橫向風(fēng)作用下噴口間距對(duì)射流擴(kuò)散火焰特征的影響研究*

吳鵬志，劉長(zhǎng)春，姜 樺，宋方智，白楊陽(yáng)，劉思奇

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省工業(yè)過(guò)程安全與應(yīng)急救援工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710054)

0 引言

在燃?xì)夤艿阑蛉萜靼l(fā)生化學(xué)腐蝕或機(jī)械損傷情況下，泄漏燃?xì)鈽O易形成受環(huán)境橫向風(fēng)影響的射流火災(zāi)場(chǎng)景。目前，對(duì)于含有橫向風(fēng)影響的射流擴(kuò)散火焰，一般僅針對(duì)單個(gè)火源的火災(zāi)場(chǎng)景(單一泄漏點(diǎn))進(jìn)行研究[1-3]，實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)及生活中，因泄漏地點(diǎn)和原因的不確定性，導(dǎo)致多個(gè)泄漏點(diǎn)同時(shí)泄漏，形成多束火焰的火災(zāi)事故較多[4-6]。由于相鄰火焰間的相互作用，多火源火災(zāi)的燃燒行為會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)多個(gè)火焰間距較小，火焰對(duì)周?chē)目諝鈯A帶受到限制，火焰間壓差使火焰出現(xiàn)傾斜或合并行為，最終導(dǎo)致火焰燃燒特性發(fā)生變化，使火災(zāi)更具破壞性和不可控性[7]。為降低火災(zāi)危險(xiǎn)性和撲救難度，研究多束射流擴(kuò)散火焰燃燒行為的影響具有重要意義。

部分學(xué)者針對(duì)多束火焰燃燒行為影響展開(kāi)研究[8-11]：Baldwin[6]發(fā)現(xiàn)多束火焰相互作用的主要影響因素是火源間距，當(dāng)2束火焰間距變小，彼此將發(fā)生傾斜，并且當(dāng)火焰足夠接近時(shí)，2者合并；Putnam等[12]研究多噴口火焰相互作用規(guī)律，發(fā)現(xiàn)噴口距離、排列方式和噴口數(shù)量是多束火焰相互作用中主要影響因素；Liu等[13]研究多束矩形正庚烷火焰燃燒速率與排列間距關(guān)系，發(fā)現(xiàn)融合火焰的火焰燃燒速率大于單個(gè)火焰燃燒速率；Liu等[14]研究靜止條件下，雙噴口間距變化對(duì)火源不穩(wěn)定模式、脈動(dòng)頻率和火焰高度的影響，發(fā)現(xiàn)噴口間距是影響火焰周期性脫落、變化，形成交替蜿蜒火焰的主要原因之一。

針對(duì)多束火焰火災(zāi)的研究主要在靜止空氣中進(jìn)行，一般火災(zāi)多發(fā)生于有環(huán)境風(fēng)的開(kāi)放空間，且是浮力和風(fēng)耦合作用的火災(zāi)行為。針對(duì)環(huán)境風(fēng)作用的多束火焰場(chǎng)景研究較少，F(xiàn)an等[15]發(fā)現(xiàn)在有風(fēng)情況下，垂直于橫向風(fēng)的2個(gè)液體池火發(fā)生融合所需間距更??；Bo等[16]引入新的數(shù)學(xué)方法，量化有風(fēng)和無(wú)風(fēng)時(shí)火焰融合的可能性，抵消傳統(tǒng)方法中由于風(fēng)中火焰的廣泛振動(dòng)特性而導(dǎo)致的局限性和不確定性；Huang等[17-18]研究橫向風(fēng)條件下火焰穩(wěn)定機(jī)理和流場(chǎng)分布，并對(duì)射流擴(kuò)散火焰在下洗、橫向風(fēng)主控、過(guò)渡和燃料射流主控4種狀態(tài)時(shí)，近燃料噴管處流場(chǎng)特性展開(kāi)分析；Shang等[19]研究橫向風(fēng)條件下，不同噴管直徑的射流擴(kuò)散火焰的下洗長(zhǎng)度演變過(guò)程以及發(fā)生火焰下洗的臨界條件。

目前，針對(duì)橫向風(fēng)射流研究主要集中在單個(gè)火源火焰長(zhǎng)度和傾角等方面，對(duì)于多束火焰的研究主要集中于靜止環(huán)境中噴口尺寸、距離、排列方式和數(shù)量對(duì)火焰的影響。為貼近實(shí)際泄漏火災(zāi)情況，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究橫向風(fēng)作用下2個(gè)噴口間距變化對(duì)雙束火焰燃燒特征(火焰形態(tài)變化、火焰長(zhǎng)度、火焰融合概率、吹熄極限)的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

小型實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞結(jié)構(gòu)和風(fēng)速測(cè)量位置如圖1所示，其中，風(fēng)道尺寸為1.2 m×0.3 m×0.3 m，橫向風(fēng)由高壓漩渦風(fēng)機(jī)產(chǎn)生，通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)和PWM變頻器共同調(diào)節(jié)流量大小，同時(shí)采用導(dǎo)流板使風(fēng)洞內(nèi)空氣流速均勻。將出風(fēng)口劃分為4個(gè)等面積區(qū)域，采用熱線無(wú)線風(fēng)速儀測(cè)量每個(gè)面中心點(diǎn)的平均風(fēng)速，若風(fēng)速差值大于5%，則重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置和風(fēng)速測(cè)量點(diǎn)位示意Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment and measurement points of wind speed

Z型噴管分別由不銹鋼管焊接而成(內(nèi)徑φ分別為5，7，9 mm，壁厚0.5mm)，2噴管之間的距離通過(guò)滑塊控制。選取壓縮工業(yè)丙烷(99.7%)作為實(shí)驗(yàn)燃料，其流量由轉(zhuǎn)子流量速計(jì)(型號(hào)DK800-6)控制，誤差小于滿量程的2%。實(shí)驗(yàn)工況如表1所示，對(duì)于每種尺寸的噴嘴，考慮具有不同燃料流速、橫向風(fēng)速和噴嘴距離情況，每種情況重復(fù)3次。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍Table 1 Range of experimental parameters

1.2 火焰圖像處理

實(shí)驗(yàn)采用CCD攝像機(jī)(型號(hào)HDC-TM900、50 Hz幀率、1 280×1 600分辨率)記錄火焰圖像?；鹧鎴D像處理方法如圖2(a)～圖2(c)所示。射流擴(kuò)散火焰幾何特征參數(shù)選取流程為先對(duì)截取后的每一幀圖片進(jìn)行灰值化處理，通過(guò)調(diào)節(jié)閾值對(duì)灰值化圖片進(jìn)行二值化處理，截取視頻中1 000幀圖片作為分析對(duì)象，將火焰亮點(diǎn)出現(xiàn)概率為50%的火焰輪廓作為分析對(duì)象，以噴口中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，獲得火焰長(zhǎng)度Lf[1,3]。

圖2 火焰長(zhǎng)度和融合概率的獲取Fig.2 Acquisition of flame length and merging probability

在橫向風(fēng)作用下，隨噴口間距減小，2束火焰會(huì)發(fā)生持續(xù)性或間歇性融合現(xiàn)象，對(duì)此引入火焰融合概率Pm(0≤Pm≤1)表征不同融合行為，Pm等于火焰融合總時(shí)間tm與視頻總時(shí)間t的比值[20]，如式(1)所示：

(1)

考慮視頻記錄速度不變，利用火焰發(fā)生融合幀數(shù)nm與采集總幀數(shù)n的比值，計(jì)算火焰融合概率，其中，對(duì)于每幀圖片是否重合的判斷如圖2(d)～圖2(e)所示，當(dāng)2束火焰重合區(qū)域分布概率P>50%時(shí)，判斷為融合，反之，當(dāng)概率P<50%時(shí)為不融合。

根據(jù)Liu等[5]定義，假設(shè)Pm≥90%時(shí)為連續(xù)融合火焰；10%≤Pm<90%時(shí)為間歇性融合火焰；Pm<10%時(shí)火焰相互分離。

2 結(jié)論與分析

2.1 噴口間距對(duì)火焰燃燒形態(tài)的影響

橫向風(fēng)作用下雙噴口火焰?zhèn)纫晥D如圖3所示，當(dāng)噴口間距s=0 mm時(shí)，2束火焰相互融合，隨橫向風(fēng)速增加，火焰形態(tài)類(lèi)似于單噴口火焰，火焰傾斜角度發(fā)生明顯改變，噴口背風(fēng)側(cè)形成負(fù)壓區(qū)，火焰出現(xiàn)下洗現(xiàn)象；隨橫向風(fēng)速進(jìn)一步增加，火焰下洗區(qū)域增加，火焰長(zhǎng)度明顯減小且呈現(xiàn)淡藍(lán)色火焰，此時(shí)火焰傾角趨近90°；保持燃料流速和風(fēng)速不變，增加噴口間距，更容易導(dǎo)致火焰吹熄。

圖3 橫向風(fēng)作用下雙噴口火焰形態(tài)特征演變過(guò)程側(cè)視圖(φ=5 mm)Fig.3 Side view on evolution process of flame shape characteristics of dual nozzles under cross-wind(φ=5 mm)

圖4(a)是火焰變化時(shí)序，當(dāng)燃料流速和橫向風(fēng)速不變，噴嘴間距s=0 mm時(shí)，火焰在頸部上方發(fā)生持續(xù)性融合，火焰燃燒形態(tài)類(lèi)似單噴口火焰；隨噴口間距增加，2束火焰發(fā)生間歇性融合現(xiàn)象，并彼此向內(nèi)傾斜；當(dāng)噴口距離s≥60 mm時(shí)，火焰獨(dú)立燃燒，相互之間沒(méi)有顯著影響。由圖4(b)可知，在燃料流速u(mài)f=0.37 m/s時(shí)，隨橫向風(fēng)速增加，火焰對(duì)氣流夾帶作用增強(qiáng)，氣流對(duì)火焰冷卻能力大于供氧能力?；谖墨I(xiàn)[21]研究結(jié)果，火焰對(duì)燃料輻射反饋隨橫向風(fēng)速增加而減少，對(duì)流和傳導(dǎo)對(duì)燃料的反饋，隨橫向風(fēng)速增加而增加，綜合作用結(jié)果為火焰燃燒速度加快，火焰間擺動(dòng)和融合現(xiàn)象逐漸消失。由圖4(c)可知，在橫向風(fēng)速u(mài)∞=0.94 m/s時(shí)，隨燃料流速增加，火焰融合現(xiàn)象明顯，主要表現(xiàn)為火焰前端融合區(qū)域增加，主要原因是大量噴出的燃料，伴隨氣流夾帶與氧氣混合，在2噴管前方持續(xù)性的混合燃燒，大量燃料燃燒對(duì)2束火焰彼此之間空氣的競(jìng)爭(zhēng)增強(qiáng)。

圖4 橫向風(fēng)作用下雙噴口火焰形態(tài)特征演變過(guò)程俯視圖(φ=5 mm)Fig.4 Top view of evolution process of flame shape characteristics of dual nozzles under cross-wind (φ=5 mm)

橫向風(fēng)作用下雙噴口火焰流場(chǎng)變化俯視示意如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)噴口間距s=0 mm時(shí)，2束火焰發(fā)生持續(xù)性融合現(xiàn)象，火焰燃燒形態(tài)與單噴口火焰類(lèi)似；當(dāng)噴嘴間距較小時(shí)，由于2束火焰對(duì)內(nèi)外空氣的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度不同，內(nèi)外壓差使2束火焰彼此向內(nèi)傾斜，并且火焰間存在較強(qiáng)的熱反饋?zhàn)饔?，使其前端發(fā)生間歇性融合現(xiàn)象；當(dāng)噴嘴間距繼續(xù)增大，壓差和熱反饋效應(yīng)影響不能使火焰前端彼此傾斜融合，并且2束火焰間的氣流由于受熱不均勻，形成交替渦旋，從而影響火焰周期性脫落和變化；當(dāng)噴口間距增大到一定程度時(shí)，2束火焰間互不影響，各自獨(dú)立燃燒。

圖5 橫向風(fēng)作用下雙噴口火焰流場(chǎng)變化俯視示意Fig.5 Top view of schematic diagram of flame flow field change of dual nozzles under cross-wind

綜上，橫向風(fēng)條件下射流火焰間距離改變，會(huì)導(dǎo)致火焰間發(fā)生傾斜、融合和擺動(dòng)等現(xiàn)象，從而增加射流火焰間的相互作用。在實(shí)際生產(chǎn)和生活中，預(yù)防和減少近距離內(nèi)多束射流火焰的發(fā)生，可有效降低火災(zāi)危險(xiǎn)性。

2.2 噴口間距對(duì)火焰長(zhǎng)度的影響

無(wú)量綱火焰長(zhǎng)度Lf/φ隨噴口間距s的變化曲線如圖6所示。當(dāng)燃料流速較大且橫向風(fēng)較小時(shí)，火焰無(wú)量綱長(zhǎng)度隨噴口間距增加，呈先略微增大后逐漸減小致平穩(wěn)趨勢(shì)。因?yàn)閲娍陂g距從0逐漸增大的過(guò)程，等同于增大火焰與空氣的接觸面積，使2束火焰對(duì)氣流的夾帶作用增強(qiáng)，火焰間發(fā)生傾斜和融合現(xiàn)象，如圖6(a)所示，并且火焰融合會(huì)促進(jìn)火焰間的熱反饋?zhàn)饔?，?dǎo)致火焰長(zhǎng)度略微增加。隨噴口間距繼續(xù)增大，火焰間融合現(xiàn)象和熱反饋?zhàn)饔弥饾u消失，呈單束火焰燃燒狀態(tài)，火焰長(zhǎng)度逐漸減小并趨于平穩(wěn)。因此，增加2束射流火焰距離，有助于降低火焰間的相互作用，減小火焰拉伸長(zhǎng)度，降低2束或多束射流火災(zāi)危險(xiǎn)性。

圖6 無(wú)量綱火焰長(zhǎng)度Lf/φ隨噴口間距s的變化曲線(φ=5 mm)Fig.6 Variation curves of dimensionless flame length Lf/φ with nozzle spacing s (φ=5 mm)

燃料流速較小或橫向風(fēng)速較大時(shí)，動(dòng)量比R值較小，這時(shí)火焰形態(tài)主要受橫向風(fēng)剪切力作用，火焰拉伸長(zhǎng)度較短，燃燒速度較快，擺動(dòng)幅度弱，火焰長(zhǎng)度受?chē)娮扉g距影響較弱，如圖6(b)～圖6(c)所示。

2.3 噴口間距對(duì)火焰融合概率的影響

不同燃料流速、橫向風(fēng)速和噴口間距下火焰融合概率曲線如圖7所示，在相同噴口間距和橫向風(fēng)速下，火焰間融合概率隨燃料流速增加而增加，與圖4(c)中結(jié)果一致。在燃料流速和風(fēng)速都不變的情況下，火焰融合概率Pm隨噴口間距增加而降低，該結(jié)果與文獻(xiàn)[17]的結(jié)果一致。

圖7 火焰融合概率Pm隨噴口間距s的變化曲線(φ=5 mm)Fig.7 Variation curves of flame merging probability Pm with nozzle spacing s (φ=5 mm)

假定Pm=50%時(shí)，對(duì)應(yīng)噴口間距定義為火焰臨界融合間距sc如圖8所示，隨橫向風(fēng)速增加，2束火焰的臨界融合間距均呈先增加后減小趨勢(shì)。原因是隨橫向風(fēng)速緩慢增加，氣流夾帶作用和供氧能力占據(jù)主導(dǎo)，此時(shí)2束火焰擺動(dòng)強(qiáng)烈，火焰臨界融合間距存在1個(gè)極大值；當(dāng)繼續(xù)增大風(fēng)速，氣流對(duì)火焰的冷卻作用占據(jù)主導(dǎo)，此時(shí)火焰顏色逐漸變藍(lán)，長(zhǎng)度減小，2束火焰擺動(dòng)逐漸減弱，臨界融合間距逐漸減小。

圖8 火焰臨界融合間距sc隨橫向風(fēng)速u(mài)∞的變化曲線Fig.8 Variation curves of flame merging spacing sc with cross-wind speed u∞

2.4 噴口間距對(duì)火焰吹熄極限的影響

火焰吹熄極限工況曲線如圖9所示，在實(shí)驗(yàn)風(fēng)速范圍內(nèi)，隨燃料流速增加，火焰吹熄所需橫向風(fēng)速總體呈減小趨勢(shì)。主要因?yàn)殡S燃料流速增加，火焰底部開(kāi)始形成空隙，直至噴口上方?jīng)]有連續(xù)火焰，火焰發(fā)生推舉現(xiàn)象進(jìn)而導(dǎo)致吹熄。

圖9 火焰吹熄極限工況Fig.9 Curves of flame blow-out limit conditions

隨噴口間距增大，火焰更容易發(fā)生吹熄，該現(xiàn)象在圖3中也可以觀察到，這主要是當(dāng)噴口間距較小時(shí)，相當(dāng)于增大背風(fēng)側(cè)低壓漩渦區(qū)，燃料能夠在漩渦處快速混合，擁有穩(wěn)定點(diǎn)火源，并且足夠靠近的2束火焰會(huì)彼此傾斜和融合，融合火焰間的燃燒作用比單個(gè)火焰燃燒作用強(qiáng)[14]。因此，在實(shí)際生產(chǎn)生活中，應(yīng)減少多束射流融合火焰發(fā)生，有效降低火災(zāi)撲救難度。

3 結(jié)論

1)在橫向風(fēng)速u(mài)∞及噴口間距s較小的情況下，2束火焰因空氣夾帶競(jìng)爭(zhēng)，彼此相互傾斜，同時(shí)火焰間區(qū)域壓力降低，使火焰發(fā)生融合?；鹧骈g的融合現(xiàn)象隨噴口間距或橫向風(fēng)速增加而逐漸減弱，隨燃料流速增加而逐漸加強(qiáng)。

2)在橫向風(fēng)速u(mài)∞較小或燃料流速u(mài)f較大情況下，隨噴口間距s增加，2束火焰間氣流夾帶和熱反饋?zhàn)饔迷鰪?qiáng)，火焰被少量拉伸，但隨s繼續(xù)增加，該相互作用逐漸消失，火焰長(zhǎng)度逐漸減小致平穩(wěn)。

3)通過(guò)引入火焰融合概率Pm定量表征火焰的融合行為，隨噴口間距增加，火焰融合概率Pm逐漸減小，隨橫向風(fēng)速增加，由于氣流對(duì)火焰的冷卻能力逐漸大于供氧能力，臨界融合間距sc會(huì)先增加后減小。當(dāng)燃料流速u(mài)f較大時(shí)，火焰易發(fā)生推舉現(xiàn)象，從而導(dǎo)致吹熄風(fēng)速較??；噴口間距s較小時(shí)，燃料容易在噴口后方低壓區(qū)快速混合，火焰融合增強(qiáng)火焰間的相互作用，導(dǎo)致發(fā)生吹熄所需橫向風(fēng)速較大。

4)橫向風(fēng)條件下,2束射流火焰間的競(jìng)爭(zhēng)、傾斜、融合以及擺動(dòng)行為會(huì)增強(qiáng)火焰間的相互作用，增加射流火災(zāi)危險(xiǎn)性。在實(shí)際生產(chǎn)和生活中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)2束及多數(shù)射流火焰的研究，以預(yù)防和減少此類(lèi)火災(zāi)的發(fā)生，降低此類(lèi)火災(zāi)的撲救難度。