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大型池火灾模型摘要：双区池火灾卷吸模型是用来描述火的流体流动和阻燃性能的一种模型。它由燃烧和羽流区组成，为测算相关和外推池火灾可见的火焰长度、倾斜角度、表面发散功率，和燃料蒸发速度等非维缩放参数测算的发展，提供了一个统一的计划方案。该模型的应用扩展到火焰区的煤烟颗粒灰气热辐射，对光学薄区和厚区的发散和吸收做出了解释。模型从燃烧区的对流热传递到液体燃料池，并从水衬底低温燃料池的水扩散，提供了绝热和非绝热的火灾蒸发速率。该模型以液化天然气为主，针对大型池火灾现场进行测量测试，结果基本与所有变量的实验值一致。©2005ElsevierB.V.Allrightsreserved.Keywords:Poolfire;Entrainmentmodel;Greygasmodel;Thermalradiation;LNG关键词：池火灾卷吸模型灰气模型热辐射天然气1.介绍近年来，随着对池火灾性质的理解，其安全问题也倍受关注。池火灾的大小、持续时间和热辐射的排放是影响意外火灾的安全性评估的主要参数。特别是由大容量的液体燃料的不受限泄漏而形成的池火灾，其尺寸可达到的直径的几百米的量级，远远超出了实验室研究或最大现场测试的试验规模。推断如此大规模的池火灾的测试数据，需要仔细分析池火灾规模的规律。实验室和现场试验的实验观察集中在每单位池面积的燃烧速率、大小和可见火焰区的形状、火焰的大小和形状受横风的影响，以及来自池火灾的热辐射。目前已发现这些方面取决于燃料类型、池面积和形状、环境气象条件，以及可能存在的燃料池的加热。而这些可观测和实验的独立参数是建立在各种经验关系之上的。（参见2-5）托马斯注意到，如果一个确定的羽流浮力通量，一个运动的常数，并且池火灾的产生是由于燃料的燃烧，那么池火灾的结构可能与该热羽流有关。参考二维的参数、对垂直速度在浮力支配火灾的观察，和莫顿等人的羽流模型[7]，托马斯总结出，可见的火焰长度到池直径的比例应正比于燃料弗劳德数的2/3次方（参见等式[3]所示）。托马斯用这些变量关联火焰高度测量木垛火，找到一个略小指数超过2/3时弗劳德数的依据。另一方面，有一篇基于喷射的火焰的特性的泛读文献（见[2,5]），可靠表明可见火焰的长度与Ff的比例是2/5。此外，Ff的在这些实验中使用的范围跨越五个数量级，因此，相关性显而易见。如果建立起正如Morton等人所描述的热羽流那样的喷射火焰建模，其关联性就更为显著了[7]。同时，喷射火焰中心线温度和速度在火焰尖及以后的区域测量值也符合热卷流模型[8]。在喷射火焰中，燃料蒸气源速度和Ff，在很大的范围内是可变的。与此相反，池火灾蒸气速度由蒸发燃料时的火焰的热反馈决定，在0.02-0.1米/秒的小范围内取决于燃料挥发性[3,4]，并且，Ff的范围小于一个数量级。结果显示，火焰长度与直径之比为池火灾远小于喷射火焰[2]，同时，燃烧在小于池直径的高度完成。可见光发光火焰长度的测量依赖于加热的烟灰粒子的光学带辐射热，但对于热羽流模型的流动变量并不十分可靠。Steward[10]发现，对于喷射火焰来说，可见烟流高度和热羽流模型是对应的，其中所述的气体羽流的平均量比为约0.2;即化学计量燃烧产物的质量是羽气体的20％，羽流中的平均温度超过这种绝热预混火焰的20％。如其不然，Heskestad[2]将火焰尖端定位在中心线的火焰温度超出上述环境约为500K处。这些条件是等价的，他们确定火焰尖端为一个点，其中的火焰的产物已稀释至远低于化学计量值，并远远超出燃料反应与夹带的空气的区域。在该区域中，羽流的-5/3功率[2]和灰色气体发射功率的下降作为绝对温度的第四功率的距离，羽流中心线温度随之而变化。因为位于所述灰气谱的指数衰减处，光带光度下降则更加急剧，。本文中，夹带模型用于描述池火灾的流体运动，这种池火灾是由于水池表面燃料蒸发的燃烧而产生的湍流扩散火焰而引起的。该模型确定了两个区域：火灾燃烧区和可见的火焰区。现场试验对比决定的三个量纲经验常数的确定下，上述底座上的燃烧区中的模型可确定横风中的可见火焰长度和倾斜角。通过简化和合理的火焰烟尘浓度假定，热辐射模型与池火灾模型提供了依赖于实地测试而确定池火灾的两个热辐射经验常数的方法。该模型显示，超大规模池火有望通过吸油烟火灾的热通量减少。从热燃烧气体的热传递到池中液体燃料的建模可观测到的绝热密闭池火灾的蒸发速率。此外，增加蒸发率水池火灾的模型也解释了此类火灾中所观测到的增强蒸发率。2.卷吸模型池火灾是一种完全由重力升浮力驱动的扩散性火灾。然而，它具有许多非浮力射流扩散火灾的特性。图1是一个静止的圆形水池火燃烧的流体流场草图，展示的是轴对称流动的垂直平面。图上标明这种火灾的直径为D和高度为lv的圆柱，正如通常观察到的情况，某种程度上在侧向表面上稍微大于D。燃料通过从液体池表面蒸发运送到火灾核心部位，后者由于热驱动从火焰被转移到液体燃料，同时，当其出现时，热量也从池中转移而减少。由于热气体在火灾的垂直运动，空气从火区的外表面夹带中通过。燃料和空气相遇的这两股注流在火焰表面相遇，它们以化学计量比结合，产生燃烧产物。因为在热羽流之中进一步上升，该产物随后与夹带的空气混合。池火灾很容易被划分为两部分：下部燃烧区和上部羽区（见图1）。在燃烧区中，燃料和空气混合，并以化学计量比生成产物。由于其质量、动量和热能中的火灾的垂直通量，燃烧后的气体在垂直方向上的轴向速度迅速增加。在羽流区，一开始，燃烧区的上边缘所有的燃料就已经被消耗殆尽，有在热能通量没有进一步增加，但质量和动量通量会继续增加。持续空气卷吸伴随着温度和燃烧产物浓度的降低，以及轴向速度的下降。不同于喷气扩散火焰，燃料流在最初提供了巨大的上升通量，池火灾微弱的燃油蒸汽流夹带在回流区，一开始带着燃料快速到达在外缘池的火焰表面，然后向上和向内流向轴线，给火焰表面的上部提供燃料。如图1所示，这种再循环区的上表面上是一个分割流面，朝着火焰的顶部分离外流动向内和向上，从内流向下循环到轴附近，然后向外蔓延到水池表面。在燃烧区中，燃料和空气扩散朝向火焰面，并且由火焰区内的流体流动向上对流传热。在火焰面的燃烧将热量作为产物释放，从火焰表面扩散，从而提高了温度，降低了火焰区的气体的密度。这种低浓度瓦斯向上加速，通过重力和压力的力量失衡，为火焰区的气体提供了上升力。火焰表面的燃料蒸气离开池已在其顶部被烧毁，只有空气和燃烧产物保留下来。这种流体的垂直运动作为一个蓬勃羽进一步发展[7,10,5]。温度和化学物质的层流扩散火焰的质量分数的分布如图2（实线）所示，在流体流动的方向上，火焰表面的距离正常。上游的火焰面（图的左侧），对流和扩散的燃料和空气在上游和下游区之间将薄薄的一层燃料输送到反应区中；另外，在下游侧，空气扩散的上部和下部相对流，前者比后者更强并提供足够的空气，以与燃料发生反应。在反应区产生的燃烧产物扩散到上游和下游，但对流将其送至下游。由于燃料的燃烧是热和产物的来源，火焰中的温度的分布与产物类似，在反应区达到的最大值等于绝热火焰温度Tad。为了让氧化反应发生，燃料和空气必须在分子水平上，并在反应区混合。如图2中的虚线所示，在湍流扩散火焰中，流动变量的空间范围和分布，在同一个层流火焰中，在某些方面会有不同。第一，在图2中，有关时间平均值的变量有巨大波动。反应区占据了火灾区域的较大部分，平均而言，由于距离涡流混合，燃料、空气和产物同时存在。因为大部分温度探针样品更大，同时，在分子混合完成后，燃料冷却器或富氧涡旋比最小的漩涡还要小，燃烧反应迅速发生，并达到绝热火焰温度，所以平均温度峰值低于绝热火焰温度。第二，因为湍流扩散系数大于分子扩散率，所以扩散火焰的厚度比层流中的更大。在层流和湍流扩散火焰中，可以证明[11]，如果热粘性和物种扩散系数是彼此相等，该线性关系在变量温度T、轴流速度w和物种质量分数χi表明的情况下存在。虽然这些扩散系数不完全相等，并且所述的线性关系只是近似的，但是它有助于我们对火灾结构有一个简单的了解。例如，该产品的质量分数χp与由温度T相关：其中Ta是环境温度，此关系与图2一致。在烃燃料-空气火焰中，不管是层流或湍流，完全燃烧所需要的燃料和空气流量质量的比值在15-17的范围内。流进火焰面的空气流量限制了燃料消耗在燃烧区的速率。约80％的空气团或产物气团是氮，它们不参加燃烧反应，但是会稀释大部分伴随火焰的质量、动量和能量的热通量。我们可以把扩散火焰当做以氮为主的气流，其中的燃料和氧气的细微物质反应生成二氧化碳和水蒸汽，同时氮会释放处热能。这些种类的燃料质量流量通常是最小的。在以下的章节中，我们设计出池火灾中质量，能量和动量守恒的气流整体模型。于此，我们假定空气的流动类似于那些浮力羽流、射流和尾流。在这种情况下，主要的假设是，由空气到火焰的流速正比于火焰中的向上的气团的流速。此假设的一个直接结果就是定标法测量的流体速度导致燃烧区高度Lc得以确定。数量级的空气团进入火焰的速率与ρA√gLcLcD成正比，其中ρA是大气密度。但是燃料的质量流入速率正比于MD2，其中M是燃料的每池表面的单位面积的质量的蒸发速率。由于这些质量流率相互成比例，我们发现右边的无纲量分数，我们称之为燃料的弗劳德数Ff，它由Thomas[6]引入,作为无量纲参数,确定可见火焰高度lv与直径D的比率Lv/D。正如上文所提到的，喷射扩散火焰尺度为F2/5，因为可见光限制在中羽区，其中的公式（2）不适用。由一下公式可以看出（2）表示的燃烧区的标度规律。2.1.质量、能量和垂直动量守恒考虑在一个水平面在高度z上方池火灾基质量流量（参照图1）。表示速度的z由w表示，由ρ表示的气体密度，由r表示火焰到轴线的径向距离，所述质量流量M变为：求出从0延伸到无穷上R的积分后，只有在这个水平面上的有限区域A，此积分才有意义。因此，我们可以将此积分写为为了更好地定义A的大小，我们引入径向长度B，在不同的燃烧和火焰区中，将Ac和Ap定义为轴向磁通ES（MI，P，E）物种，气势和焓变其中Cp是火焰的气体的（常数）比热，其中组分质量、热焓，以及正常的剪切应力的扩散通量，都被忽略。公式（8）-（10）标注了标量变量的对流传输χi，w，和cp（T-Ta）。对于E的另一个可变形式与浮力通量成正比。由于空气卷吸的作用，随着高度z的增加，质量流速M增加其中卷吸率表示磁通M和P，以及一个无量纲形式因子α，每个区域都有不同。由于浮力作用，轴向动量增加其中浮力由通量E，M，和P和一个无量纲形式因数η表示。最后，在燃烧区中，该热焓磁通与卷吸的空气燃料发生反应时增大其中Hc为每燃料的单位质量的燃料的热值，f是产物在化学计量混合物为燃料的质量比，φC是处于燃烧区的空气当量比，即燃料/空气质量的比率消耗与它的化学计量值的比值。另一方面，在燃料汽化的速率确定的情况下，羽区域的E的值保持恒定由方程（11）-（16），连同合适的初始条件中，可得出燃烧和羽流区轴向距离z函数中流量M，P和E的解。2.1.1.燃烧区燃烧区从池面（Z=0），扩展到所有已被燃烧的燃料的高度（Z=LC）。在水池表面，相比于燃烧区的顶部，E=0，而P和M是非常小的，因此可以认为其并没有实际效用。其结果是，在这个区域内，E和P的关系通过的积分（13）-（15）表达：M可从（11）的积分中确定，燃烧区的质量流量平均流速¯w和平均温度¯T的值为方程（20）和（21）说明了如何测量燃烧区中的¯w和¯Ť;¯W与√GZ成正比，T和z无关。与此相反，可以看到，随着羽区的z增加，这两个值均减少，。流动面积Ac的公式为方程（6）中b的面积和大小，也随Z线性增加。最后，当E=EP，燃烧区Lc的高度，可以通过令Z=LC求出，这是通过公式（2）计算出的精确的关系2.1.2.羽区浮力羽流区从燃烧区（z=LC）的端部向上延伸。在羽区内的可变值焓通量E，在公式（16）中的Ep不变，而根据方程式（12）和（14），质量和动量通量M和P随高度增加，。但是，这一区域的平均温度T和平均速度W¯¯随着z的增加而下降。顺着这条方法，因为温度已被卷吸空气冷却至的充分下降的点，可见辐射