邊緣高度影響下油池火燃燒行為特性實驗

劉春祥， 劉聲濤， 黃 萍， 余龍星， 張永亮， 黃俊清

（1.福州大學環境與安全工程學院，福州 350108；2.青島理工大學機械與汽車工程學院，山東青島 266520）

0 引 言

液體燃料作為工業血液是全球經濟發展的重要動力和保障。中國原油加工量一直保持增長態勢，并在2022 年成為世界第一大煉油國［1］。但液體燃料在生產、加工、儲存、運輸過程中因操作不當或防范不到位而引發的火災事故頻發。研究液體燃料火災發生和發展過程對于火災防控、化工安全至關重要。油池火是火災研究領域最常用、最基礎的火源形式，油罐火是最典型的油池火［2］，燃燒速率、火焰高度和火焰脈動頻率是表征火焰燃燒行為特性的基本參數。隨著油池火燃燒的進行，油池內燃料被逐漸消耗導致油池邊緣高度h（燃料液面與油池口邊緣的距離）不斷增加，這將對油池火火焰形態特征造成顯著影響，系統分析不同h油池火燃燒火焰特征參數對危險性評估和應急響應有重要意義［1］。

為分析燃燒速率和火焰形態特征參數（火焰高度、火焰脈動頻率）隨h 改變的演化規律，本文設計并制作了由4 個子系統組成的可變h模擬裝置開展實驗研究。為消防安全設計和火災救援提供實驗數據支撐。

1 實驗裝置

可變h油池火燃燒模擬裝置主要由動態供油系統、燃燒系統、無級升降系統以及數據采集系統4 部分組成，如圖1 所示。其中：燃燒系統用來模擬不同h下的油池火燃燒；動態供油系統用于補充燃燒消耗的燃油，使油池液面穩定在同一高度；無級調節升降系統用來調節油池h，以便進行不同工況實驗；數據采集系統則用于測量實驗過程中的燃油質量損失速率和記錄火焰形態變化。

圖1 可變h油池火燃燒模擬裝置

1.1 燃燒系統

燃燒系統可有效模擬不同h 油池火燃燒過程，揭示火焰燃燒行為特性，如圖2 所示。由于h 影響下油池火的燃燒行為會發生顯著變化，呈現出與經典油池（h為零或趨近零）顯著不同的火焰形態特征［4-5］，由實驗工作臺、油池、油池固定支架和柔性供油管組成的燃燒系統，使h在實驗過程中始終保持穩定。實驗時油池放置在定做的工作臺上，油池周圍用環形支架固定，支架可通過兩側螺絲調節固定，燃料通過供油管從油池底部緩緩注入，這樣可以保證實驗過程中裝置的穩定性。

圖2 燃燒系統

1.2 動態供油系統

動態供油系統需精確調控燃料供應，保證燃料液面始終穩定在同一高度。該系統主要由供給罐、溢流管、回收罐、蠕動泵以及供油管5 個部件組成，如圖3所示。實驗中，隨著燃燒反應的進行，油池內燃料不斷消耗造成液面與油池開口邊緣的距離增加，即油池h增加，進而影響羽流卷吸和火焰形態。因此，實驗時先后開啟供給罐和回收罐之間的閥門1 與供給罐和油池之間的閥門2，燃料通過供油管流入到油池中，當供給罐液面過高時，多余燃料通過溢流管流入回收罐。實驗過程中根據油池直徑大小來調節蠕動泵功率，使得蠕動泵的液體輸送量始終大于油池燃燒的燃料消耗量。

圖3 動態供油系統

1.3 無級調節升降系統

不同h影響下的油池火將呈現不同的燃燒行為特征，實驗中需測試多組工況，以探究在h影響下羽流燃燒行為演化規律。為此，在實驗過程中通過無級調節升降機帶動上方的動態供油系統的上下升降實現燃燒系統中液位水平位置的改變，以實現不同h 的調節。如圖4 所示，無級調節升降系統主要由鋁合金外殼、精密螺紋絲桿、無刷電動機3 個部件構成。通過控制無刷電動機正反方向旋轉，帶動螺紋絲桿的上下伸縮，實現升降臺的上下抬升。升降誤差為±5 mm。該升降系統最大承重為150 kg，可在升降中任意位置停止。

圖4 無級調節升降系統

1.4 數據采集系統

本實驗平臺數據采集系統主要包括燃燒速率測量系統和火焰形態采集系統。

（1）燃燒速率測量系統。燃燒速率是描述油池火燃燒特性的重要參量之一，它直接決定了油池的熱釋放速率。實驗中利用量程為34 kg，精度為0.1 g 的電子天平來記錄燃料的質量損失速率，采集間隔為1 s。天平放在動態供油系統與無級調節升降系統之間，且用防火板隔開，保證實驗過程中系統的安全性。

（2）火焰形態采集系統。火焰形態是油池火燃燒的重要特征參數參數，本平臺通過使用HDR-CX900高清數碼相機來拍攝實驗過程中的火焰圖像，拍攝的圖像分辨率為1 920 ×1 080，幀率為50 f/s。實驗中高清數碼相機置于油池正前方以實時記錄火焰形態的演化過程。

2 實驗步驟與方法

由于該實驗進程步驟較多，為使整個實驗流程有序地進行，需協同操作，嚴格按照實驗步驟進行。油池火燃燒實驗具有一定的危險性，因此，在實驗開始前需讓參與人員做好個人防護措施并進行安全操作培訓。實驗的操作步驟如下：

步驟1首先通過無級調節升降系統調節動態供油系統高度（溢流管頂部水平高度即為油池液面高度），進而控制燃料液面與油池口上邊緣的距離即h。

步驟2向供給罐中加入正庚烷燃料，并打開供給罐下方的閥門2。待燃料液面超過溢流管一定高度后停止供油。打開溢流管上的閥門1 使多余的燃料流入回收罐。

步驟3在燃料裝填好后，調整攝像機角度，保證能夠拍到油池上方的整個火焰區域。

步驟4檢查電腦端天平數據導出軟件能否正常工作。在確保各設備能正常運行后，用點火器將油池引燃。

步驟5隨著油池燃燒反應的進行，燃料不斷被消耗。應調節好蠕動泵功率使燃燒過程中油池液面始終保持在恒定高度。

步驟6開啟正前方的攝像頭記錄火焰圖像數據，同時在電腦端收集記錄燃料質量變化數據。

3 實驗結果與分析

3.1 燃燒速率

油池火具有燃燒強度大、熱輻射強等特點［6-7］，計算池火燃燒速率可以精確評估油池火熱危害。油池火的燃燒速率定義為單位時間的燃料燃燒消耗質量。如圖5 所示為實驗測量的實時質量變化曲線，通過對該曲線求導可確定燃燒速率（見圖6）。對燃燒速率曲線穩定段求平均可得到不同工況下油池對應的燃燒速率值，如圖7 所示。由圖7 可知，隨著h 從0 增加至15 cm，燃料的質量損失速率逐漸降低，最大邊緣高度的油池火相比無邊緣高度工況降低了63%。這是因為隨著h 的增大，羽流卷吸空氣受限，導致燃燒速率下降。

圖5 燃燒實時質量變化曲線

圖6 燃燒速率曲線

圖7 燃燒速率隨h/D變化曲線

3.2 火焰高度

火焰形態的演化規律可以表征油池火燃燒行為和羽流燃燒模式的變化，因此分析火焰形態具有重要研究意義［8-10］。火焰高度定義為火焰間歇率50%［11］的位置，即平均火焰高度［12］。圖8 所示為火焰圖像處理過程，采用大津法（OTSU）方法，將相機拍攝的視頻逐幀轉化得到灰白二值圖，然后對二值圖進一步處理得到概率云圖，最后利用Tecplot軟件繪制火焰間歇與高度變化圖像［13-15］，如圖9 所示。該方法的可靠性已得到廣泛驗證。由圖9可知，隨著h從0增加至15 cm，火焰高度逐漸下降，相比無邊緣高度工況降低了38%，這是由于更多燃料蒸汽在油池內部燃燒所導致的。說明h的增加會抑制油池火燃燒，這與燃燒速率的結論具有一致性。

圖8 火焰圖像處理過程

圖9 火焰高度演化規律

3.3 火焰脈動頻率

火焰的脈動頻率表征了燃燒火焰的紊流特性，它會影響火焰的空氣卷吸率，進而影響燃燒效率［15］。用快速傅里葉變換方法對時間序列火焰高度數據處理可得到火焰頻譜圖，計算式為［16］

式中：x（t）為火焰脈動信號；X（ω）為火焰脈動信號的連續頻譜；ω為圓頻率。通過頻譜圖可求得火焰主脈動頻率，如圖10 所示。由圖10 可知，隨著h從0 增加至15 cm，火焰主脈動頻率逐漸下降，相比無邊緣高度工況降低了29%。這與h 限制羽流根部將周圍空氣卷吸至火焰，形成向上發展的流動渦團有關；h 越大，限制作用越強，火焰脈動頻率則隨之降低。

圖10 主火焰脈動頻率隨h/D變化曲線

4 結 語

本文通過開展不同h 條件下的油池火燃燒實驗，研究了h對油池火燃燒行為特性的影響。實驗結果表明：h對油池火燃燒行為特性影響較大；燃燒速率、火焰高度和火焰脈動頻率等參數隨h的增加呈現出下降趨勢。成果可用于指導化工液體儲罐火災應急響應和消防救援。