（安全技术及工程专业论文）细水雾抑制熄灭气体射流火焰的实验研究.pdf

u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n a adi s s e r t a t i o nf o rd o c t o r sd e gr e e e x p e r i me n t a ls t u d yo nw a t e rmi s t s u p p r e s s i n gg a sj e tf l a m e v a u t h o r sn a m e ： s p e c i a l i t y ： s u p e r v i s o r ： f i n i s h e dt i m e ： j i al u s a f e t ye n g i n e e r i n ga n dt e c h n o l o g y p r o f g u a n g x u a nl i a o j u n e ，2 0 1 0 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名： 签字日期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中 国学位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 日公开口保密(年) 作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期型哔 摘要 摘要 随着我国城市化进程的不断加快，人口密度在不断增大，燃料消耗不断增 大，燃料结构也发生了的变化，气体燃料，如天然气等己逐渐成为城市生活燃 料的主体。但就在天然气被广泛的应用同时，增加了天然气泄漏及火灾、爆炸 事故发生的危险性。细水雾灭火技术由于其灭火高效、对环境无污染、对现场 人员和设备安全、用水量少等诸多优点，近年来越来越受到人们的重视。但是 以往的研究都主要关注于细水雾对固体和液体燃料的灭火效果，而对细水雾熄 灭可燃气体火灾的机理研究相对较少，将细水雾直接应用于熄灭可燃气体射流 火的实验研究则更为罕见。因此，本文通过模拟实验来研究细水雾抑制熄灭气 体射流火的有效性，深入探讨细水雾灭气体火灾的机理和影响因素。 本文首先设计了非预混气体射流火实验台，可模拟不同圆形喷嘴口径和不 同气体流量的射流火焰，用于研究气体射流火的火焰结构和火焰热辐射变化， 并在此基础上增加细水雾系统，进行开放空间内细水雾抑制熄灭气体射流火焰 和受限空间内细水雾与气体射流火焰相互作用的研究。 用喷嘴出口雷诺数将燃烧分为层流扩散阶段、层流扩散向湍流扩散过渡阶 段和完全湍流扩散阶段共三个阶段，通过改变喷嘴口径和气体流量，获得了射 流火在不同阶段的火焰形态特征。实验中发现射流火自我吹熄时的气体流量以 及喷嘴出口雷诺数r c 是随喷嘴口径大小递增的，口径较大喷嘴在流量较小时出 现低频焰脉动现象，有脉动火焰时的火焰高度和火焰辐射都与其它工况不同。 实验同时也分析了火焰高度随气体流量、喷嘴口径以及喷嘴出口雷诺数的变化 关系。 本文分析了射流火的火焰辐射强度与气体流量以及喷嘴出口雷诺数之间存 在的联系。研究发现当射流火的火焰底部出现淡蓝色并脱离喷嘴时，火焰辐射 强度随气体流量增加的增长率会明显降低，进而对火焰辐射强度非线性增长时 的特点进行了分析，总结了火焰辐射强度大小变化的一般性规律，对有脉动火 焰等现象时火焰辐射强度较强的原因也做了讨论。 开展了开放空间内细水雾抑制熄灭非预混甲烷气体射流火焰的模拟实验， 发现细水雾熄灭气体射流火焰时有两种不同的灭火过程并分析了两种过程的特 点。尝试用射流火的喷嘴出口雷诺数r c 来划分和判断细水雾熄灭气体射流火焰 难易程度，发现处于完全湍流燃烧阶段或近完全湍流燃烧阶段的射流火焰最难 灭。进而讨论了细水雾灭开放空间内气体射流火焰的主要机理，发现细水雾作 用于射流火焰的有效雾通量的吸热功率大小直接决定了是否能灭火成功以及灭 摘要 火的时间快慢。实验进而分析了细水雾压力的大小对灭气体射流火焰的效率的 影响，发现细水雾压力大时的灭火效率明显要高于压力小的情况。通过改变不 同细水雾喷射方式，发现在采用侧喷和从底部斜向上喷方式时的灭火效果非常 好。 通过模拟实验对受限空间内细水雾与气体射流火焰的相互作用进行了研 究，结果发现延迟施加细水雾的灭火效率比不延迟施加时要高，受限空间内火 源功率越大灭火效果越好。由于受限空间能够积累大量的水蒸气，使得细水雾 灭气体射流火焰的效果比开放空间内要好。 关键词：细水雾，非预混，射流火焰，受限空间，灭火机理，火焰高度，火焰 热辐射 a b s t r a c t a b s t r a c t a su r b a n i z a t i o n p r o c e s sa c c e l e r a t i n g ，t h ep o p u l a t i o n d e n s i t y a n df u e l c o n s u m p t i o no fc i t yw e r ec o n t i n u o u s l yi n c r e a s i n g ，a l s of u e lp r o p o r t i o nh a sc h a n g e d g a sf u e l ，s u c ha sn a t u r a lg a sh a sb e c o m et ot h em a i nf u e lo fu r b a nl i f e w h i l en a t u r a l g a sh a sb e e nw i d e l yu s e d ，t h er i s ko fn a t u r a lg a sl e a kf i r ea n de x p l o s i o nh a di n c r e a s d w a t e rm i s th a sb e e nr e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o nf o rf i r es u p p r e s s i o ni nr e c e n t y e a r sd u et om a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hf i r ee x t i n g u s h i n ge f f e c t i v e n e s s ，l e s s w a t e rc o n s u m p t i o n ，n op o l l u t i o nt oe n v i r o n m e n t ，s a f e t yt o p r o t e c to b j e c t se t c p r e v i o u ss t u d i e sh a v ef o c u s e do ne x t i n g u i s h i n ge f f e c to fw a t e rm i s tt os o l i da n d l i q u i df u e l h o w e v e rt h e r ew a sn o tm u c hr e s e a r c ho nm e c h a n i s mo fw a t e rm i s t e x t i n g u i s h i n g ，a n da p p l y i n gw a t e rm i s td i r e c t l yt oe x t i n g u i s hg a sj e tf l a m eh a db e e n s t u d i e dr a r e l y t h u s ，t h r o u g hs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，t h ee f f e c t i v e n e s so fw a t e rm i s t s u p p r e s s i n gg a sj e tf l a m eh a sb e e nr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r , a n d t h em e c h a n i s ma n d i n f l u e n c ef a c t o r so fw a t e rm i s te x t i n g u s h i n gg a sj e tf l a m eh a sb e e nd i s c u s s e di n d e p t h a n o n p r e m i x e dm e t h a n ej e tf l a m ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw a sb u i l tt os i m u l a t e g a sj e tf l a m ea td i f f e r e n td i a m e t e rc i r c u l a rn o z z l ea n dd i f f e r e n tg a sf l o w t h r o u g h t h i se x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，f l a m es t r u c t u r ea n dt h e r m a lr a d i a t i o no fg a sj e tf l a m eh a s b e e ns t u d i e d t h e nw a t e rm i s ts y s t e mh a db e e np u to nt h ej e tf l a m ee x p e r i m e n t a l p l a t f o r mt os t u d yw a t e rm i s ts u p p r e s s i n gg a sj e tf l a m ei no p e ns p a c e ，a n dt os t u d y t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nw a t e rm i s ta n dg a sj e tf l a m ei nc o n f i n e ds p a c e t h eg a sj e tf l a m ew a sd i v i d e db yn o z z l ee x i t sr e y n o l d sn u m b e ri n t ot h r e e p h a s e sw h i c hw e r el a m i n a rd i f f u s i o np h a s e ，f u l l yt u r b u l e n td i f f u s i o np h a s ea n dt h e p h a s eb e t w e e nt h e m n o z z l ed i a m e t e ra n dg a sf l o w h a v eb e e nc h a n g e dt oo b t a i n f l a m es t r u c t u r ea td i f f e r e n tr e y n o l d sn u m b e r i tw a sb e e nf o u n dt h a tt h eg a sf l o w a n dr e y n o l d sn u m b e r sa tb l o w i n go u tw e r ei n c r e a s e dw i t hn o z z l ed i a m e t e r t h e r e w a sap h e n o m e n o no fl o wf r e q u e n c yp u l s a t i o nf l a m ei nb i g g e rd i a m e t e rn o z z l e sa t l o wg a sf l o w , a l s ot h ef l a m eh i g h ta n dt h e r m a lr a d i a t i o no ft h el o wf r e q u e n c y p u l s a t i o nf l a m ew e r ed i f f e r e n tf r o mt h eo t h e r s t h ef l a m eh i g h t sc h a n g ew i t hg a s f l o w , n o z z l ed i a m e t e ra n dr e y n o l d sn u m b e r sw a ss t u d i e d t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n to fw a t e rm i s ts u p p r e s s i n gn o n - p r e m i x e dm e t h a n ej e t f l a m ei no p e ns p a c ew a sc a r r i e do u t i tw a sb e e nf o u n dt h a tt h e r ew e r et w ok i n d so f n i a b s t r a e t e x t i n g u i s h i n gp r o c e s s t h en o z z l ee x i t sr e y n o l d sn u m b e rw a sb e e nu s e dt od i v i d e a n d j u d g et h ed i f f i c u l t yo fw a t e rm i s ts u p p r e s s i n gg a sj e tf l a m e ，a n di tw a ss h o w n t h a tt h eg a sj e tf l a m ea tn e a ra n df u l l yt u r b u l e n td i f f u s i o nw a sv e r yd i f f i c u l tt o e x t i n g u i s h t h em a i nm e c h a n i s mo fw a t e rm i s te x t i n g u i s h i n gg a sj e tf l a m ei no p e n s p a c eh a sb e e nd i s c u s s e d ，a n di tw a sa p p e a r e dt h a tt h es u p p r e s s i n ge f f e c tw a s d i r e c t l yd e p e n d e do nt h ee n d o t h e r m i cp o w e ro fe f f e c t i v ew a t e rm i s tf l u x t h r o u g h a n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo f w a t e rm i s tp r e s s u r eo ne x t i n g u s h i n gg a sj e tf l a m e ，i tw a s b e e nf o u n dt h a th i g hp r e s s u r ew a t e rm i s th a dh i g h e re x t i n g u i s h i n ge f f i c i e n c yt h a n l o wp r e s s u r ew a t e rm i s t d i f f e r e n ti n j e c t i n gm e t h o d sh a sb e e na t t e m p t e d ，a n dt h e r e s u l t ss h o w e dt h a ts i d ei n j e c t i n ga n db o t t o mi n j e c t i n gh a dg r e a te x t i n g u i s h i n g e f f i c i e n c y as i m u l a t i o ne x p e r i m e n th a sb e e nc a r r i e do u tt os t u d yt h ei n t e r a c t i o no fw a t e r m i s ta n dg a sj e tf l a m ei nc o n f i n e ds p a c e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw a t e rm i s tr e q u i r e d m u c ht i m et oe x t i n g u i s h i n go b s t a c l ef i r ea n dal i t t l et i m et oe x t i n g u i s ht h ef i r eo f c o n d i t i o no fd e l a y i n gi n j e c t i n gw a t e rm i s t i tw a sa p p e a r e dt h a t i nc o n f i n e ds p a c e ， t h eb i g g e rf i r es o u r c ep o w e rw a s ，t h ee a s i e rw a t e rm i s ts u p p r e s sf i r e b e c a u s e c o n f i n e ds p a c ec o u l da c c u m u l a t eal o to fv a p o r , w a t e rm i s th a ss h o w nb e t t e r e x t i n g u i s h i n ge f f i c i e n c yi nc o n f i n e ds p a c et h a ni no p e ns p a c e k e yw o r d s ：w a t e rm i s t ，n o n - p r e m i x e d ，j e tf l a m e ，c o n f i n e ds p a c e ，f i r ee x t i n g u i s h i n g m e c h a n i s m ，f l a m eh i g h t ，f i r er a d i a t i o n i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第一章绪论l 1 1 研究背景l 1 2 国内外研究现状4 1 3 研究目标8 1 4 研究内容及技术路线8 参考文献9 第二章细水雾抑制熄灭非预混气体射流火实验台设计1 7 2 1 引言1 7 2 2 气体射流火火焰特性实验台设计1 7 2 3 开放空间内细水雾抑制熄灭气体射流火实验台设计1 9 2 4 受限空间内细水雾与气体射流火相互作用实验台设计2 0 2 5 细水雾发生系统2l 2 6 测量设备及方法2 3 2 7 小结2 8 参考文献2 8 第三章甲烷气体射流火焰结构研究2 9 3 1 引言2 9 3 2 实验方法及测量2 9 3 3 火焰形态的变化3 0 3 4 火焰高度的变化3 3 3 5 小结4 0 v 目录 参考文献4 0 第四章甲烷气体射流火焰辐射特性研究一4 3 4 1 引言4 3 4 2 火焰温度4 3 4 3 火焰热辐射随气体流量的变化4 5 4 4 火焰热辐射随雷诺数的变化5 2 4 5 脉动火焰热辐射5 5 4 6 j 、结5 8 参考文献5 9 第五章开放空间内细水雾抑制熄灭甲烷射流火焰模拟实验研究6 1 5 1 引言6 l 5 2 实验方法及测量6 l 5 3 灭火过程及其机理分析6 3 5 4 雷诺数对灭火效率的影响6 7 5 5 细水雾压力对灭火效率的影响7 2 5 6 细水雾抑制火焰辐射7 4 5 7 细水雾作用方式对灭火效率的影响7 5 5 8 小结7 9 参考文献8 0 第六章受限空间内细水雾与甲烷射流火焰相互作用实验研究8 1 6 1 引言8 l 6 2 实验方法及测量8 l 6 3 典型实验结果及分析8 3 6 4 受限空间灭气体射流火机理分析9 8 6 5d 、结1 0 3 参考文献10 4 第七章结论及下一步工作展望1 0 5 7 1 本文主要工作及结论。10 5 7 2 本文主要创新之处1 0 7 v i 目录 7 3 下一步工作展望1 0 7 致谢1 0 9 攻读博士期间发表论文1 l1 第1 章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来，我国经济建设发展迅速，能源已成为发展的重要保障之一，能源 问题甚至直接制约着经济的发展。随着我国城市化进程的不断加快，大城市数 量在不断增加，城市人口也在不断攀升，人类对能源的需求越来越大，能源供 应也成为了每个城市的“生命线”。而正是随着人口密度的增大，建筑物的增多， 以及燃料消耗的增大，燃料结构也发生了的变化，气体燃料，如煤气、液化石 油气和天然气等已逐渐成为城市生活燃料的主体。 天然气与煤炭以及石油相比，是一种更优质能源。天然气是高效的气体燃 料，其热值大约是煤气的3 倍，同时又是非常清洁的燃料，燃烧时产生的温室 气体只有煤炭的i 2 ，石油的2 3 。天然气可以用于发电，可减少环境污染，且 经济效益高，也可用于制造各种化工产品如氮肥等，而最广泛被使用的就是城 市燃气特别是居民生活用燃料。 我国是最早开发利用天然气的国家之一，具有良好的天然气资源基础，我 国能源需求尤其是对天然气等清洁能源的需求正日益增长，这也促进了我国天 然气工业的快速发展。在未来十年内，天然气有可能取代石油成为第一能源。 世界天然气产业一直在平衡上升，目前呈现出发展加快的趋势，这主要是因为 世界正处于能源结构的变革之中，人们要求减少温室气体排放，天然气作为清 洁能源，需求旺盛，刺激了天然气生产的发展【l j 。发展天然气工业巳成为2 l 世 纪世界各国改善能源结构与环境和实现经济可持续发展的最佳选择1 2 】。 我国自2 0 0 0 年启动了“西气东输”工程，如图1 1 ，将西部丰富的天然气 资源输送到了东部能源短缺地区，为东部地区的经济、社会全面发展提供了保 障，并获得了东西部双赢的良好成果。现今我国许多城市也都普及了管道天然 气，为广大老百姓的生活提供了经济实惠又方便环保的能源。 第1 章绪论 图1 1 “西气东输”工程 不过也正是因为天然气被广泛的应用，增加了天然气泄漏及火灾、爆炸事 故发生的危险性，城市内的地下燃气管道多在街道地下铺设，一旦泄漏并发生 火灾，将对周边人员生命安全造成威胁，对物质财产造成极大的损失。 北京时间2 0 0 9 年5 月1 0 日4 点3 0 分，在俄罗斯首都莫斯科发生了自二战 结束以来最大的火灾，与米丘林大街平行的大奥恰科夫斯卡亚街的地下天然气 管道发生爆炸并弓；发火灾，如图1 2 。现场燃起的火焰曾一度高达2 0 0 米，造成 5 人受伤，火焰热辐射引燃了附近的停车场和楼房，燃烧产生的高温烧毁了地 下埋设的通讯电缆。 图1 2 莫斯科天然气管道泄漏火灾 2 第l 章绪论 北京时间2 0 0 7 年4 月6 口翠8 时左右，沈阳市南 马路附近发生一起天然 气泄漏事故，并引发大火，如图1 3 。事故造成了周嗣地区的停气和停电，幸好 未造成更大的财产损失硬人员伤亡。 图1 3 沈阳天然气管道泄漏火灾 2 0 0 8 年1 月2 5 日，西安市一辆行驶中的天然气公交车因气瓶泄漏引发火 灾事故导致司机和部分乘客受轻伤，公交车被烧毁，如图1 4 。 图1 4 西安天然气公交车火灾 天然气泄漏火灾具有与一般室内火灾、液体燃料火灾不同的几个特点：1 ) 可燃气体一经点燃就会发生爆炸或燃烧，由于气体泄漏速度快、扩散速度快、 火焰传播迅速，瞬间就会波及很大范围，火灾发展没有阶段性；2 ) 由于火灾发 生后相关人员会及时切断气源，火势的发展往往开始时很大，然后随着泄漏压 力及流量的减小而逐渐变小，所以火灾发生的初始期危险性很大：3 ) 天然气的 燃烧热值大。火焰温度高，火焰辐射范围广且强；4 ) 火焰一般为气体射流火， 火焰体积大，很小的泄漏口就能形成很大而积的火焰，火焰不容易被扑灭而且 第l 章绪论 易复燃，造成二次事故。 造成这些城市燃气火灾事故的原因主要是：1 燃气管道设备的老化、腐蚀 以及各种安全保护装置的失效；2 城市地下各种管道错综复杂，建筑施工时因 不熟地下管网铺设而挖破燃气管道，造成突发泄漏等。 中国传统文化中的五行学说里就有“水克火”，水从古至今都是人们用于治 火的主要方法。随着社会的不断发展，火的形式在不断的更新，各种新类型的 火灾出现在人类生活当中，而随着科技的不断进步，水的形式也在不断创新， 人类利用水来治火的方法有了很大的改进，细水雾灭火则最具代表性。 细水雾具有灭火迅速、耗水量少和对防护对象破坏小等特点，已成为国际 火灾科学研究的热点之一。细水雾灭火剂对环境无污染，不会损耗臭氧层或产 生温室效应，而且灭火介质廉价又易获取，所以在喷水灭火系统中占有重要的 地位【3 1 。 细水雾灭火技术就是利用加有一定压力的细水雾喷头将射流分解成为细小 雾滴，细水雾雾滴最粗部分颗粒直径d v o 9 9 不大于1 0 0 0 u m ，在相同的水量条件 下，细水雾的表面积很大，大约是水滴的1 0 0 倍，当细水雾直接喷射或被卷吸 进入火焰内部时，可达到控制、抑制和熄灭火焰的目的【4 , 5 1 。 细水雾灭火主要有三个主导机理，分别为燃料表面冷却、火焰冷却和稀释 氧浓度【o 7 8 9 l 。细水雾作用于火焰时，雾滴迅速吸热并汽化成水蒸气，体积扩大 约1 6 0 0 倍，较大的汽化吸热量能够降低燃烧区的温度，使反应速度下降，燃烧 被抑制，细水雾大量的汽化潜热降低了火焰区及气相燃料的温度，同时水蒸气 也会降低反应区的氧气浓度，氧气稀释作用也抑制了燃烧反应速度；细水雾及 其蒸汽吸收了部分热辐射，降低了火焰对燃料的热反馈，减少了激发反应区化 学反应所需要的热量；细水雾接触燃料表面，因吸热降低了燃料表面的温度， 减少了燃料的气化蒸发，从而降低了反应区的可燃气体的体积分量【5 】。 细水雾的灭火效率高，其灭火剂为非常容易取得的水且用量少，又有安全 环保的优点，因而被广泛应用于石油、化工、交通、信息等领域的火灾防治中。 本文拟将细水雾灭火技术引入对天然气等可燃气体泄漏火灾的防治当中，通过 对灭火有效性的研究，为细水雾抑制熄灭气体火灾提供理论依据与数据支持。 1 2 国内外研究现状 科研工作者对气体射流火的研究已进行了很多年，许多经典的理论与推理 已建立，近些年科研人员的注意力主要都集中在预混与非预混、协流与逆流射 流火的稳定性、火焰传播速度、火焰边界层、烟炱产生情况等方面。 4 第l 章绪论 c o i y o g u n l l o 1 1 1 2 1 等对喷嘴出1 2 1 的几何形状对射流火稳定性的影响做了研 究，发现出口形状不对称的喷嘴其火焰被抬升的高度要低于出口形状为轴对称 的喷嘴，各种类型喷嘴射流火的火焰抬升高度与其出口气体速度成一定的线性 关系。三角形和长方形喷嘴有两个截然不同的火焰脱离喷嘴的转变区域，喷嘴 的出口形状也影响到了射流火脱离喷嘴和吹脱时的流速，不对称的喷嘴其吹脱 时的流速更高，长方形喷嘴射流火的吹脱火焰高度要高于圆形收缩喷嘴，并且 其火焰脱离喷嘴时的流速、抬升高度和火焰高度都要低于圆形收缩喷嘴，表明 三维非对称燃料喷嘴能够明显增强非预混涡流火焰的稳定性。当喷嘴出口处设 置了一圈耐火挡板，结果显示增加了气体混合速度，这就使得火焰抬升高度降 低，而且挡板对非对称几何结构喷嘴的影响要明显大于对轴对称几何结构喷嘴 的影响，所有喷嘴的火焰抬升高度几乎是随气体出口速度呈线性增长的，长方 形喷嘴在有和没有挡板时的火焰抬升高度都是最低的。w “d o n gh s i e h i l 3 】等对 有墙壁遮挡时甲烷火焰的稳定性进行了实验研究；s k c h o i t l 4 】等利用数值计算 的方法模拟了甲烷氧气混合火焰边界层的精细化学结构，显示甲黼气混合火 焰与甲崩空气混合火焰的边界层是不同的：p g r i e b e l l l 5 】等通过实验测量了高压 情况下甲烷空气预混湍流火焰速度并与现有的关系式进行对比，研究了火焰前 锋以及火焰厚度，并发现随着湍流强度的增加以及燃烧器出口整体长度的增加， 火焰的长度会缩短。a s g o r d o n t 】等从理论与实验两方面研究t c 2 i - 1 6 、c 2 i - 1 4 、 c 2 h 2 和c h 4 ，还有在其中添加氢气的合成燃料c 2 h 6 + h 2 、c 2 h 4 + h 2 、c 2 h 2 + h 和 c 2 h 2 + 2 h 2 的可见光部分的火焰高度。s n a v a r r o m a r t i n e z i 7 】等利用l e s c m c 模 型对甲烷浮力火焰进行了大涡模拟；h a b i bn n a j m 1 8 】等运用实验与数值模拟 相结合的方法对甲烷空气预混火焰的瞬时特性做了研究，给出了非稳态流场环 境下的化学输运模型。m r h s h e i k h i 1 9 1 、c p a n t a n o t 2 0 l 、r a m a n a n s a n k a r a n 2 、s j a m e s 2 2 1 、r a d um u s t a t a 2 3 】、d g n o r t o n 【2 4 1 、b a r i s i m a z 【2 5 1 、 f e n g s h a nl i u l 2 6 1 等也利用不同的计算模型与方法从火焰形态、燃烧化学反应、火 焰边界层结构、火焰稳定性、火焰前锋特性等方面对甲烷火焰以及本生灯火焰 进行了数值模拟。 徐琼辉1 27 】等则对非预混燃烧中喷嘴结构布局对火焰长度影响进行了研究， 发现燃烧器喷口的数量和喷口间距是影响燃烧器效率的两个很重要的因素，燃 烧器喷口间距为两倍的喷口直径时，火焰长度最长，同时高温区域范围也最广。 陈志斌1 2 8 】等运用图像亮度统计分析方法来测量火焰高度及火焰频率特征其结果 与理论预测值符合较好。郭庆华【2 9 】等利用实验研究了酒精氧气同轴自由射流火 焰特征，湍流火焰的长度在富氧的条件下随着酒精流量的增加而增大，当达到 完全燃烧状态时达到最大值，之后随着燃料的继续增加火焰长度将逐渐减小。 第l 章绪论 刘勇【3 0 】等对预混燃气射流火的火焰噪声与火焰稳定性做了研究，发现火焰燃烧 噪声在火焰将要脱火的i 临界状态下达到最大，此时局部火焰燃烧速度为最大， 并认为未燃气体突入火焰内部产生微小爆炸，导致了宏观的声发射的突然增大。 孔文俊【3 1 , 3 2 】等计算了不同重力条件对扩散射流火焰动态特性的影响，发现重力 与火焰频率之间有一定的关系。蒋利桥【3 3 】等对自由射流预混微尺度火焰的燃烧 特性做了研究，发现微尺度下甲烷空气预混合火焰为层流蓝色火焰，即使在高 的燃料当量比情况下，微尺度火焰不会出现由于碳烟生成导致的黄色火焰，低 流速下微火焰呈现球形结构，火焰的高度受燃料流速、燃料当量比和微喷管直 径的影响，燃料当量比和微喷管直径的减少使得火焰高度降低，相同当量比条 件下，无因次参数i v d ( 火焰高度微喷管直径) 与喷管出h r e 数呈同一线性关 系，但随燃料当量比的减小，h d r e 线性关系式斜率变小。 火焰的辐射主要是燃烧过程中生成的烟炱产生的，h e m a n tp m u n g e k a r 【3 4 等 对预混甲烷协流火焰的辐射强度和烟炱发射率进行了研究；f x u 3 5 , 3 6 贝, l j 对层流 预混甲烷火焰的烟炱生成区域结构进行了实验分析；n h q a m a r 【盯j 、z z h a n g 3 8 】、s j b r o o k e s 3 9 】还分别对预混、非预混甲烷射流火的烟炱体积分 数进行了实验测量与数值计算；c r k a p l a n 4 0 】则通过数值计算分析了气体流 场对正向与反向甲烷空气扩散火焰的烟炱形成的影响：j i ez h a n g 4 h 还对稳定 火焰和晃动火焰的甲烷层流扩散火的烟炱微观结构进行了分析。杨立中1 4 2 j 等将 火焰中心模拟成一个点源，对碳氢燃料泄漏火灾的火焰热辐射强度进行了估算， 并分析了热辐射对人的危害程度。 细水雾灭火系统在上世纪早期就已被研发和应用。二十世纪五十年代中期， m u g e l e 4 3 j 等已经研究了用细水雾熄灭液体和固体燃料火灾的基本原则， r a s b a s h h 4 , 4 5 】等进一步发展了在熄灭碳氢化合物油池火时细水雾粒径分布和速 度的关系。 科研工作者对细水雾灭火技术的研究随着其应用领域不断扩展而不断深 入，国内外众多研究人员，针对不同环境工况，围绕各种典型场所的火灾类型 分别进行了探讨研究。z l i u 4 6 1 、g e r a r d 4 7 1 、k u l d e e pp r a s a d 4 8 4 引、l i uy i m i n 5 们、 j q i n 5 l 】等分别对细水雾灭烹饪油火、机舱火灾、车厢内火灾、甲醇池火、p v c 材料火焰以及高原环境下酥油火灾进行了实验和数值模拟研究。w e n h u a y a n g 5 2 ，5 3 l 以及e pk e r a m i d a 蚓等利用数值方法模拟了细水雾液滴与水蒸气 共同作用下对火焰热辐射的衰减作用，在火焰周围细水雾的质量分数超过1 0 时，火焰辐射在3 米外可被衰减至原来的2 0 ，还计算了细水雾对预混甲烷空 气的火焰结构、燃烧速度的影响以及细水雾液滴大小对灭火的影响，发现模型 中使用的小粒径液滴的灭火效率最高，但是当液滴尺寸减小到某个值以下时就 6 第l 章绪论 不再有任何灭火优势。j q i n t 5 5 j 等进行了细水雾灭p m m a 火焰的实验研究，结果 显示细水雾对小尺寸p m m a 火有非常好的灭火效果，当细水雾有足够雾通量时 灭火是压倒性的，通风量较低时灭火也较易，但是会产生更多的一氧化碳等有 毒气体。w gw e n g 5 6 j 等则研究了细水雾对p m m a 火焰的灭火机理，认为细水 雾的吸热冷却降温作用使芳香化合物的氧化与裂解能力下降，使得热释放速率 不断减小从而被熄灭。c h u k ac n d u b i z u 5 7 】等对不同粒径细水雾以顶喷和侧 喷方式灭液态燃料池火进行了实验研究，发现从底部喷射雾滴的灭火效率大约 是从顶部喷射灭火效率的两倍，较小粒径的液滴在各喷射方式中灭火效果都是 最好的，与熄灭低沸点燃料相比，细水雾灭高沸点燃料效果更好。j r i c h a r d t 5 8 】 对细水雾作用下的池火火焰结果进行了实验研究，发现火羽流在燃料表面被完 全分解，然后被熄灭或者再点燃，研究也发现细水雾产生的水蒸气并不能被有 效推至燃料表面进行窒息作用，但细水雾燃料表面的吸热冷却与稀释氧浓度两 者混合的作用非常强烈。s p a u lf u s s t 5 9 1 等通过实验发现细水雾的灭火效率大 约是n 2 和c f 4 的3 5 倍，而且与水蒸气一样对降低甲烷空气火焰燃烧速率的效 果是n 2 和c f 4 的两倍。l i ux u a n y a 删等研究了同向协流时细水雾对甲烷空气预 混火焰的熄灭作用，并用高速摄影仪拍摄了相互作用的过程，发现在相同细水 雾作用条件下，随着燃烧速度的增加，细水雾与火焰相互作用的时间变长，火 焰拉伸的速率也随着甲烷浓度的增加而变大，甲烷浓度较低时，火焰更容易被 熄灭，在细水雾的量不足的情况下，火焰的拉伸和弯曲现象更加明显。go t h o m a s 6 1 1 和t e r e s ap 卸r a 【6 2 l 等对细水雾熄灭甲烷空气预混火焰进行了数值模 拟，结果发现细水雾延迟了火焰前锋是与压力波有关的，当燃烧反应速率下降 时，反应区域的宽度有了明显的增长，计算结果还显示出液滴的分解过程也是 由于压力波，液滴尺寸越小，吸热与汽化的速度就更快，灭火的效率就更高， 而细水雾灭火时，雾滴粒径小于5 0 u r n 的雾滴起到了主要作用。x g u 6 3 , 6 4 1 等将 水蒸气加入空气当中，研究空气湿度对非预混甲烷射流火火焰流场和火焰稳定 性的影响，结果发现空气潮湿时的火焰结构与非潮湿空气的火焰结果相似，但 是却减小了火焰的稳定性，火焰更容易由回流燃烧状态过渡到中心射流主导火 焰的燃烧状态。h i r o s h is h i m i z u 6 5 】用纹影摄影拍摄了细水雾与甲烷火焰相互作 用的过程，发现在小尺寸实验中细水雾存在着对火焰的窒息作用，并在数值模 拟中发现细水雾的雾滴粒径对火焰形态有一定影响，认为细水雾将火焰包裹住 后可以发挥窒息灭火的作用。b r u c ed o w n i e 删在细水雾与甲烷浮力扩散火焰的 相互作用实验中也测得了细水雾有明显抑制火焰辐射的效果。丛北华等通过水 蒸气抑制熄灭杯式燃烧器扩散火焰的实验分析了其抑制灭火的作用机理，证明 通过吸热、稀释氧浓度、减少燃料供给等方法来破坏火焰根部的预混燃烧条件 7 第1 章绪论 是扑灭火灾最有效的途径。b i ny a o 【6 7 6 8 】等通过数值模拟与实验的方法研究了受 限空间内细水雾与扩散火焰的相互作用，发现细水雾主要通过置换氧气、汽化 吸热以及衰减热辐射来抑制火焰，当雾通量足够大时，细水雾起到抑制火焰的 作用，而且通风条件越差，抑制效果越好。陈吕义【6 9 】等对超细水雾抑制受限空 间轰燃有效性进行了实验研究，发现在雾通量足够大时能有抑制烟气层的温升， 阻止轰然的发生。s u n gc h a nk i m 7 0 1 用实验与数值模拟了细水雾抑制受限空间内 乙烷和甲醇池火的情况，发现细水雾在降低烟气层温度时出现快速降温和分段 降温两种方式，细水雾施加后氧浓度显著下降。c c n d u b i z i7 1 j 和秦俊【7 2 j 都利用 小尺寸实验研究了细水雾抑制气体扩散火焰的主要作用机理，发现细水雾明显 降低了反应区的温度和反应速率，认为细水雾