2.2.3 油料池火焰不同燃烧区域光谱特性分析
油料池火焰分为三个区域，分别为连续区、间歇区及烟气区，如图2.15所示。连续区主要包括汽化的液态燃料及燃烧产物等，为“富燃料区”，该区域温度较高；间歇区主要由燃烧产物组成，如CO2、H2O及烟尘颗粒等；烟气区则主要包括燃烧产生的气体及烟尘颗粒等。对火焰不同燃烧区域的光谱特征进行测试研究，可深入了解油料池火焰的发射光谱特征。
图2.15 油料池火焰不同燃烧区域示意图
将光谱仪置于火焰的侧方，距离火焰1m。调节火焰与光谱仪之间的相对高度，分别测试92⋕汽油、95⋕汽油池火焰连续区、间歇区、烟气区的火焰光谱。润滑油属于重质油，池火焰高度相对较小，因此只对润滑油池火焰的根部（连续区）及顶部（烟气区）的光谱进行了分析测试研究。实验测试平台如图2.16所示。
图2.16 火焰不同燃烧区域测试平台
由于火焰脉动等因素影响，火焰不同区域光谱信号包含较大噪声。图2.17所示是92⋕汽油池火焰烟气区光谱，从图中可以看出，信号受火焰脉动的影响较大，光谱曲线存在较大的噪声。
图2.17 包含噪声的92⋕汽油池火焰烟气区光谱
为消除噪声的影响并简化计算量，对原始光谱信号进行小波分解处理，选用db4小波基进行5层分解，以第5层低频系数作为光谱信号的基本信息。对多种油料的不同燃烧区域光谱特征小波分解处理结果如图2.18～图2.20所示，为避免火焰脉动的影响干扰光谱特征，每次处理均选用5次连续测量的光谱数据。如图2.18所示，92⋕汽油池火焰三个燃烧区域的光谱基本特征存在明显差别：在2.5～5.0μm波段范围内，火焰烟气区主要光谱特征为4.0～4.5μm波段范围内高温CO2发射峰，2.5～4μm波段范围内无明显特征；每组测量结果之间波动较大，分析原因是该区域火焰与空气换热剧烈，温度变化不稳定，火焰脉动频率较高，如图2.19所示，从左至右三幅图像测试间隔为0.2s，火焰顶端烟气区脉动变化明显。火焰间歇区的光谱特征同样是4.0～4.5μm波段范围内高温CO2发射峰， 2.5～3.0μm波段范围内炭黑粒子发射光谱强度较高，与烟气区相比，每组测量结果之间波动略小，表明该区域火焰脉动频率相对较低。火焰连续区的光谱特征明显，每组测量结果之间波动较小，表明该区域燃烧较为稳定，如图2.19中虚线内标注的部分；2.5～3.0μm波段范围内炭黑粒子发射光谱强度较高，且在3.4μm处存在C—H伸缩振动峰，表明92⋕汽油池火焰光谱在3.4μm处的特征峰可由高温油蒸气产生。
图2.18 92⋕汽油池火焰不同燃烧区域光谱特征
图2.19 95⋕汽油池火焰不同燃烧区域光谱特征
如图2.19所示，与92⋕汽油池火焰不同区域光谱特征相似，95⋕汽油池火焰三个燃烧区域的光谱特征差异明显，烟气区的光谱特征体现在4.0～4.5μm波段范围内高温CO2发射峰，2.5～4.0μm波段范围内无明显特征，火焰的脉动导致光谱的重复性较差；火焰间歇区光谱特征是4.0～4.5μm波段范围高温CO2发射峰，2.5～3.0μm波段范围内炭黑粒子发射光谱强度相对更高；火焰连续区光谱特征明显，每组测量结果之间波动较小；2.5～3.0μm波段范围内炭黑粒子发射光谱强度更高，且在3.4μm处存在C—H伸缩振动峰，表明95⋕汽油池火焰光谱在3.4μm处的特征峰可由高温油蒸气产生。
如图2.20所示，润滑油池火焰顶部光谱特征与92⋕汽油、95⋕汽油池火焰烟气区光谱特征相似，4.0～4.5μm波段范围内高温CO2发射峰明显；火焰根部光谱特征明显，测试结果较为稳定，2.5～3.0μm波段范围内炭黑粒子发射光谱强度更高，且在3.4μm处存在C—H伸缩振动峰，表明润滑油池火焰光谱在3.4μm处的特征峰可由高温油蒸气产生。
图2.20 润滑油池火焰不同燃烧区域光谱特征
对三种油品池火焰不同区域发射光谱强度进行计算，计算方法：
（2.8）
式中，Δλ表示测试波长范围2.5～5μm；Iλ表示波长λ处光谱强度。三种油料池火焰不同燃烧区域平均光谱强度如表2.3所列。
表2.3 油料池火焰不同燃烧区域平均光谱强度
三种油品池火焰不同区域光谱特性分析表明，火焰的顶端——烟气区的脉动较强，火焰发射光谱强度相对较弱，仅在4.0～4.5μm波段范围内存在CO2发射峰；火焰间歇区脉动强度不及烟气区，光谱主要特征同样是4.0～4.5μm波段范围CO2发射峰，且光谱强度高于烟气区；火焰根部——连续区的光谱特征明显，光谱强度最高，3.4μm处存在C—H伸缩振动峰，表明油料火焰光谱在3.4μm的C—H伸缩振动峰可由连续区的油蒸气产生。
热量传递对油池火的形成非常重要。油池火燃烧首先是油蒸气在高温的作用下与空气中的氧气发生剧烈的发光发热的化学反应，火焰燃烧产生的一部分热量通过热辐射形式传递至油料表面，使液态油料气化。气化的油料在液态燃料的表面、火焰的连续区形成“富燃料层”，主要由油蒸气和燃烧中间产物组成。燃烧产物如CO2、H2O及炭黑颗粒等在高温浮力的作用下上升，并伴随空气的卷吸，形成间歇区及烟气区。火焰热辐射及液态燃料汽化这种质-热循环的方式，影响油池火焰的大小及形状，如图2.21所示。
图2.21 火焰脉动示意
燃料的种类及燃烧方式对火焰的热传输具有重要影响。油料属于液态燃料，燃烧产物包括各种分子、炭黑颗粒及多种自由基团。根据量子力学原理，分子在外界能量的激发作用下将发生能级跃迁，吸收或发射一定频率的光子。燃烧火焰的高温热辐射，作为CO2、H2O等燃烧产物分子能级跃迁的能量源，火焰光谱是燃烧产物的特征光谱。对油池火不同燃烧区域的光谱分析表明，火焰连续区3.4μm处C—H伸缩振动峰是油蒸气产生的，即油品中的高温烃类燃料气体分子发生能级跃迁，引起分子C—H伸缩振动。因此油料池火焰发出的辐射是通过“富燃料层”到达液态油表面，“富燃料层”组分在火焰传热过程中吸收热量，形成烃类燃料汽化分子在3.4μm处C—H伸缩振动峰。
现有的油池火燃烧参数的计算，如质量损失速率及热释放速率、传热模型都是将火焰作为一个整体的热源，而未考虑液态油表面的“富燃料层”对火焰辐射的吸热作用。本研究结论对修正现有的油池火辐射传热模型提供了一定的依据，同时可考虑从“富燃料层”着手分析油池火的灭火方法，为消防减灾提供一种新的研究思路。