數(shù)C隨噴口長(zhǎng)寬比的增大呈上升趨勢(shì)。

圖4 不同長(zhǎng)寬比下無(wú)量綱虛點(diǎn)源非線性擬合Fig.4 Non-dimensional correlation of virtual origin for all rectangular nozzles

圖5 系數(shù)C隨長(zhǎng)寬比的變化Fig.5 The relationship between coefficient C and aspect ratio of the rectangular nozzle

(6)

圖6 無(wú)量綱溫度分布圖Fig.6 The dimensionless temperature distribution

圖7 矩形噴口射流火中心軸線無(wú)量綱火焰溫度擬合(n=9)Fig.7 Correlation of dimensionless axial temperature profile for rectangular jet fires (n=9)

以矩形噴口長(zhǎng)寬比n=9為例，在圖7中可以看到無(wú)量綱溫度仍然呈現(xiàn)出明顯的三段分布。我們用方程式(6)對(duì)三段區(qū)域分別進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖7所示。與Mcaffrey[14]的模型進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)在連續(xù)火焰區(qū)和間歇火焰區(qū)，η的數(shù)值與經(jīng)典模型求解的結(jié)果一致。但在浮力羽流區(qū)，η的結(jié)果為-2，略小于Mcaffrey求解的數(shù)值-5/3。

表3為不同長(zhǎng)寬比下矩形噴口火焰溫度分布擬合結(jié)果。從表3中各段擬合情況看，不同長(zhǎng)寬比下各區(qū)域η的值分別為0、-1、-2，這與圖6中不同火焰區(qū)域無(wú)量綱溫度基本呈平行分布的現(xiàn)象一致。

表3 火焰溫度分布擬合結(jié)果

3 結(jié)論

本文對(duì)不同長(zhǎng)寬比下矩形火源中心軸線的溫度分布進(jìn)行了研究。主要結(jié)論如下：

(1)火焰中心軸線溫度隨自身火焰長(zhǎng)度呈現(xiàn)三段式分布。在火焰長(zhǎng)度0%～40%的部分火焰溫度逐漸上升；40%～90%的部分火焰溫度相對(duì)平穩(wěn)；到90%以后火焰溫度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這與燃燒的充分程度和外界空氣卷吸有關(guān)。

(2)通過(guò)用虛點(diǎn)源對(duì)矩形火焰豎向高度進(jìn)行修正，發(fā)現(xiàn)不同長(zhǎng)寬比下無(wú)量綱虛點(diǎn)源與火焰佛羅德數(shù)Frf呈現(xiàn)較好的函數(shù)關(guān)系，如公式(5)和圖4所示。

(3)將虛點(diǎn)源引入經(jīng)典羽流模型，得到無(wú)量綱溫度與無(wú)量綱高度之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)矩形火源中心軸線無(wú)量綱溫度仍呈現(xiàn)三段分布的規(guī)律。通過(guò)擬合得出了不同區(qū)域無(wú)量綱溫度分布模型指數(shù)因子η的數(shù)值。與經(jīng)典模型相比，除浮力羽流區(qū)η等于-2相較于-5/3略小，連續(xù)火焰區(qū)和間歇火焰區(qū)的指數(shù)因子均與經(jīng)典模型中相同，分別為0和-1。

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Axial temperature distribution of vertical jet flames from rectangular nozzles

SHEN Yan1, TAO Changfa2, ZONG Ruowen1,3*, ZHI Youran4

(1. State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China; 2. School of Automotive and Traffic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 3. Suzhou Key Laboratory of Urban Public Safety, Suzhou Institute for Advanced Study, University of Science and Technology of China, Suzhou 215123, China; 4. Institute of Mechanical Engineering, Nanjing Institute of Technology Nanjing, Nanjing 211167, China)

Extensive use of natural gas requires high pressure pipelines. During the transportation of natural gas, it is easy to be fired and blasted caused by the leakage. In this paper, the axial temperature distribution of vertical methane jet flames from rectangular nozzles has been studied. The aspect ratio of the rectangular nozzles ranges from 1 to 16. The result shows that the axial temperature can be characterized into three regions based on axial position in the flame. The virtual origin has been deduced and it is a function of flame Froude number (Frf). It is also found that the axial temperature against dimensionless height (modified by virtual origin) can be divided into three zones.

Rectangular nozzles; Jet flames; Axial temperature; Virtual origins

2016-08-18；修改日期：2016-10-31

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51576185，51606092)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0802101)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(WK2320000034)

沈燕(1990-)，女，安全科學(xué)與工程碩士研究生，研究方向?yàn)闅怏w射流火。

宗若雯，E-mail: zongrw@ustc.edu.cn

1004-5309(2017)-00087-06

10.3969/j.issn.1004-5309.2017.02.04

X932

A