不同可燃液體層高度下浸潤多孔介質(zhì)砂床組合燃燒特性實驗研究

可燃液體浸潤多孔介質(zhì)燃燒現(xiàn)象，廣泛存在于化工、能源、環(huán)保等行業(yè)[1]，其燃燒蔓延行為明顯區(qū)別于液體火[2-5]。對于可燃液體浸潤多孔介質(zhì)燃燒的研究和理解不僅有利于此類火災(zāi)的安全防控，還有利于多孔介質(zhì)環(huán)境（土壤、砂地）中可燃液體泄漏污染的去污化處理。相比純液體燃料燃燒獲得廣泛研究和關(guān)注[6-10]，目前對于可燃液體泄漏浸潤多孔介質(zhì)燃燒行為和關(guān)鍵參數(shù)變化規(guī)律的關(guān)注相對較少[11]。

現(xiàn)有關(guān)于可燃液體浸潤多孔介質(zhì)燃燒的相關(guān)研究主要集中在非傳播型擴散火焰燃燒特性及火焰蔓延行為[12-26]。對于液體燃料浸潤多孔介質(zhì)砂床非傳播型擴散火焰燃燒特性的研究，學(xué)者們主要關(guān)注燃燒過程中燃料質(zhì)量損失速率、砂床內(nèi)部溫度、火焰特征等特征參數(shù)以及毛細效應(yīng)和相變主導(dǎo)的傳熱傳質(zhì)過程。Kong等[12]研究了可燃液體浸潤不同深度多孔介質(zhì)砂床的非傳播型擴散火焰燃燒特性，揭示了燃燒初期階段傳熱主導(dǎo)機制以及不同砂床浸潤深度下的毛細效應(yīng)傳質(zhì)特性。Chao等[13]研究了不同多孔介質(zhì)砂床和燃料種類組合下的燃燒行為，分別使用了普通砂、鋼珠、沸石，和甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇，建立了一個基于導(dǎo)熱主控機制的砂床內(nèi)部傳熱模型，可以用來在一定程度上預(yù)測燃料消耗。Chen等[14]研究了柴油燃料浸潤不同粒徑的松木粉組成的多孔床，分析了共燃過程中火焰高度、脈動頻率、質(zhì)量損失速率、多孔床溫度分布等參數(shù)的變化規(guī)律。

對于液體燃料浸潤多孔介質(zhì)砂床傳播型燃燒場景，前人主要關(guān)注其火蔓延特征行為和火蔓延速度等參數(shù)以及環(huán)境風(fēng)、坡度的影響。Hirano等[16]對原油浸潤多孔介質(zhì)污泥表面火焰蔓延特性展開了研究，出于火災(zāi)安全角度，對此類問題的蔓延機制進行了初步探索。Zanganeh等[17]研究了有限燃料供應(yīng)潤濕條件下可燃液體浸潤多孔床表面水平火蔓延速度和溫度分布，結(jié)合對可燃液體和多孔介質(zhì)的傳熱分析，定性地解析了多孔介質(zhì)內(nèi)部傳質(zhì)輸運過程。隨后Zanganeh等[18]進一步研究了可燃液體浸潤多孔介質(zhì)砂床傾斜火蔓延行為，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著坡度增加，砂床表面火蔓延速度顯著降低，并且相較于向下蔓延，火焰向上蔓延速度更快。Ishida[19]研究了可燃液體浸潤玻璃珠多孔床表面火蔓延行為。研究發(fā)現(xiàn)與液體火蔓延相比，可燃液體浸潤多孔介質(zhì)砂床表面蔓延速度顯著降低，火蔓延特性與由毛細效應(yīng)和相變主導(dǎo)的傳質(zhì)供應(yīng)率和火焰前沿燃料消耗率比值有關(guān)。隨后，Ishida等[20-22]進一步研究了環(huán)境風(fēng)作用下的可燃液體浸潤多孔介質(zhì)砂床表面火蔓延，發(fā)現(xiàn)砂床表面的火蔓延行為與環(huán)境風(fēng)作用下砂床表面可燃蒸氣層結(jié)構(gòu)有關(guān)，并提出了一種描述可燃液體浸潤多孔介質(zhì)表面火蔓延模式的表征方法。Zanganeh等[23]研究了有限燃料供應(yīng)潤濕條件下砂床表面火蔓延。通過Damk?hler數(shù)分析，分別對無風(fēng)環(huán)境、順流、逆流條件下的火蔓延速度變化規(guī)律進行了解析。Fu等[24]研究了不同燃料比和粒徑條件下柴油浸潤多孔介質(zhì)砂床表面火蔓延。研究發(fā)現(xiàn)，火蔓延速度隨著燃料比的增大和粒徑的減小而增大。對于低燃料比場景，毛細效應(yīng)和砂床導(dǎo)熱是主導(dǎo)因素，而對于高燃料比工況，液體對流和火焰輻射是主控因素。

上述典型研究大多是在浸潤或潤濕狀態(tài)下，即可燃液體充滿砂床孔隙（浸潤）或可燃液體較少部分浸潤多孔介質(zhì)的情形（潤濕）。當(dāng)可燃液體泄漏量較大時，還可能受到邊界限制在多孔介質(zhì)浸潤層上方形成一定厚度的純液體層。液體層的存在會影響向浸潤多孔介質(zhì)層的傳熱，浸潤石英砂層也會影響液體層燃燒行為，這種組合燃燒特性還未得到充分研究。本工作重點關(guān)注液體層高度這一影響因素，對組合場景下砂層上方液體層燃燒行為及可燃液體浸潤多孔介質(zhì)砂床燃燒行為進行了專題研究，針對液體層和浸潤砂層燃燒特性主要表征參數(shù)，質(zhì)量損失速率、火焰高度、羽流溫度分布和砂床溫度分布進行了測量和分析，探究了液體層和浸潤多孔介質(zhì)砂層燃燒相互影響機制。當(dāng)前研究可為此類火災(zāi)問題安全防治和應(yīng)急處理提供一定程度的參考。

1 實驗設(shè)計和程序

1.1 實驗裝置和測量系統(tǒng)

可燃液體浸潤多孔介質(zhì)砂床燃燒實驗裝置如圖1所示。使用4個圓形不銹鋼燃料盤，其高度分別為60、80、100、120 mm，內(nèi)徑均為80 mm，燃料盤外表面用20 mm石棉包裹以減少熱損失。使用精度為0.1 g電子天平測量質(zhì)量損失速率。兩臺高清攝像機用于記錄火焰結(jié)構(gòu)特性，拍攝速度為25幀/s，正面攝像機位于燃料盤前方1500 mm處，側(cè)面攝像機距燃料盤水平距離為800 mm?；鹧娓叨雀鶕?jù)前人推薦的識別算法從相機視頻中提取，定義火焰出現(xiàn)概率為0.5位置為當(dāng)前研究中的火焰高度[27]。使用0.5 mm直徑的K形熱電偶測量砂床、液體層及羽流軸向溫度，如圖2所示（液體層為60 mm工況）。以多孔介質(zhì)砂床表面為y=0基準(zhǔn)面，砂床內(nèi)部布置3×3陣列測點，橫坐標(biāo)分別為x=0、-20、-35 mm，縱坐標(biāo)分別為y=-15、-30、-50 mm。液體層設(shè)置3×3陣列測點，橫坐標(biāo)與砂床相同，縱坐標(biāo)分別為y=10、30、50 mm。16個測點設(shè)置于火焰羽流軸向中心線，臨近火焰底部測點位于初始液面上方10 mm處，近火焰區(qū)測點間距為30 mm，較遠區(qū)域間距為50 mm。

圖1

圖1   實驗裝置示意圖

Fig.1   Experimental configuration

圖2

圖2   溫度測點布置圖

Fig.2   Layout of thermocouple points

1.2 實驗工況

可燃液體選擇體積濃度為99.9%（體積）乙醇，多孔介質(zhì)砂床由純度為96%(質(zhì)量)石英砂堆積而成，使用3種粒度的石英砂，平均直徑分別為0.191、1.800、3.175 mm。初始液體層高度是通過定制的燃料盤控制。對于特定高度的燃料盤，加注燃料至液面與燃料盤表面齊平，可燃液體首先會浸潤充滿石英砂層孔隙，隨后在其上方積聚形成一定高度液體層。石英砂層高度為60 mm，考慮4種砂層上方液體層高度工況，分別為0、20、40、60 mm。燃燒過程中，液面隨著燃料消耗逐漸下降，液面與燃料盤邊緣高度差會對燃燒存在一定程度影響，但對當(dāng)前研究的影響相對有限，前人研究已做出很好的解釋[9, 12]。此外，設(shè)置了空白對照實驗，即純液體池火，使用燃料盤內(nèi)徑為80 mm，高度為60 mm，加注乙醇燃料層高度為60 mm。環(huán)境溫度為33℃，濕度為72%，每個工況重復(fù)1~2次。溫度、質(zhì)量損失、火焰高度數(shù)據(jù)相對誤差分別不超過8.63%、9.65%和12.24%。

2 結(jié)果與分析

2.1 燃料質(zhì)量損失特性

圖3給出了液體層和浸潤石英砂層燃料質(zhì)量損失速率。由圖可知，對僅有浸潤石英砂層工況（h=0 mm），質(zhì)量損失速率在初始階段快速增長，隨后維持準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，最后隨著燃料消耗，火焰逐漸熄滅。當(dāng)存在液體層時（h=20~60 mm），從質(zhì)量損失速率上可以區(qū)分為液體層燃燒階段和浸潤石英砂層燃燒階段。液體層燃燒階段相比于浸潤石英砂層更為穩(wěn)定，質(zhì)量損失速率波動更小，這可歸因于燃料蒸氣從液體層和浸潤石英砂層溢出過程中輸運特性差異。對于液體層燃燒階段，可燃液體受熱蒸發(fā)可直接參與燃燒，反應(yīng)速率相對更快。對于浸潤石英砂層燃燒階段，浸潤其中的可燃液體接受上層傳熱汽化后，從砂床孔隙中溢出參與燃燒，該過程受熱浮力驅(qū)動，同時受砂床孔隙特性影響，表現(xiàn)在質(zhì)量損失速率數(shù)據(jù)上較為波動。

圖3

圖3   不同液體層高度工況下燃料質(zhì)量損失速率

Fig.3   Fuel mass loss rate at different liquid layer thickness

圖4給出了準(zhǔn)穩(wěn)定燃燒階段質(zhì)量損失速率及空白對照組實驗結(jié)果。液體層和浸潤石英砂層組合燃燒穩(wěn)定時段的質(zhì)量損失速率小于純液體池火的質(zhì)量損失速率。液體層存在可以增大浸潤石英砂層燃燒階段的質(zhì)量損失速率[圖4（a）]，這可歸因于液體層中可燃液體燃燒對石英砂層中液體燃料的預(yù)熱。在組合燃燒過程中，浸潤石英砂層中可燃液體需要先吸熱完成相變，隨后燃料蒸氣從砂層孔隙中溢出參與燃燒。在液體層中可燃液體消耗殆盡前，石英砂層中可燃液體是液態(tài)的，但液體層預(yù)熱作用可將其從初始溫度加熱到沸點溫度。從實驗結(jié)果來看，20~60 mm液體層具有較明顯的預(yù)熱效果。而對于h=0 mm工況，石英砂層中液體燃料要先升溫到沸點溫度，然后發(fā)生相變參與燃燒。由于沒有預(yù)熱過程，其質(zhì)量損失速率是小于存在液體層工況的。而對于h=20~60 mm時，浸潤石英砂層燃燒階段質(zhì)量損失速率整體保持穩(wěn)定趨勢，這可能和石英砂層厚度有關(guān)。對于60 mm石英砂層，20~60 mm的液體層均可使砂層中可燃液體得到較好預(yù)熱。此外，粒徑對質(zhì)量損失速率存在影響。當(dāng)h=0 mm時，浸潤石英砂層燃燒質(zhì)量損失速率隨粒徑增大而減小，這可能與砂床毛細作用有關(guān)。毛細作用是指液體在細管狀物體內(nèi)自發(fā)上升或下降的現(xiàn)象，其本質(zhì)受到內(nèi)聚力和附著力組合的表面張力驅(qū)動[28]。石英砂堆積床可被視為是一簇毛細管束[1]，可以通過毛細作用在一定程度上提升燃料。當(dāng)液體層中可燃液體消耗殆盡，浸潤石英砂層中可燃液體開始燃燒時，毛細作用影響逐漸顯現(xiàn)。毛細力與砂子顆粒尺寸直徑成反比關(guān)系[12-13]。粒徑越小，毛細效應(yīng)向上輸送燃料能力越強，本實驗中，0.191 mm粒徑工況具有相對強的毛細效應(yīng)，其燃燒質(zhì)量損失速率也更快。

圖4

圖4   不同液體層高度工況穩(wěn)定階段質(zhì)量損失速率

Fig. 4   Mass loss rate at stable combustion stage at different liquid layer thickness cases

從圖4（b）可以看出，液體層中可燃液體燃燒階段質(zhì)量損失速率隨液體層高度增加而減小，這可以從兩方面解釋。首先，隨著燃燒推進，液體層高度逐漸下降，燃料盤邊緣對于卷吸的限制會逐漸增加。液體層高度越大，則其可燃液體燃燒殆盡時燃料盤內(nèi)液面下降高度越大，這對空氣卷吸的限制作用更明顯。此外，液體層高度越大，可燃液體燃燒階段向下方石英砂層轉(zhuǎn)移的熱量也更多。相比于常規(guī)液體池火而言，由于石英砂層的存在，液體層接收的熱量（火焰帶來的對流換熱、熱輻射及燃料盤導(dǎo)熱）會有一部分被傳遞給石英砂層，這在一定程度上影響了液體層中可燃液體燃燒速率。此外，液體層可燃液體質(zhì)量損失速率隨下方砂層粒徑增大而增大

2.2 火焰特征和羽流溫度分布

圖5給出了典型工況火焰特征?？梢钥闯?，當(dāng)液體燃料剛被點燃時，火焰迅速覆蓋砂床表面。隨著燃燒時間推移，表面火焰對燃料的輻射加熱持續(xù)增加，使參與燃燒反應(yīng)的可燃蒸氣增加，砂床中心火焰高度快速增加。隨著砂床中心積聚更多燃料蒸氣以及砂床內(nèi)部溫度升高使得燃料蒸氣輸運速率加快，燃燒反應(yīng)強度逐漸增強，中心火焰逐漸增長到最大高度隨后逐漸維持穩(wěn)定。此后，砂床上部浸潤燃料被消耗，只能依賴砂床深處燃料供應(yīng)維持燃燒，且蒸氣需要經(jīng)過相對較長距離溢出至砂床表面，這一定程度影響了燃燒速率，中心火焰高度逐漸降低。

圖5

圖5   典型工況火焰特征（d=1.800 mm, h=0 mm）

Fig.5   Flame characteristics in the typical case (d=1.800 mm, h=0 mm)

圖6給出了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時段火焰高度數(shù)據(jù)及空白對照組火焰高度?；鹧娓叨茸兓厔菖c穩(wěn)定燃燒階段質(zhì)量損失速率數(shù)據(jù)類似，整體上表現(xiàn)為隨液體層高度增加先增大而后幾乎不變。液體池火的火焰明顯高于液體層和浸潤石英砂層組合燃燒場景火焰高度。對于僅有浸潤石英砂層的工況，火焰高度隨石英砂粒徑增大而減小，這可歸因于更小粒徑的砂床具有更強毛細力輸運燃料，火焰需要擴展更長距離卷吸空氣消耗燃料。對于存在液體層工況，火焰高度明顯增大，這也與液體層提供了更多燃料有關(guān)，且此階段火焰高度隨粒徑增大而增大。

圖6

圖6   不同液體燃料層高度工況火焰高度

Fig.6   Flame height under different liquid fuel layer height

圖7給出了準(zhǔn)穩(wěn)定時段火焰及羽流軸向溫度數(shù)據(jù)。液體層高度對擴散火焰羽流軸向溫度影響不明顯，而粒徑對羽流軸向溫度存在輕微影響，隨著粒徑增大，羽流溫度呈現(xiàn)出一定微弱衰減。這可通過質(zhì)量損失速率得到解釋，粒徑越小，砂床通過毛細效應(yīng)輸運燃料能力越強，燃燒質(zhì)量損失速率也就越大，體現(xiàn)為更高火焰羽流溫度。為了定量分析火焰及羽流軸向溫度，引入了McCaffrey羽流關(guān)系[29]。從圖7可以看出，當(dāng)前實驗數(shù)據(jù)可被很好地描述。在連續(xù)火焰區(qū)域，火焰軸向溫度接近于常數(shù)，而在間歇火焰區(qū)域和浮力羽流區(qū)域的溫度逐漸衰減。

圖7

圖7   火焰羽流軸向溫度分布

Fig.7   Axial temperature distribution of flame plumes

連續(xù)火焰區(qū)域： Tf(z)?T∞T∞=2.029$\frac{T_f\left(z\right)-T_{\infty }}{T_{\infty }}=2.029$，(z?z0)/DQ˙*2/5<1.005$\frac{(z-z_0)/D}{{\dot{Q}}^{*2/5}}<1.005$(1)

間歇火焰區(qū)域： Tf(z)?T∞T∞=1.954[(z?z0)/DQ˙*2/5]?0.232$\frac{T_f\left(z\right)-T_{\infty }}{T_{\infty }}=1.954{\left(\frac{(z-z_0)/D}{{\dot{Q}}^{*2/5}}\right)}^{-0.232}$，

1.005≤(z?z0)/DQ˙*2/5≤2.373$1.005\le \frac{(z-z_0)/D}{{\dot{Q}}^{*2/5}}\le 2.373$(2)浮力羽流區(qū)域： Tf(z)?T∞T∞=7.077[(z?z0)/DQ˙*2/5]?1.754$\frac{T_f\left(z\right)-T_{\infty }}{T_{\infty }}=7.077{\left(\frac{(z-z_0)/D}{{\dot{Q}}^{*2/5}}\right)}^{-1.754}$，(z?z0)/DQ˙*2/5>2.373$\frac{(z-z_0)/D}{{\dot{Q}}^{*2/5}}>2.373$(3)

式中,Tf(z)$T_f\left(z\right)$為高度z$z$處的火焰羽流溫度；T∞$T_{\infty }$為環(huán)境溫度；D為燃料盤直徑；z0$z_0$為虛點源位置， z0=0.083Q˙2/5?1.02D$z_0=0.083{\dot{Q}}^{2/5}-1.02D$；Q˙*${\dot{Q}}^{*}$為無量綱熱釋放速率，Q˙*=Q˙/ρ∞cpT∞g1/2D5/2${\dot{Q}}^{*}=\dot{Q}/{\rho }_{\infty }{c}_p{T}_{\infty }{g}^{1/2}{D}^{5/2}$，其中Q˙=χm˙ΔH$\dot{Q}=\chi \dot{m}\Delta H$，ΔH$\Delta H$為熱值，m˙$\dot{m}$為與溫度數(shù)據(jù)提取自相同時間段的質(zhì)量損失速率數(shù)據(jù)，χ$\chi$為燃燒效率，χ=1.0$\chi =1.0$[30]。

2.3 多孔介質(zhì)內(nèi)部溫度分布

圖8給出了石英砂層溫度變化。石英砂層溫度先緩慢增長，隨后在78.7~79.0℃基本維持不變，該溫度接近乙醇沸點溫度78.3℃[12]，持續(xù)一段時間后，溫度再次快速增長達到峰值?？梢酝茰y，在緩慢增長過程中，燃料仍處于液態(tài)，液體溫度逐漸從初始溫度升高到沸點溫度，而在溫度維持不變階段，應(yīng)該是氣液共存狀態(tài)，可燃液體正在發(fā)生汽化相變過程。隨后，該位置可燃液體完全變?yōu)檎魵猓瑴囟仍俅慰焖偕仙敝吝_到峰值。

圖8

圖8   不同液體層高度下石英砂層內(nèi)部溫度（d=0.191 mm系列工況）

Fig.8   Internal temperature of quartz sand layer under different liquid layer height（d=0.191 mm series cases）

當(dāng)液體層中可燃液體燃燒殆盡，浸潤石英砂層中可燃液體開始燃燒時，其內(nèi)部可劃分為三個典型區(qū)域：上部蒸氣區(qū)（干區(qū)：燃料蒸氣和石英砂）、中部氣液共存區(qū)（相變區(qū)）、底層液相區(qū)（濕區(qū)：可燃液體和石英砂），如圖9所示。根據(jù)石英砂層內(nèi)典型位置完成相變時間，可對蒸氣區(qū)平均移動速度進行估算。圖9給出了蒸氣區(qū)平均移動速度。隨液體層高度增加，蒸氣區(qū)移動速度呈現(xiàn)出增大趨勢。粒徑對于蒸氣區(qū)移動速度存在影響，粒徑越小，蒸氣區(qū)移動速度相對越快。粒徑0.191 mm工況移動速度明顯大于其他工況，這可以歸因于毛細作用的差異以及溫度引發(fā)的蒸發(fā)效應(yīng)[22]。

圖9

圖9   浸潤石英砂層中可燃液體燃燒階段蒸氣區(qū)平均移動速度

Fig.9   Average movement speed of vapor zone in combustible liquid burning stage of quartz sand layer

3 結(jié) 論

為了探究不同可燃液體層高度下浸潤多孔介質(zhì)砂床組合燃燒特性，開展了一系列可燃液體浸潤多孔介質(zhì)燃燒實驗。關(guān)注了燃燒質(zhì)量損失速率、多孔介質(zhì)砂床內(nèi)部溫度、火焰高度和羽流溫度等特征參數(shù)的演化規(guī)律，主要結(jié)論如下。

（1）當(dāng)前實驗中，可燃液體層對浸潤石英砂層燃燒特性具有一定的影響。當(dāng)僅有浸潤石英砂層時，燃料質(zhì)量損失速率隨著石英砂粒徑增大而減小。當(dāng)存在液體層時，浸潤石英砂層燃燒質(zhì)量損失速率明顯增大，這歸因于液體層燃燒對浸潤石英砂層可燃液體的預(yù)熱作用。

（2）在液體層高度h=20~60 mm范圍內(nèi)，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒階段火焰高度隨液體層高度增加先增加而后幾乎不變，整體表現(xiàn)為與質(zhì)量損失速率類似的趨勢?；谇叭送扑]的羽流關(guān)系和當(dāng)前實驗數(shù)據(jù)，獲得了適用于描述可燃液體浸潤多孔介質(zhì)砂床火焰及羽流軸向溫度的經(jīng)驗公式。

（3）在78.7~79.0℃范圍內(nèi)，浸潤石英砂層內(nèi)部出現(xiàn)溫度增長遲滯，該溫度接近液體燃料沸點。浸潤石英砂層燃燒階段其內(nèi)部可分為蒸氣區(qū)（干區(qū)）、氣液共存區(qū)、液相區(qū)（濕區(qū)）。隨著液體層高度增加和砂子粒徑減小，浸潤石英砂層內(nèi)部蒸氣區(qū)移動速度呈增大趨勢。需要指出的是，毛細效應(yīng)隨顆粒粒徑變化趨勢受到多孔介質(zhì)復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)特征的影響。在當(dāng)前粒徑范圍內(nèi)，認(rèn)為其具有正相關(guān)關(guān)系，但在更大范圍內(nèi)的對應(yīng)關(guān)系，還需要在未來進一步深入揭示。

符 號 說 明