（安全技术及工程专业论文）典型燃油在水平热壁面上的着火机理研究.pdf

据实验结果，通过模拟分析得到了计算热壁上泄漏燃油蒸汽空气混合气的化学 反应速度所需的动力学参数。利用大涡模型对热壁上可燃蒸汽的运动与着火进行 了数值模拟，其中燃烧模型选择的是混合分数模型，并以最大反应速度大于或等 于某个固定值作为着火判据。计算结果表明，热壁上的蒸汽存在两种着火方式， 第一种方式是当羽流升起时。蒸汽通过卷吸周围氧气形成可燃混合气进行反应， 经过一定时间后，在混合气的顶部发生着火。第二种方式的着火通常发生在热壁 的热流密度较小的条件下，着火发生在羽流充分发展后。持续流动的蒸汽与空气 混合反应，发生着火。通过数值模拟，还分析了热壁热流密度、环境温度、热壁 温度和油池面积对着火的影响。 关键词水平热壁，一1 0 # 柴油，着火延迟期，热流密度，加速量热仪，大涡模拟 i i a b s t r a c t i nt h ee n g i n er o o maf r e q u e n tf i r ec a nh a p p e nw i t ht h e l e a k a g eo ff l a m m a b l e o p e r a t i n gf u e lo n t oh o ts u r f a c e o n b o a r de x t i n g u i s h i n gs y s t e m sd on o tc o n s i s t e n t l y m i t i g a t es u c ht y p e so ff i r e s ，d u et ot h e i rs e v e r i t ya n di n t e n s i t y , l o c a t i o ni no b s t r u c t e d a r e aa n ds t a b i l i t y , a n dp o t e n t i a lo f r e i g n i t i o na f t e ri n i t i a le x t i n g u i s h m e n t t og e tt h e m e c h a n i s m so ft h i st y p eo ff i r ea n dr e s e a r c ht h ee f f i c i e n tf i r ee x t i n g u i s h m e n ts y s t e m ， i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ei g n i t i o no ft h el e a k e df u e lo nah e a t e ds u r f a c e f i r s t l y , a t li n i t i a le x h a u s t i v er e v i e wo f t h el i t e r a t u r er e v e a l e das m a l ls a m p l eo f p e r t i n e n tf i n d i n g so fp r e v i o u si n v e s t i g a t o r s m o s tc o n c l u s i o n sw e r ed r a w no nt h e d r o p l e ti g n i t i o ne x p e r i m e n ti nac l o s ec h a m b e r a n dt h e r ew a sn os t u d yo ni g n i t i o no f t h el e a k e dd i e s e lo nah e a t e ds u r f a c ei na no p e ne n v i r o n m e n t n o r m a l l ya c c i d e n t l e a k a g eh a p p e ni n a no p e na r e aa n dt h ea m o u n to fl e a k e df u e li s l a r g e t h e f u e l c o n t a c t e dt h eh e a t e ds u r f a c ei nas t r e a mo ra j e t a f t e ra no i lp o o lo rf i l mc o m e si n t o b e i n g ，al o to fv a p o rw a s r e l e a s e db y b o i l i n g t h ev a p o re n t r a i n e da i ra n dm o v eu p i f c o n d i t i o n sm e e t ，i g n i t i o nw i l lh a p p e n t h e p r o c e s si sm u c h d i f f e r e n tf r o mt h ed r o p l e t i g n i t i o n h o w e v e r , t h er e s e a r c ho nt h ed r o p l e to rg a s f u e l i g n i t i o n i s h e l p f u l f o r d i s c o v e r y o ft h em e c h a n i s m ，s ot h ep r e v i o u sd r o p l e ta n dg a sf u e li g n i t i o nr e s u l t sw e r e a n a l y z e d m o r e o v e rt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no nah o r i z o n t a lh e a t e ds u r f a c ea n d c o m b u s t i o no f c o m m e r c i a lf u e la r ed i s c u s s e d ，t h er e s e a r c hw a yi ns t a t ei sa n a l y z e d s e c o n d l y t h e i g n i t i o n o fl e a k e dd i e s e lo nah e a t e ds u r f a c ew a ss t u d i e d e x p e r i m e n t a l l y b e f o r et h i s ，t h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no nt h ep l a t ei sm e a s u r e da n d c o n f i r m e db ys i m u l a t i o n t h ef l a m m a b i l i t yo ft h ed i e s e li ss t u d i e db yg c m s b y e x p e r i m e n t ，i g n i t i o no ft h ep o o lo rf i l mo f t h ed i e s e la n dt w ot y p i c a la l k a n e sw a s s t u d i e do nah e a t e ds u r f a c e t h ei g n i t i o nt e m p e r a t u r e ，i g n i t i o nm o d e ，i g n i t i o nd e l a y a n di g n i t i o nh e i g h tw e r em e a s u r e d t h ec r i t i c a li g n i t i o nt e m p e r a t u r eo fd i e s e li s g o t s t a t i s t i c a l l y t h i r d l y , t h eb o i l i n gr e g i m ea n da i ri g n i t i o nm o d e t h a ta r eg o tf r o me x p e r i m e n t r e s u l tw e r es t u d i e d b a s e do nn o r m a lb o i l i n ge x p e r i m e n tr e s u l t ，t h eh e a tt r a n s f e ro f i i l t h eo i l p o o lo rf i l m o nh o ts u r f a c ew a sd i s c u s s e d t h ec a l c u l a t i o no ft h e v a p o r d i s t r i b u t i o no f tah e a t e ds u r f a c ei sa l s o g o ta c c o r d i n gt o t h er e s u l t st h a t g o tf r o m d i m e n s i o na n a l y s i s s oam o d e lt of o r e c a s tt h ei g n i t i o nd e l a y b yat e m p e r a t u r eo fa h e a t e ds u r f a c ei sg i v e n t h em o d e li sc o n f i r m e db yt h ei g n i t i o nr e s u l t so ff i x e dp o o l o rf i l m ，m o v i n gp o o la n d d r o p l e tf i l m ，m o r e o v e r , t h em e t h o dt oc a l c u l a t et h eh e a tf l u x o f a m o v i n gp o o l i sd e v e l o p e d f i n a l l y , t h ei g n i t i o no f l e a k e df u e lo nah e a t e ds u r f a c ew a ss t u d i e db yc f d b u t a tf i r s tt h er e a c t i o np r o c e s so ft e s tf u e li nl o wt e m p e r a t u r ew a ss t u d i e db ya d i a b a t i c c a l o r i m e t e r a n dc h e m i c a lk i n e t i cp a r a m e t e rw a sd e d u c e db ys i m u l a t i o n b a s e do n t h e s et h ea v e r a g er e a c t i o nr a t e so ff l a m m a b l em i x t u r eo nt h eh e a t e ds u r f a c ew e r e c a l c u l a t e da n dw a st a k e na sb a s e m e n to fi g n i t i o nd e c i s i o n a tl a s tt h el a r g ee d d y s i m u l a t i o na n dm i x t u r ef r a c t i o nm o d e lw e r ea p p l i e dt oc a l c u l a t et h em o v e m e n ta n d i g n i t i o no fl e a k e df u e lo n ah e a t e ds u r f a c e t h ei g n i t i o nc r i t e r i o ni sm a x i m u mr e a c t i o n r a t e t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h e r ea r et w oi g n i t i o nm o d e s t h ef i r s to n eh a p p e n si n t h et i po ff u e lv a p o rp l u m e 。l th a ss h o r t e ri g n i t i o nd e l a ya n dh a p p e n e df a rf r o mt h e h e a t e ds u r f a c e t h es e c o n do n eh a p p e n e di nt h ev a p o rp l u m e i t si g n i t i o nd e l a yi s l o n g e rt h a nt h ef i r s to n ea n dt h ei g n i t i o no f t e nh a p p e n e dn e a rt h eh e a t e ds u r f a c e i t c o n f i r m e dt h a ti g n i t i o nd e c r e a s e da st h eh e a tf l u xa n da i rt e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ，t h e c h a n g e r a t ei nd i f f e r e n th e a tf l u x r a n g e i sn o ts a m e a l lt h e s ea r es a m ea s e x p e r i m e n t a lc o n c l u s i o n a l s ot h es i m u l a t i o nr e s u l tc o n f i r m e dt h a tt h ei g n i t i o nh e i g h t h a sn o rd i r e c tr e l a t i o nw i t hh e a tf l u xa n da i rt e m p e r a t u r e k e yw o r d ：h o r i z o n a l h e a t e d s u r f a c e ，一1 0 # d i e s e l ，i g n i t i o nd e l a y , h e a t f l u x ， a c c e l e r a t i n g r a t ec a l o r i m e t e r , l a r g ee d d ys i m u l a t i o n 致谢 首先感谢导师范维澄院士和陆守香教授的指导。范老师卓越的科学成就和高 尚的人格魅力让人敬佩，一直鼓舞着我在火灾领域不断探索。陆守香老师严谨的 治学要求、勤奋的工作作风和平易近人的待入态度对我产生了深刻的影响，使我 深悟科研之法，做人之道。感谢陆老师对整个论文完成所作的悉心指导，帮助我 度过每个难关，顺利完成研究内容。 本文的研究过程中得到了实验室孙金华教授、蒋勇副教授、秦俊副教授和邓 志华等老师的帮助，感谢他们在计算模拟和实验等方面给予的无私的指导和帮 助。感谢实验室其他课题组同学在实验中提供的场地、器材等，以及对实验台搭 建的建议和帮助，在此一并表示感谢。感谢t h t 公司的e dp r i c e 等工程师对a r c 实验完成所作的指导。 感谢本课题组朱迎春、彭方汉协助完成论文中的实验部分，同时感谢刘咂亚、 黎昌海等同学对论文进展的建议与帮助。感谢上海交通大学的吕兴者博士协助完 成部分实验。 借此机会向父母表达最深切的谢意，没有他们的培养和支持我根本无法完成 这些年的求学历程。感谢妻子汪应红对我的支持和照顾。以及在论文完成期间所 给予的鼓励和建议。 本文的完成得到国家9 7 3 项目，“2 1 1 ”工程建设项目的资助，在此表示感谢。 栗元龙 2 0 0 4 年5 月于科大 v 符号说明 热壁上的燃油面积 m 2 】；常数； 对流传热系数 w ( m 2 k ) 】：常数 常数 常数：起始比浮力通量 常数 热壁上的燃油厚度 m 】 摩尔浓度；常数 反应物的摩尔浓度 k m o l m 3 】：常数；比热 j ( k g k ) 平均比热 j ( k g k ) 】 分子扩散率 m 2 s 输液管直径 咖】 温度间隔 】；油滴直径 m m 】 活化能( k j m o l l 重力加速度 n v s 2 】 格拉晓夫数 反应热【k j m 0 1 ；热量【j 】 沸腾传热系数 w ( m 2 k ) 】 电流 a 热传导率j ( m s k ) 反应速度常数 蒸发潜热r k j r k g ；特征尺度【m 刘易斯数 燃油质量【k 朗；常数；流量 k g s 质量通量 k g ( m 2 s ) 】 常数 幂 努塞尔数 柴油芳族含最，氢含量，发烟点以及浓度等 v i 爿 口 耄； 口 啪6 c 。 孑 d d e g 函 日 。 ， k k 工 血 m 砌 m 。 肌 p 压力 p a 】 普朗特准数 热量【 ；流量 v s 热流密度， w m 2 】 摩尔气体常数，8 3 14 j ( k m o l e ) 】 雷诺数 温度【k 着火延迟期平均值 过热度，k 时间 s 单位张量 速度；x 方向速度 m j s 燃油体积【m 3 s ；电压【v 】 y 方向速度【m s 】 z 方向速度 m s 反应速度【k ( m 3 s ) 】 质量浓度 高度 m 温度因子( 无量纲) 表面发射率 传热系数 j ( m k s ) 动力粘度【k g ( m s ) 密度， k g m 3 】 表面张力【d y r d c m ；标准方差；斯忒藩一玻耳兹曼常数 着火延迟期【s 】s 热惰性因子 1 0 ，5 0 ，9 0 蒸馏量 v i l 母 d p n q g r 鼢r | h 胛 ，u 。矿 。 w r 。 卢 。 九 卢 p a 。 。体一 d 盘d 6 c p l g j 以 加 f m m a x , , m a x m i n , m i n 甩 d r p s a t 矿 v j 周围空气 绝热条件下 沸腾 化学延迟 卷吸：蒸发 燃油蒸汽；膜态沸腾 气体混合物 气体成分：着火 流向热壁 环境状念 热壁 液体 临界值 最大值 最小值 泡核沸腾 氧气 物理延迟；等压 饱和状态 蒸汽；等容 膜态沸腾时液体与热壁之间蒸汽 v i l 缩略词 m h s i t c h f m a t l e i d e n f r o s t e v a p d s c m s g c l c r l d v c o n v d i s c o n d a r c s a d t l e s 缩略词表 英文全文 m i n i m u mh o ts u r f a c e i g n i t i o nt e m p e r a t u r e c r i t i c a lh e a tf l u x m i n i m u m a u t o i g n i t i o nt e m p e r a t u r e l e i d e n f r o s t e v a p o r a t i o n d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gs a l o r i m e t r y m a s s s p e c t r o m e t r y g a sc h r o m a t o g r a p h y l e c h a t e l i e r f l a m m a b i l i t yr u l e l a s e rd o p p l e rv e l o c i m e t e r c o n v e c t i o n d i s s i p a t i o n c o n d u c t i o n a c c e l e r a t i n gr a t e c a l o r i m e t e r s e l f a c c e l e r a t i n gd e c o m p o s i t i o nt e m p e r a t u r e l e s l a r g ee d d y s i m u l a t i o n 中文 热壁最小着火温度 临界热流密度点 最小自燃温度 莱顿弗罗斯特 蒸发 差示扫描量热计 质谱 气项色谱 勒夏特列原理 激光多普勒测速仪 对流 热损耗 热传导 加速量热仪 皂加速分解温度 大涡模拟 磷 学位论文 第一章引言 1 1 研究背景 近年来，飞机火灾和船舶火灾频繁发生，不断造成灾难性后果。飞机火灾常发 生在发动机舱内。单以美国空军为例，每年就有1 0 0 起以上的发动机舱火灾，在民 用飞机中更是常见【”。船舶遭到的最常见的火灾也是机舱火灾。有关资料表明，仅 2 0 世纪9 0 年代，英国海军船舶平均每年发生的火灾就多达1 3 0 多起，其中有5 0 发生在机舱 2 1 。 飞机和船舶的发动机舱火灾多是泄漏的燃油遇到热壁面后引起的。在飞机发动 机舱中。常出现泄漏的航空煤油喷洒到发动机发热的壳体上发生着火【o ”。在船舶机 舱中，当前船舶大多采用内燃机动力装置作为推进用的主柴油机以及作为产生电 能的辅助柴油机，在高速运转过程中排气管外表面温度可达4 0 0 左右。由于柴油喷 射管，供给管的断裂，以及振动引起的管路接头的松脱，连接螺栓的脱开，造成柴 油喷洒在高温热表面上，引发火灾。通常当泄漏的燃油接触到热壁后，如果周围通 风条件较差，就会在热壁周围形成可燃气云，条件允许，气云就会着火，从而引起 相当严重的火灾，带来不可估量的损失。此类火灾强度大，发生位罱复杂，并且潜 在灭火后复燃的危险，造成舱室内现有的灭火系绞失效，引起严重的后果。 泄漏燃油在热壁上的着火现象涉及到工程热物理领域诸多非线性理论问题。燃 油泄漏到热壁面上以后会发生一系歹现象，如泄漏燃油在热壁上扩展、传热和沸腾， 产生的蒸汽在宝中流动、扩散并发生热交换，突然发生着火等。可见，液体在热壁 面上的着火是一个非常复杂的工程热物理问题。研究这一现象将不可避免地需要解 决热壁面上的沸腾传热以及化学反应流动、突变着火等诸多理论问题。 研究燃油在热壁面上的着火机理，对于认识这类火灾的发生条件从而控制其发 生具有重要的理论指导意义：燃油在热壁上的蒸发过程、着火条件等研究结果可以 直接用于指导飞机或船舶的机舱热壁防护设计和火灾探测与防火设计。 1 2 研究现状 调研发现有关燃油接触热壁、发生着火的研究基本上都是以内燃机燃烧为研究 背景，而且大多数研究是在有限空问内油滴接触热壁着火的情形。通常，因意外事 故引起的燃油泄漏都发生在开放空间，而且燃油量比较大，泄漏燃油一般不是以单 博l 学位论文 油滴形式接触热壁，而是持续喷射或流落到热壁上。泄漏的燃油在热壁上形成油池 ( 或油膜) 后，通过沸腾蒸发产生大量蒸汽，卷吸空气向上运动，在热壁上方形成 气云，条件适合的情况下发生着火所以该过程有别于高压燃烧室内直接在热壁上 点燃油滴或气体的过程。不过油滴在热壁上的沸腾蒸发与着火和气体在热壁周围运 动与着火这两方面研究结论对揭示泄漏燃油在热壁上的着火机理有着借鉴作用，因 此本文除了调研了泄漏燃油到热壁上发生着火的研究现状，还回顾了油滴和气体被 热壁点燃的有关结论，另外还就水平热壁上的温度分布和商业燃油燃烧进行了讨论， 分析了现行的研究方法。 1 2 1 油池或油膜在热壁上的着火 为防止飞机机舱火灾而研究燃油泄漏到开放空间热壁上发生着火现象的最早文 献是美国j o h n s o n 和m o u s s a1 3 1 于上世纪八十年代提供的内部报告。j o h n s o n 和 m o u s s a t 3 】实验测定了五种航空燃油从加压管路中喷流到热壁发生着火所需要的最小 热壁着火温度，并比较了它们与自燃点的关系。j o h n s o n 和m o u s s a1 3 1 通过分析认为 热壁上扩展中的油池的沸腾模式对着火过程有很大影响：对于航空燃油，泡核沸腾 和膜态沸腾的传热系数分别为5 6 9 1 7 0 7 9 w m 2 k 和1 1 4 2 2 8w m 2 k ，并认为当热 壁温度接近m h s i t 时，航空燃油的沸腾模式是膜态沸腾。由于近年飞机发动机火 灾事故频发，美国空军b e n n e t t1 4 ) 于2 0 0 1 年再次提出了研究航空煤油在热壁上着火 引发火灾问题，随后在其博士论文( 2 0 0 3 ) 【5 】中给出了典型航空燃油持续流到热壁 后发生着火的实验研究结果，测定了它们的着火延滞时间与热壁温度的关系，初步 建立了着火延迟期预测模型。通常情况下，人们认为柴油比航空燃油安全得多。但 是，我国最近发生几次船舶机舱泄漏柴油火灾事故，并且出现了严重的爆燃现象， 所以中国科学技术大学于2 0 0 1 年开始进行船舶机舱着火机理研究，初步研究了典型 条件下船用柴油和滑油泄漏到热壁上发生着火所需的最小热壁温度以及着火的基本 过程，并发现泄漏油池( 或油膜) 在热壁上蒸发特征对着火过程有明显影响【6 】。 在数值模拟方面，v a i v a d s 等人7 1 在1 9 9 7 年将上述过程按二维稳态过程来处理， 模拟了甲醇和汽油( 辛烷) 两种燃油在飞机发动机排气管壁上蒸发所形成的可燃区 域，并以温度大于燃油自燃点作为着火判据，得到了最小热壁温度。数值模拟采用 了f l u e n t 软件，计算过程中没有考虑化学反应的影响。文献 6 】在数值研究开放空问 柴油蒸汽在热壁上方的运动过程时，采用了二维非稳态c f d 模型，并结合简单的总 博士学位论文 包反应模型，计算了热壁上蒸汽的运动，比较了不同浓度蒸汽的运动状态，确定了 最大反应速度区，并将其作为着火起始位置，部分计算结果在实验中得到了验证。 通过调研发现，j o h n s o n 和m o u s s a f ”、b e n n e t t ( 3 1 已经揭示了飞机发动机舱中泄 漏燃油在热壁上的着火现象和着火规律，但是缺少对船舶机舱中泄漏柴油在热壁上 的着火问题的系统研究。另外在模拟研究中6 3 1 将有关现象按二维稳态处理显然是不 合适的，不能准确反应羽流的卷吸过程；而且f l u e n t 软件不适合描述这样的浮力 流。本文船舶机舱火灾为背景，通过实验研究船用柴油泄漏后在热壁上的着火现象 以及着火规律，同时采用三维非稳态模型模拟燃油蒸汽羽流的运动与着火，结合实 验结果揭示其着火机理。 1 2 2 油滴在热壁上的着火 为了了解油滴在发动机内的燃烧规律，k a l a s a w a 和k u r a b a y a s h i ( s l 在常压下实验 研究了直径为1 8 2 o m m 的油滴在水平热壁上的着火情况，其中热壁直径为8 0 m m ， 厚度为4 0 m m 。根据结果分析，确定着火延迟期分为两个延迟时间：物理延迟和化 学延迟。对于庚烷和醚，出现了不同的温度范围：冷焰温度和热焰温度。两种火焰 温度下具有不同的物理、化学以及总延迟时间。冷焰中物理延迟比例非常大，且随 温度升高而延长。热焰的着火延迟期比冷焰的短得多。着火延迟期可以表示成 t = t 。十t ，。由给定热壁温度下的5 0 个实验结果得到了着火延迟期范围和出现频率， 并汇成频率图。取延迟时间大于某个值的结果作对数图，得到的曲线斜率对应于着 火概率。概率值从t 。点对应值到常数m ( 第一零点处) 变化。如果着火延迟期的平 均值用于表示，则有于2 t 。+ 。刍，这里t 。( 着火概率为零) 对应于物理延迟，1 m 对应于化学延迟。 关于庚烷的结果显示，庚烷油滴在3 4 7 3 8 7 。c 范围内，物理延迟在冷焰着火延 迟期中约占8 5 ，对于更低温度，着火延迟期为2 3 s ( 在最低的着火温度时，化 学延迟约为o 8 s ) 。在6 4 7 7 2 7 。c 的“热”焰着火区时着火延迟期在o 4 0 8 s 内变化，化学延迟约占整个延迟的2 5 3 0 。 在k a r a s a w a 和k u r a b a y a s h i s l 的结果中，冷焰发光非常弱，而热焰却是包裹着 油滴，发光，呈桔红色，且伴有烟灰，类似于扩散火焰。冷焰出现在热壁表面以上 5 m m 处，发出微弱的蓝光。在这种火焰下，许多颗粒的尾焰都连接在一起。因为自 博士学位论文 然对流的强烈干扰和温度边界层的存在，使得测量这些火焰温度变得非常困难。当 插细铂丝到冷焰中时，会使其立刻转变成热焰。另外冷焰还伴有臭味，刺激鼻、眼， 这应该是燃烧过程中产生的醛类引起的。 p c h o 和c k ，l a w 9 1 在1 2 7 r a mi d x1 5 2 m m 的燃烧罐中研究了直径为1 8 5 m m 的十二烷油滴在热壁上的着火情况，其中热壁直径为7 6 ，2 m m ，厚度为1 3 3 m m 。研 究结果发现热壁温度在2 0 0 2 9 0 时，十二烷油滴只是在某些特定压力下发生着火， 而且着火发生在全部油滴都蒸发完后，形成的火焰是锥形，并伴随有烟灰，被称作 袋状着火方式。 1 2 3 气体在热壁上的着火 为了避免泄漏的气体燃料被热壁点燃，减少此类火灾的发生燃料与空气的混 合气接触到加热的杆、片或是窄带后发生着火所需要的最小表面温度一直都受到关 注 1 0 , - 1 1 l 。报道的甲烷和天然气的热壁着火温度般都高于1 0 0 0 ( 2 ，展低值对应于贫 燃料( 当量比为0 7 ) 时。对于面积较小的热壁( 4 0 0 r n m 2 ) ，着火温度随着热壁酝积 的减小而升高，催化剂表面，如铂，比惰性表面，如镍和不锈钢，具有更高的热壁 着火温度。还有文章报道热壁的定位，混合气的速度和热壁的加热、冷却速率对着 火温度有影响。如k o n g 等【1 2 】研究证实对于丙烷水平和垂直热壁测得的着火温度分别 是8 0 0 ( 2 和1 0 0 0 ( 2 。p o w e l l l l 0 提出对于甲烷或氢气与空气的混合气。热壁着火温度随 着当量比的增加而升高，而对于分子量更大一些的烷烃，情况确是相反。k o n g - 等 1 2 1 也有相同结果的报道。 燃料混合气在热壁上着火的模拟应该是低温化学反应动力学和三维可压缩浮力 流的共同求解。以前的研究或者是简化化学反应过程，或者是只着重于解流动方程。 t o o n g 13 i 根据二级反应计算了热壁近处二维边界层流动。c h e n 等h 4 l 也根据单步反应 计算了热壁二维浮力边界层流的着火现象。h a r r i s o n 和c a i r n i e 【1 5 j 根据详细的反应动 力学过程计算了乙醛混合物在垂直热壁和圆管边界层流和冷焰现象。s a n o 等1 q 根据 简单反应建立了描述流过热壁的甲烷、空气混合气二维层流模型，计算了着火过程。 k u m a d ”1 结合详细反应过程模拟了迟滞点流。从而计算了近壁处氢气或甲烷气与空 气的混合物着火所需最小砸积。 4 博士学位论文 1 2 4 水平热壁自然对流传热与温度分布特征 与文献 3 7 一致，本文对燃油油池或油膜在热壁着火的研究主要是针对水平壁 面进行的。和垂直壁面相比，对水平壁面上自然对流传热的研究少得多，而且有限 的一些结果也不是很统一，壁面热边界层的的物理特征没有被完全掌握。 对于一块水平热壁，浮力是自然对流情况下的唯一驱动力，其在沿壁面方向没 有分量。因此，所有可能最后升起的切向流动。定不是被直接驱动的，而是由浮 力产生的负压梯度造成的。这种类型的边界层流最先是由s c h m i d t 乘l w e i s e 【1 8 】在板的 前沿附近发现的。f i s h e n d e n 和s a u n d e r s 旧】最先提出描述传热大小的无量纲数符合下 列等式：j k = c ( 函p n ”。对于层流( 1 0 5 g r p r 2 1 07 ) ：c = o 5 4 ，r e = l 4 ，对于湍流( 2 1 0 7 g r p r 1 时，气体可燃：l c r = l 时，则是可燃极限；而当 l c r o 。4 0 1 21 2 则 s = 1 6 0 x ( m + o 0 4 ) = 1 6 0 x ( o 5 7 6 + o 0 4 ) = 0 9 9( 2 1 2 ) 盯= s d = 0 9 9 x 1 0 = 9 9( 2 1 3 ) 对于柴油，当环境温度为7 时，着火概率为o 0 1 时的热壁温度为 t 。= 3 4 6 3 5 9 9 = 3 1 1 ( 2 1 4 ) 表2 4 1 0 # 柴油热壁着火实验结果 柴油的自燃点在3 0 06 c 左右。可以看出该实验条件下，着火发生时的热壁温度 非常接近于柴油的自燃点。 2 3 ，2 着火方式 当壁温高于大于6 0 0 。c ，液体燃油一接触到热壁就会在热壁上发生着火。当壁 温小于6 0 0 c 时，当有小油滴从液膜中迸出，或有油滴流出热壁，接触到加热炉外 壁时，会在接触处发生着火。除此之外，大部分着火都是发生在距离热壁较远处的 空中，着火点与热壁的垂直距离最高可达o 6 m 。 燃烧首先出现在热壁上方运动着的蒸汽团中，之后才向热壁面蔓延。典型过程 可见图2 1 0 。 图2 1 0 热壁液膜着火过程( 时间间隔1 2 4 s 5 m l 正十六烷，热壁温度3 4 5 ( 3 ) 2 3 3 着火延迟期 着火延迟朗亦称着火感应期，一般是指混合气体由开始发生反应到燃烧出现的 段时间。其更确切的定义是：在混合气已达到着火的条件下，由初始状态到温度 骤升的瞬问所需的时间。一般着火实验装置都无法完全根据该定义得到着火延迟期 结果，本文将液体接触热壁到发生着火的时问间隔定义为着火延迟期。表2 5 2 6 分别是燃油量为5 m l ，热壁温度小于6 0 0 时，正十六烷和正十二烷的实验结果，图 2 1l 2 t 2 是着火延迟期平均值随热壁温度变化。图2 1 l 显示正十六烷着火延迟期 随先是随温度升高而迅速减少，然后是略为增加，在4 8 0 以后随温度升高而减少。 图2 1 2 显示正十二烷着火延迟期先是随着温度升高而升高，然后是随着温度升高而 降低。为了得到燃油大小对着火延迟期的影响，本文又测定了l o m l 和1 5 m l 时正十 六烷在不同热壁温度时的着火延迟期大小，同样在每个温度下重复做三次实验，结 果如表27 2 8 。着火延迟期平均值如图2 1 3 所示意，可以看出。只在热壁温度接 近最小热壁着火温度点时，着火延迟期随燃油量增大而出现较大的延长，在其它温 度下变化都不是很大。造成以上实验结果的原因是热壁上的油池或油膜着火延迟期 的变化受热壁热流密度、周围空气温度和油池或油膜面积等因素的影响，具体分析 见本文的第3 章和第5 章。 表2 5 正十六烷热壁着火实验结果( 样品量：5 m 1 ) 表2 6 正十二烷热壁着火实验结果( 样品量：5 m d 博上学位论文 k 图2 i i 正十六烷着火延迟期随热壁温度的变化 1 k ， 图2 1 2 正十二烷着火延迟期随热壁温度的变化 表2 7 正十六烷热壁着火实验结果( 样品量：l o m l ) 着火延迟s 着火延迟平 着火点的高度e r a 温度 l # 2 撑3 # 均值s 1 撑2 撑3 # 3 1 5 9 2 29 5 88 2 59 8 3 3 2 12 15 9 3 3 6 0 3 7 93 8 83 9 63 5 4 1 8 62 5 33 2 5 4 0 54 2 4 5 2 l3 | 2 5 4 2 52 9 64 4 54 8 3 4 5 0 2 9 7 2 2 l3 3 3 3 3 82 2 31 5 95 5 2 4 9 5 3 8 14 4 23 8 83 i 35 6 3 2 4 81 2 3 5 4 0 4 8 85 0 43 4 66 1 33 1 5 5 67 8 5 8 5 4 2 l3 8 83 8 34 9 2 3 5 84 8 92 5 9 表2 8 正十六烷热壁着火实验结果( 样品量：1 5 m 1 ) 着火延迟，s着火延迟平 着火点的高度c m 温度 l 牟2 撑3 聋 均值s l 撑 2 存3 # 3 1 51 3 4 91 2 0 81 4 2 51 4 1 34 5 6 03 8 6 1 4 3 3 6 03 2 83 2 53 3 83 2 12 9 8 0 2 0 31 5 4 0 53 8 33 2 94 0 44 1 71 9 9 03 9 9 0 2 9 2 0 4 5 03 6 14 1 33 3 33 3 81 7 o o2 9 9 0 1 4 5 0 4 9 5 3 5 74 0 43 4 2 3 2 5 3 0 8 0 3 5 6 03 6 9 0 5 4 0 5 6 56 0 45 3 85 5 45 7 7 0 3 3 6 03 1 2 0 5 8 5 4 4 44 3 3 4 2 l4 7 91 2 0 01 4 6 02 8 6 0 图2 1 3 正十六烷着火延迟期随燃油量的变化 柴油的实验结果如表2 9 。可以发现，在热壁温度小于4 9 0 c 时，着火并不能保 证在每次实验中都发生而当热壁高于4 9 0 。c 后，着火基本上能在每次实验中发生 了。图2 1 4 是7 m l 柴油在热壁温度为4 9 0 * ( 2 6 0 0 c 时测的着火延迟期随热壁温度的 博士学位论文 变化，可以看出着火延迟期先随热壁温度升高而升高，然后出现下降的趋势，这与 图2 1 2 所示的正十二烷的结果变化相近，只是最大着火延迟期点所对应的热壁温度 值不同，正十二烷最大延迟对应的热壁温度是4 4 0 。c ，而柴油的是5 1 0 * c ，比正十二烷 的相应值要大。 表2 9 柴油热壁着火实验结果( 样品量：7 m 1 ) 温度 13 着火删4 s625平均延涨纂缀1，头越伙敢 3 5 02 2 84 6 03 0 8 3 3 23 7 3 6 04 2 x4 5 2x4 1 2 4 2 83 6 3 7 05 9 6x3 ，6 8x 2 9 24 1 9 3 8 3 8 0 xx55 25 7 6 5 6 42 6 3 9 05 0 4 5 6 x 5 3 22 1 5 4 0 0x4 5 64 0 8 5 3 2 2 5 4 1 0 x 3 9 2 xx 3 9 21 6 4 2 0x4 4 8 4 3 65 0 44 6 3 3 6 4 3 06 4 0 x xx6 4 01 6 4 4 0x4 0 06 4 4 x5 2 2 2 6 4 5 0 x5 0 0x4 7 64 2 0 465 3 6 4 6 0x x5 1 2x5 1 2 1 6 4 7 0x7 9 24 9 2 1 2 0 48 2 9 3 6 4 8 0 x 1 1 2 8x x1 3 2 41 2 2 6 2 6 4 9 0 3 7 2 6 2 75 3 29 5 64 2 45 9 6 5 8 5 6 6 5 0 03 87 9 21 1 2 4 8 1 63 , 86 9 8 5 6 5 1 01 0 6 46 7 28 2 03 7 2 7 3 1 4 4 5 2 06 8 06 8 01 1 3 6 7 0 8 6 8 94 4 5 3 06 2 85 2 46 7 67 7 2 6 5 0 4 4 5 4 05 4 06 9 67 1 6 5 5 26 2 6 4 4 5 5 06 7 26 8 07 3 96 0 8 3 8 86 1 7 4 4 5 6 06 0 48 1 2 5 6 03 6 4 5 8 54 4 5 7 04 8 04 1 25 4 0 7 3 65 4 2 4 4 5 8 07 24 3 65 4 0 5 6 5 3 3 5 9 05 6 0 5 6 4 5 6 8 5 6 43 3 6 0 03 7 65 0 03 2 0 4 1 63 3 注：x 一不着火 博士学位论文 图2 1 4 1 0 # 柴油着火延迟期随热壁温度的变化 2 3 4 着火点的高度 本文首先分析了不同热壁温度、燃油量和热流密度对着火点的高度的影响发 现着火点的高度的分布是随机的，同热壁温度、燃油量和热流密度等因素没有直接 的关系。然后，本文将三种燃油在热壁温度为3 0 0 c 6 0 0 。c ，燃油量为5 m l 1 5 m l 时测定的所有着火点的高度实验结果进行统计分析，各高度出现频率结果分别如图 2 1 5 - - - 2 1 7 所示。可以看出三种燃油的着火点的高度结果都呈现两头低，中间高的 态势，即最高值和最低值出现的较少，大部分测定结果都集中在2 5 c m 左右