航空煤油表面火焰脉动及表面流特性研究

【类型】学位论文

【作者】郭进 

【关键词】 航空煤油 火蔓延 脉动 表面流 传热

【摘要】航空煤油是一种最常用的飞机燃料。近年来,随着航空工业的快速发展,因航空煤油泄露造成的火灾事故也频频发生。航空煤油具有火势凶猛、辐射热强等特性,发生火灾时危害性大,往往会造成重大财产损失和人员伤亡。虽然火蔓延仅是火灾发展中的一个短暂过程,但它却决定着火灾的发展方向、发展速度以及火灾扑救的最佳时机和灭火效果等。因此,有必要对航空煤油表面火蔓延特性和机理进行研究,为控制此类火灾的发生、发展、扑救以及火灾事故调查分析提供理论依据和基础数据。本论文在中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室的液体燃料火蔓延实验台进行实验研究。主要利用纹影系统、红外热像仪、热电偶测温系统、PIV系统以及火焰图像采集系统对不同初始温度、不同油层厚度和油池宽度条件下航空煤油表面火蔓延过程中,主火焰和闪燃火焰的脉动特性、表面流结构以及障碍物对其预热作用的影响进行了实验研究。利用表面张力效应速度模型计算了不同初始温度和不同厚度条件下的表面流速度。论文的具体工作包括：揭示了航空煤油表面火焰脉动特性。研究结果表明：液相控制阶段,主火焰以高频脉动和低频脉动交替进行的模式向前蔓延；主火焰的脉动幅以及主火焰低频脉动蔓延时的速度值基本不受航空煤油初始温度的影响,分别为4.4cm～4.8cm和40-55cm/s；主火焰脉动频率随航空煤油初始温度升高而增大。当航空煤油的初始温度82℃≤T084℃,主火焰稳定蔓延,随航空煤油初始温度升高,油面上方燃料蒸汽由燃烧下限增大至化学计量比浓度,主火蔓延速度迅速增大至约120cm/s。闪燃火焰的脉动频率随航空煤油初始温度升高先增大后减小,与之相反,闪燃火焰的脉动幅值随航空煤油初始温度升高先减小后增大。闪燃火焰蔓延机理和气相控制阶段主火焰蔓延机理不同。揭示了油池宽度和油层厚度对航空煤油表面火蔓延影响规律。研究结果显示：当航空煤油厚度小于8mm时,为薄油层火蔓延机制。对于薄油层火蔓延,主火焰平均速度随燃料厚度增大而增大,主火焰和闪燃火焰脉动频率随燃料厚度增大而减小,脉动幅值随燃料厚度增大而增大。当航空煤油厚度在8mm～4mm之间时,表面流的动量导致火蔓延速度随燃料厚度减小而减小；随航空煤油厚度继续减小表面流热量损失也影响火蔓延速度；当燃料厚度小于2mm时,表面变形导致火焰不能蔓延。当航空煤油厚度大于8mm时,为厚油层火蔓延机制,此时,燃料厚度对火蔓延现象基本没有影响。不同油池宽度条件下火蔓延的实验结果表明：当油池宽度小于8cm时,油盘侧壁对表面流的粘性作用随油池宽度增大增大而减弱,所以,火蔓延速度和表面流锋面速度随油池宽度增大而迅速增大；当油池宽度大于8cm时,油盘侧壁对表而流的粘性作用不明显,火蔓延速度和预热区推进速度随油池宽度增大而缓慢增大。研究发现,台阶温升随油池宽度和航空煤油厚度增大而增大,预热时间随油池宽度和航空煤油厚度增大而减小。实验研究了表而流特性,建立数学模型分析了表而流形成机理及液相传热模式。表面流前端始终存在一个顺时针旋转的涡流；主火焰高频脉动时,在火焰下方出现新的涡流；当主火焰低频脉动时,新形成的涡流逐渐消失。表面流的热边界层厚度约为8mm～10mm,动量边界层厚度大约10mm,两者基本不随航空煤油初始温度升高而变化。薄油层火蔓延时,表面流的特征尺度比(表面流长度与厚度之比)随燃料厚度增大而减小,表面流速度和Fr·Ma-0.5成反比关系；厚油层火蔓延时,表面流的特征尺度比基本不随燃料厚度增大而变化。在液相控制阶段,当障碍物顶端与油面齐平时,主火焰在障碍物前的停滞时间随航空煤油初始温度升高而缩短,障碍物阻碍表面流向前运动是火焰在障碍物前停滞的主要原因。当障碍物在油面下方时,随障碍物顶端与油面距离增大,主火焰在障碍物前的停滞时间迅速缩短,当障碍物顶端与油面距离大于4mm时,障碍物对火蔓延没有影响,上述现象说明位于液面下方4mm内的区域对火焰前方的低温燃料起到关键的预热作用。气相控制阶段,障碍物对火蔓延没有影响。根据能量守恒原理,建立数学模型并分析确定了对流传热是液相中的主导传热模式。

【学位名称】博士

【学位授予单位】中国科学技术大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】陆守香

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