燃烧学—第5章3

pM 0

滴群扩散燃烧火焰的质量蔓延速度随着液滴尺寸的减少而 增大，其他物性参数和环境 压力对质量蔓延速度也有较大 影响。
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5.6 油罐火灾燃烧
5.6.1 液体的稳定燃烧
《燃烧学》--第五章
可燃液体一旦着火并完成液面上的传播过程之后，就进入稳 定燃烧的状态。
图5－38 液体燃烧速度测定装置 1.重锤；2.滴定管；3.滑轮；4.直径为62mm的石英容器
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《燃烧学》--第五章
（三）影响液体燃烧速度的因素
1．液体的初温影响
液体燃烧的质量速度G可表示为
Q G Lv C p (t 2 t1 )
2．容器直径大小的影响
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《燃烧学》--第五章
图 5 － 39 液体燃烧速度随罐径的变 化 1.汽油；2.煤油；3轻油
火焰有三种燃烧状态： 直径小于0.03m时，火 焰为层流状态，燃烧 速度随直径增加而减 小； 直径大于 1m 时，火焰 呈充分发展的湍流状 态，燃烧速度为常数， 不受直径变化的影响： 直径介于 0.03 ～ 1.0m 的范围内时，随着直 径的增加，燃烧状态 逐渐从层流状态过渡 到湍流状态，燃烧速 度在 0.1m 处到达最小 值
液面的下降速度可表示为：
Ml为油池内液体的总质量
d 2
vl
qcd qcv qra c pl M l (Tl T )
d 2
4
l LV c pl Tl T
vl
1 l LV c pl Tl T


4k 4 4 ( T T ) h ( T T ) T T c M ( T T ) F l F l F F F l l pl l l d


1. 当d很小的时候，上式右端的第1项相对较大，所以有vl与d 近似成正比的关系。 2. 当d很大时，右端的第1项相对较小，所以有vl与d近似无关 系。 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
5
《燃烧学》--第五章
5.5.2液面火
液体的初温对火的蔓延速度影响
250 200 150 100
甲醇闪点11℃ 开始时甲醇液面火的 蔓延速度随着甲醇初 温的增高而加快 当温度超过某个值之 后，液面火的蔓延速
火焰移动
热 蒸发
气体移动
可燃性混合气层热
蒸发
可燃性液体 液体移动 （a）可燃性液体温度低于闪点
可燃性液体 （b）可燃性液体温度高于闪点
图 5-24 液体温度对传热过程的影 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系 响
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《燃烧学》--第五章
风速的影响（甲醇为例）
600
500 火 400 焰 速 度 （ 300 ）
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12
2 平 均 火 焰 蔓 延 速 度 （ ） 0.5
《燃烧学》--第五章
1.5
0.16
0.12
Vf
（ ） cm/s
1
mm/s
40℃ 25℃ 10℃
0.08
0.04
0
0.5 粒径（mm）
1.0
0
10
15
20
Ti（℃）
25
30
35
图5-28 粒径对砂面火蔓延速度的 影响
Tg ,0 Tl ,0 标准温度
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式（5-65）又可写为
《燃烧学》--第五章
' ' z c T Q z c T Q p 0 p g ,0 0 m dx
dT




若将上式无量纲化，最终可以解得
1 1 m d c 0 p l
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对流传热项可表示为
《燃烧学》--第五章
conv =K2 q
D 2
4
(TF－Tt)
辐射传热项中包含了液面的再辐射，因此可表示为
q
rad =K3
D 2
4
(
4 TF
－
Tl 4
)(1－exp(－K4D)
热传导
cond k1D(TF Tt ) q
q ra
d 2
4
F F TF4 l Tl 4
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4
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这些热流量的总和应当等于液体蒸发所需要的热量与液体本身升温所需热量之和，即
d 2 Tl T qcd qcv q ra vl l LV C pl Ml vl l 4 4
两端同除以ρεu＝m，并积分可得


1 dT zhg 1 z hl hi g Yi vi 常数 m dx
hi hi ,0 c p T Tg ,0
hl hl ,0 c p,l Tl Tl ,0
hg Yi hi
Ti（℃） 30 25 20 15 10 5 火焰 空气流
逆风降低火焰 传播速度 顺风加大火焰 传播速度
火焰
cm/s
200
甲醇液面
原因：传热过 程的差异
空气流
100
0
-600 -500 -400 -300 -200 -源自文库00 0 100 200 300
甲醇液面
400 500 600
空气流速度（cm/s） 图5-25 相对风速对液面火蔓延速度的影响
燃烧极限速度V∞
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表5—19
液体名称 液化石油气 正丁烷 正已烷
一些池状液体稳定燃烧时的极限速度
V∞(mm/min) 6.6 7.9 7.3
二甲苯
甲 醇
5.8
1.7
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3．容器中液体高度的影响
14
T＝40℃
5
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2
n-Decone 粒径0.1mm
25℃
n-Decone 粒径 0.1m 25℃ 无铜粉
铜粉0.0141g
4
蔓 延 速 度 （ ）
3
火焰
θ
蔓 延 速 度 （
1
铜粉8.810g
mm/s
mm/s
2
10℃
）
1
0
0
-20
-10
0
10
-15
-10
-5
0
5
10
15
倾角（θ deg）
《燃烧学》--第五章
燃烧学
燃烧学
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1
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5.5液态可燃物的火灾蔓延
5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4 油池火 液面火 含油的固面火 液雾中的火蔓延
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2
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5.5.1油池火
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5.5.3含油的固面火
含油的固面火 固面火的燃烧特性与下列因素有关：
①可燃性液体的闪点； ②地面及可燃性液体的温度； ③地面的形状及倾斜角度； ④地面土质的粒径分布； ⑤火焰引起的对流情况； ⑥相对气流的大小和方向； ⑦地面土质材料的热物理性能； ⑧火焰的蔓延方向等。
火 焰 速 度 （ ）
80 60 40 30 20
cm/s
10
度趋于某个常数 ----甲醇与空气预混燃气
-5 0
图5-22
5
甲醇初始温度（℃）
10
15
20
25
30 35
的最大火焰传播速度
初温对液面火蔓延速度的影响
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6
《燃烧学》--第五章
温度越高，火焰传播速度越快 火焰传播速度越快，火焰面的倾角就越大
甲醇
纹影火焰面
（a） Ti＝26.0℃ △t＝21ms
（b） Ti＝17.0℃ △t＝21ms
（c） Ti＝6.0℃ △t＝21ms
（d） Ti＝2.3℃
△t＝104ms
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图5-23 不同初温下甲醇液面火的纹影照片
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扩散火焰
预混合火 焰
火焰移动
①从容器的器壁向液体的传热， ②液面上方的高温气体向液体的对流传热， ③火焰及高温气体向液体的辐射传热等几部分。 从器壁向液体的热流量可用下式表示
qcd kd TF Tl
d 2
4
液面上方的高温气体向液体传入的热流量可用下式表示
qcv h
TF Tl
火焰与高温气体向液体的辐射热流量可用下式表示
图5-29 初温对砂面火蔓延速度的 影响
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13
0.14
《燃烧学》--第五章
0.12
U cm/s ， 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02
Ti＝30℃
Ti＝20℃
不稳定区 稳定区
Vf，cm/s
图5-30 相对风速对砂面火蔓延速度的影响
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容器中的液体高度是指液面距离容器上口边缘的高度。随着容器 中液位的下降，直线燃烧速度相应降低．这是因为随着液位下降， 液面到火焰底都的距离加大，所以火焰向液面的传热速度降低。
5.6.1.2
液体的燃烧速度
（一）液体燃烧速度表示方法
1．燃烧线速度（V）：
V
H t
（mm/h）
2．重量燃烧速度；
g G s t
[kg/（m2· h）]
g sH G V s t s t
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（二）液体燃烧速度的测定
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4 K1 (TF T1 ) 4 q // 4 4 Q F K ( T T ) K ( T T 1 exp K 4 D 2 F 1 3 F l ) 2 D D
Burgess对大圆池（D>1m）中烃类液体的燃烧实验所得到的结果 Vt＝V∞（1－e－KD）
l

气相连续方程为 令
d g u dx
d
4
kf N
kf为扩散燃烧的蒸发常数，N为液 滴在单位容积内的数目。
g z
l
d
4 m
dz dx
kf N
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两相一维火焰的能量方程为
d d dT g uhg l uhl hi g Yi vi dx dx dx
倾角（θ deg）
图 5-32 砂层倾角对砂面火蔓延速 度的影响
图 5-33 砂层导热系数对砂面火 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系 蔓延速度的影响
15
黄火焰 黄火焰 蓝火焰 蓝火焰
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速度变慢
湿性层 毛细管现象 （a） 黄火焰 黄火焰 蓝火焰 蓝火焰 湿性层 毛细管现象 （b） 图5-34 水平砂层的毛细管作用图
湿性层
毛细管现象 （a）
速度加快
湿性层
毛细管现象
图5-35 倾斜砂层的毛细管作用图
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《燃烧学》--第五章
5.5.4液雾中的火蔓延
液雾火焰大体分为四种：
①预蒸发型气体燃烧。 ②滴群扩散燃烧。 ③预蒸发与滴群扩散燃烧的复合型。 ④预蒸发燃烧与滴群扩散蒸发的复合型。
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图5-26
含油固面火的实验装置
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实验装置 其中燃料容器为一个60×12×1（cm3）（长×宽×高）的 长方形容器，容器的整体置于恒温槽内，维持一定的温度 （可调）。 燃料容器与恒温槽一起放入一个截面为 60×45 （ cm2 ）的 风洞中，研究风速对燃烧速度的影响。 在燃料容器中加入不同粒径砂子，例如当平均粒径为 220μm时，砂子的平均密度为 2.68g/cm3 ，砂子之间的间 隙为0.32cm3/g（约占46Vol％），然后用闪点为50℃的煤 油填满整个燃料容器。
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滴群扩散燃烧
预热区 纯蒸发
冷液雾
预混气燃烧
图5-37 简化的滴群扩散燃烧模型
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一维两相火焰的总体连续方程为：
u m 常数
或

g
l u m 常数
油池火的燃烧速度
20 10
汽油 煤油 甲醇 重油
5
2
1
0.5
层流区域
0 1 5
过渡区域
10 20 50 100 200
湍流区域
500 10000 2000
容器直径d（cm） 图5-21 油池火液面下降速度与油池直径的关系
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《燃烧学》--第五章
油池内液体的燃烧速度取决与液体的蒸发速度 液体的蒸发速度取决与从火焰向液体传入的热量，包括：