不同条件下油盘火燃烧特性

张轶峰

（中国人民武装警察部队学院，河北　廊坊）

摘要：油盘火燃烧是一种复杂的多方面综合的现象，本文在认真研读前人的实验基础上并结合自己在实际实验中发现的问题，从火焰的两个个方面（火焰高度、火焰辐射与温度）在不同的实验条件下，包括气压的不同、风速的不同、油盘大小的不同等介绍油盘火焰燃烧特性。说明了随着气压增高火焰高度会呈现出下降的趋势。同时风速的高低直接影响着火焰高度的高低；以及在不同气压下火焰辐射与温度与之成非线性的增长或降低。

关键词：火焰高度；火焰辐射；气压；风速

1　引言

燃烧是一种复杂的自然现象，不仅仅是只有化学反应，而是反应、流动、传热和传质并存、相互作用的综合现象。大至由于燃烧失控而形成的火灾或小至生活生产用火，而不论什么燃烧都具有其共同的特性。譬如火焰高度，在判别一场火势的大小时人们也会把火焰高度作为一个参考，这也是研究火焰高度具体的原因，火焰高度是否影响着火焰的热辐射值跟温度。又比如火焰辐射热，每个火焰都会发出辐射热来，只不过有些火焰的辐射热值高而有些火焰的较低。同时在研究火焰辐射时可以应用于防火间距的确定，是因为火焰辐射对相邻建筑的影响起主要作用，而在灭火中也往往因为火场中辐射的影响让消防人员难以靠近灭火。所以在研究火焰特性更加深入后会对生产生活具有进一步有意义的指导作用，本文也是通过前人及作者参与的对火焰的研究而总结出更加具体的不同条件下火焰燃烧的特性。

2　火焰高度

平时应用于测量火焰高度时使用的方法主要有目测法、特征参数法、图像观测法。目测法方法简单但是因为准确度不高，所以在实验中很少会拿目测法所观察的现象作为依据。特征参数法是一种较为精密的测量方法，它通过检测火焰内部各种参数，如压力、电荷等从而获得高度的方法，但也因为对仪器设备地要求较高，所以在平时的实验中并不常见。图像观察法的理论依据是通过利用图像来间接观察火焰高度的变化，然后标记火焰位置来计算平均火焰高度和火焰脉动频率，一般是用高速摄像仪来进行实验的。

之所以在实验中要测量火焰的高度，是因为火焰高度在一定情况下会影响火焰的温度与热辐射。而之前大多数学者认为火焰高度并不影响火焰的温度与辐射，但是在通过燃烧正己烷实验已证实，高度不同火焰温度与辐射热有显著变化。实验是通过相同的油盘不同的高度进行，对于三个不同的测试高度（0.72m、1.32m和1.92m），通过热电偶在不同火焰高度位置进行测量，并得出，高度不同时火焰温度不同。但笔者觉得这个实验还是可以进行进一步地改进，热电偶并不准确，因为热电偶测试的也是某个区域的温度，它并不精确，作者认为可以参考狭缝实验的方法，放置辐射探测仪，这样可以定点的测量，可以更加精确。

火焰高度作为影响燃烧辐射的一个重要因素，它可以受到各种条件的影响，比如油盘的直径的大小、风速、气压等。

2.1　油盘直径的影响

从理论上来说在油盘直径较小时火焰浮力受到卷吸影响不大，火焰不发生脉动现象，而随着油盘直径的不断增大，火焰高度会由于火焰浮力自身受到了卷吸作用的影响越来越大而变得越来越高。

在做航空煤油实验中，作者分别应用了0.1m、0.2m、0.3m、0.4m、0.5m、0.6m的油盘进行实验，实验数据如图1所示。在原油实验中李姗姗博士应用了直径分别为1.5m、2m、3m和5m，圆盘深度为0.15m的实验仪器，经过实验表明1.5m直径油池池火灾火焰平均高度为2.34m，2m直径油池池火灾火焰平均高度为3.01m，3m直径油池池火灾火焰平均高度为7.88m，5m直径油池池火灾火焰平均高度为9.31m。另一位作者张铖铖也做了类似的实验，他做的油罐实验数据如图2，可以看出火焰高度随油罐开口因子的变大而变大。

从上述实验中可以看出，火焰高度（H）会随着油盘直径（D）的变大而变高，这与理论研究相一致。

2.2　风速对火焰高度的影响

在无风条件下，火焰高度主要是由油盘直径大小控制。而具体影响在上面图示中也可以看出，随着油盘的直径变大而变大。而在有风的条件下，庄磊博士应用油盘进行的池火研究中显示油盘火焰平均火焰高度随风速的增大基本呈下降趋势，当风速达到一定值时平均火焰高度趋于稳定。如图3所示，风速对直径（D）不同的油盘的火焰高度（H）所带来的影响。

而同样在张铖铖学者应用小尺度油罐研究模型中看出在同一油罐下火焰高度随着风速的增加火焰高度降低，而火焰则在侧向被拉伸变长。也同样说明了，不论在池火还是油罐中的火焰，均因为风的存在而变低。

而在Wang H Y对火焰长度的研究中表明，虽然火焰高度在风速的影响下会发生变化，但对于同一油罐在不同风速下火焰长度仅与热释放速率和油罐开口因子有关：

　　 （1） 　　

也可以从两个人的研究中看出一是风速在一定区域段对火焰高度有重要的影响。二是随着液池直径的变大，风速对火焰高度的影响逐渐变大。这里得考虑一个侧风对火焰高度的影响，因为侧风会影响火焰对空气的卷吸作用，在侧向风速较小情况下，相对于自由燃烧的浮力作用，侧向风对火焰高度具有重要影响，随着风速的增加油池火焰高度明显下降，当风速增加到一定值后，火焰度基本保持不变，其高度受油池自由燃烧的浮力主导控制。

2.3　气压对火焰高度的影响

在油盘半径增大的同时，火焰会出现脉动现象，也就是说火焰会很不稳定地跳动，这是因为由于空气卷吸对火焰自身浮力所造成的影响越来越明显。这就为测量火焰高度增加了难度，所以许多学者就定义了平均火焰高度。对于平均火焰高度，有不同的理解，大致为平均火焰高度是卷入的空气与可燃气体恰巧完全反应时对应的高度。应用高速摄像仪可以捕捉到火焰不同时刻的样子，然后再用Matlab等图像处理，这是测量火焰高度及倾角的方法。在不同气压下关于对火焰的影响，有学者做了西藏与平原的对比实验，而这只能对比出两种气压之间火焰高度有何区别，并不能说明火焰高度与气压之间有何种联系。为了能够模拟出气压不同的条件，需要一个密闭的空间然后利用气压泵或者抽气真空泵来改变空间的气压。

对于西藏与平原地区的气压不同对火焰高度的影响可以从实验中得出，如图4所表明西藏地区的平均火焰高度要高于平原地区。

在密闭气压仓里可以验证这个结论，通过变压力仓里改变环境的压力以及加大或减小火源功率，如图5所表明可以得出相同的火焰功率下随着压力的增加火焰的高度在不断的减小。

2.4　火焰高度理论计算

在应用Thomas经验公式时要注意一下几个问题，一是假设油盘外形是圆的，如果不是圆形，那还要做些处理；二是该公式是假设在无风条件下，因为在有风条件下火焰高度将会变低。

当知道该液体质量燃烧速率后应用如下公式就可求算：

　　 （2） 　　

式中，L为火焰高度，m；R为火焰半径（即液池半径），m；m为可燃液体的单位面积的质量燃烧速度，kg/（m2·s）；ρa为周围环境空气密度，环境温度20℃时，取1.205kg/m3；g为重力加速度，取9.81m/s2。

对于非圆形的液池，采用当量半径的方法计算。液池的有效半径R的计算公式为：

　　 （3） 　　

式中，s为非圆形液池的面积。

同时我们也可以应用Heskestad经验公式进行火焰高度的计算公式为：

Heskestad经验公式

　　 （4） 　　

式中，Qc为热释放速率，Qc=0.25×3.14×D2×η× Hc×m'；η为燃烧效率；Hc为燃料燃烧热，原油燃烧热43890kJ/kg。

两者公式与实际值的差别为：Heskestad经验公式所得出的数据偏小包括与Thomas经验公式相比；而Thomas经验公式随着油盘直径的变大也会与实际值有差别，相对来说Heskestad经验公式相对保守些。

在有风条件下，由于侧风对火焰卷吸的影响无法很好的得出相应的计算公式，现行的办法只能依靠数据拟合得出相应的曲线。

3　火焰温度与辐射

3.1　侧风的影响

在没有风的情况下，同种液体的火焰温度与热辐射的高低与油盘直径的大小有关（随着油盘直径的变大而变大），而且通过实验表明，火焰的温度与热辐射在油盘直径较小时变化不大，而在油盘直径变大到一定程度后火焰的温度与热辐射变化就显得剧烈起来。而且随着直径的增加，油池燃烧流动的湍流性增强，火焰羽流形状更接近圆柱体，这样在计算火焰辐射时就可以应用圆柱体模型进行计算。在上面也提到了火焰高度也会影响热辐射，且随之变高而变大。

当火焰受到侧风的影响时，火焰辐射会呈现出非线性的变化。在风速较低的情况下，当油盘直径较小时热辐射流随着风速增大而增大，在达到一定值时，又会随风速的增大而减小。这是因为火焰受到风的影响而倾斜，同时视角系数发生了变化（变大），火焰高度也会随着风速的影响发生变化，从而使得热辐射值发生了变化。当油盘直径较大时辐射热流值随着风速的增加而变大。这是因为随着油池直径的增大，燃烧产物的自身浮力变大，随着侧向风速的增大，下风向的火焰拖曳作用更强，火焰拉升变长，使得下风向的辐射热流值不断增强。见图6。

3.2　气压的影响

由于气压降低，环境中氧气质量密度会减小，同时燃烧化学反应速率会增大，这两方面因素将共同影响火焰温度的变化。同时，空气密度降低，影响卷吸作用的程度，从而使得对流空气换热能力减弱。还有一个问题，气压还会影响火焰碳黑生成，从而间接影响火焰温度（由于碳颗粒辐射热损失，一般而言火焰中碳颗粒越多其平均温度就会越低）。因此气压对于火焰温度的影响，是多方面因素复合作用的结果。在已有的研究工作中，可以看出在低压下火焰温度基本保持不变，但当气压大于常压时，火焰温度会随气压升高而降低。

凡是温度高于0K的物体都会向外界以电磁波的形式发射具有一定能量的粒子（光子），这个过程称为热辐射。火焰中产生辐射方式主要有：分子辐射，主要来源于CO2和水；黑体辐射，来源于火焰内碳黑造成的辐射。

根据前人的研究，低压下火焰辐射可认为保持稳定不变，且火焰辐射主要受碳黑浓度影响，因气压降低，导致了碳黑浓度降低，火焰辐射降低。

3.3　火焰辐射的理论计算

火焰辐射的理论计算现在应用最多的是点火源模型与Mudan模型。当通过前面的公式计算出了火焰高度及液体质量燃烧速率后就可以应用公式（5）来计算。

　　 （5） 　　

式中，E为火焰表面平均热辐射通量，kW/m2；f为热辐射系数，可取f=0.3；R为液池半径，m；m为可燃液体的单位面积的质量燃烧速度，kg/（m2·s）；L为火焰高度，m；Hc为液体燃烧热，kJ/kg。

3.3.1　点源模型

由于火焰燃烧形成的形状千奇百怪对火焰辐射的计算带来了较大的麻烦，所以在消防安全工程领域通常将池火火焰整体假设成一个具有辐射发射性的几何点，如图7所示称为点火源。

由点源模型所提出的方法可知，假设池火灾生成的火焰的总辐射能量由液池中心（P）的点火源辐射出来，则在距离池中心某一段距离R处，目标接收到的热辐射通量的计算公式为：

　　 （6） 　　

式中，I为目标接受热辐射通量，kW/m2；Q为总辐射能量，kW；tc为热传导系数，可取tc=1.0；R为目标点到液池中心的距离，m。

3.3.2　Mudan模型

q=EFτ 　（7）

式中，q为池火火焰对距离池中心水平距离为x的某一处目标点的热辐射通量，kW/m2；E为池火火焰表面平均热辐射通量，kW/m2；F为视角系数；τ为大气透射系数，可取τ=1–0.058lnx，x为目标点到液池中心的水平距离，m。如下为F视角系数的计算

　

在前人实验数据与两种模型相对比的情况下可以看出，Mudan模型得出的伤害范围要比点源模型得出的大，也就是说Mudan模型相对来说更加保守一些。

4　结论

（1）火焰高度会随着油盘直径的变大而变高；

（2）在无风条件下，火焰高度主要是由油盘直径大小控制，而在有风情况下随着液池直径的变大，风速对火焰高度的影响逐渐变大；

（3）相同的火焰功率下随着压力的增加火焰的高度在不断的减小；

（4）随着直径的增加，油池燃烧流动的湍流性增强，当油盘直径较小时热辐射流随着风速增大而增大，在达到一定值时，又会随风速的增大而减小；

（5）气压大于常压时，火焰温度会随气压升高而降低；

（6）气压降低，碳黑浓度降低，火焰辐射降低。

参考文献

[1] 黄金印. 烃类池火灾火焰温度分布[D]. 廊坊：中国人民武装警察部队学院，1998.

[2] 李姗姗. 油池火灾火焰高度关系模型的准确度研究[D]. 济南：山东大学，2014.

[3] 张铖铖. 小尺度油罐火燃烧特性与火焰图像特征参量变化规律[D]. 合肥：中国科学技术大学，2015.

[4] 庄磊. 航空煤油池火焰高度特征研究[D]. 北京：中国科技大学，2009.

[5] 徐伯乐. 西藏低压环境下对油池火灾的影响[D]. 合肥：中国科学技术大学，2005.

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[7] STEPHEN J. FISCHER. The structure and radiation of an ethanol pool fire[J]，2009.

[8] Hitoshi Kurioka. Fire properties in near field of square fire source with longitudinal ventilation in tunnels[J]，2002.