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不同初始温度条件对RP-5火蔓延速率的影响

发布时间: 2021-08-23 来源: 重大火灾特性与防控技术研究研究 作者: 毛少华

随着飞机、船舶等交通运输业的发展,石油产品仍旧在全球能源结构中占据最大的比例,在石油产品的生产、储存、运输和使用过程中,燃油泄漏事故时有发生[1],这些泄漏的燃油一旦遇到点火源,就可能出现典型的火灾现象:液体表面的火蔓延。RP-5号航空煤油由烷烃、环烷烃、和芳香烃等构成,主要用于航母舰载机的涡轮发动机,具有闪点高,密度大、燃烧速度快、火势凶猛、辐热强等特点[2,9]。发生火灾时危害性极大,往往会造成重大经济损失和惨重人员伤亡。因此,对RP-5的火蔓延行为进行研究,充分认识航空煤油火蔓延的基本特性和机理,对控制航空煤油火灾的发生、发展和扑救,降低火灾的危害性具有重要的理论和现实意义。

一直以来,大量的学者针对液体燃料在不同初温条件下的火焰蔓延速度进行了大量的研究。1968 年 Glassman[3]对燃料初始温度对火焰蔓延速度的影响进行了研究,并首次以燃料闪点为界,把液体燃料火蔓延分为了气相控制蔓延和液相控制蔓延。Akita[4]在 1973 年,对甲醇火焰蔓延进行了系统研究,把蔓延模式细化为低速稳定蔓延、脉动蔓延、高速稳定蔓延和预混火焰蔓延四种模式,其中前三种属于液相控制,预混火焰蔓延模式属于气相控制。

  1. Degroote[5]在 2005年,对乙醇火焰蔓延进行了系统研究,将乙醇燃料不同初温条件下火焰蔓延速度划分为五种模式,分别为低速稳定蔓延、脉动蔓延、高速稳定蔓延、稳定加速蔓延和预混火焰蔓延,并得出了预混火焰蔓延和稳定加速蔓延模式下火焰蔓延速度计算的经验模型。Burgoyne[6]等人发现己醇、戊醇和丁醇的火蔓延诱导时间随着燃油初温的升高而线性下降。Akita和Fujiwara[7]的研究表明油池尺寸不会对液体火蔓延脉动阶段和稳定阶段的转折温度产生影响,用小尺度的油池同样可以探究火焰蔓延的脉动现象。Schiller[8]的实验证明了在液体火蔓延过程中,燃油的初始温度会通过影响油面的燃料蒸汽分布来改变火焰传播速度。

近年来国内外研究者针对燃油初温对火焰蔓延速度的影响也做了大量的研究,但是对RP-5号航空煤油的火蔓延特性进行系统研究的并不多见。本文通过自行搭建的火焰蔓延测试系统,选择了13种不同的燃油初温,系统的研究了燃油初温对RP-5火蔓延速率的影响。

1 试验装置与测量方法

喷气燃料RP-5火焰蔓延试验系统主要由油槽、水浴加热系统和测试系统三部分组成。实验系统构成图见图1和图2。

图1 火焰蔓延速度测试系统示意图

图2 火焰蔓延速度测试系统图

油槽通过支撑悬搁在水浴箱内。油槽的尺寸为1.5m×0.06m×0.06m(长×宽×高)的矩形箱,油槽的左端(距左端面5cm)设置一点火区,在点火区注入适量的汽油或庚烷作为引燃剂。用挡板把点火区和油槽其他区域隔开,使引燃剂限定在引燃区,保证点火时点火区以外的燃油保持初始温度。

水浴箱的尺寸为1.7m×0.25m×0.11m(长×宽×高)的矩形箱,为了保证能够在一段时间内燃油温度是稳定的;同时减少了试验装置附近加热过程中燃油蒸气的聚集,在水浴箱内配制所需温度的热水,同时把所要求温度的燃油(在其他地方采用水浴加热的方式得到的设定温度的燃油)倒入油槽。

通过热电偶的温升配合录像系统得到火焰蔓延速度。在油槽的中心线上,距离点火端0.25m的位置开始布置热电偶,在1.1m的范围内共布置了12个测点,编号为T1~T12,测点间间距为0.1m。热电偶贴近燃料液面,当火焰传播到该位置时,热电偶会产生明显的温升。用相邻两热电偶的间距(0.1m)除以两热电偶显著温升的时间差,就能得到该区间内火焰蔓延的平均速度。

2 试验结果与分析

大多数火灾的发生,都是从可燃物的某一部分开始,然后蔓延扩大的。这是因为物质在燃烧时造就了一个危险的热传播过程,即燃烧——热效应——燃烧。燃烧产生的热效应使燃烧点周围的可燃物受热发生分解、着火和自燃,如此往复,火热便迅速地向周围蔓延开去。   

为保证实验结果的可靠性,每种工况进行两次重复实验。选取300℃作为参考温度,即每条曲线到达300℃的时间,作为火焰到达的参考时间。具体的液相蔓延过程中温度随时间的变化曲线如图3所示。