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油池火燃烧速率研究最新进展
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燃烧速率随时间的变化是火灾发展过程的基本特征之一，燃烧速率还决定了火灾的热释放速率。一般来说，关于可燃液体油池火的危险性评价，需要对火灾增长速率过程和燃烧速率峰值进行较为准确的估计。因此，确定燃烧速率是火灾科学研究和火灾危险性分析的一个重要方面。
燃烧速率不是燃料的基本属性，无法根据材料的基本特性计算得到。因此，通常情况下，燃烧速率需经过实验测量获得。前人的研究表明，燃料的燃烧速率随着油池尺寸的增大而增加，直到油池直径达到某一个临界值时，燃烧速率趋于稳定。对于大部分燃料来说，这个临界直径在1-2m。
火灾风险评估研究室为探讨燃烧速率的发展历程和控制机理，开展了薄层油池火(燃料厚度随燃烧进行而减小)燃烧行为的研究。该研究主要致力于了解不同初始油温下池火的基本燃烧现象，并解释燃料和周围环境之间的传热机制。目前，课题组的部分研究成果已相继发表在《Chinese Science Bulletin》(2010),《Journal of Hazardous Materials》(2011),《Journal of Fire Science》(2011)等SCI收录刊物上。对于本组的工作，审稿人给予了高度的评价：“这是目前关于燃料温度对燃烧速率的影响以及燃烧速率历程的最深入研究”。
图1给出了不同初始油温条件下燃烧速率的发展过程以及燃烧速率比率随无量纲燃料初温的变化过程。研究发现，完整的燃烧速率共经历五个典型阶段：初始发展阶段，稳态燃烧阶段，过渡阶段，沸腾燃烧阶段和衰退阶段。其中，稳态燃烧阶段的燃烧速率仅与油池直径有关，而不受燃料初温的影响；相比之下，沸腾燃烧阶段的燃烧速率随着燃料初温的升高而增大。燃烧速率比率显示了稳态燃烧阶段和沸腾燃烧阶段的燃烧速率的区别。当燃料初温增大时，由于沸腾燃烧阶段的燃烧速率的增大，燃烧速率比率也就变大。研究结果显示了燃烧速率随燃料温度的变化关系，并为正确评估火灾危害性提供了基础。
图1. 庚烷池火燃烧速率历程及燃烧速率比随初始油温的变化
为进一步了解燃料速率的控制机理和油池火的传热过程，研究通过实验测量获得了燃料内以及周围环境的温度分布。图2显示点火后，液体表面温度迅速升高并达到燃料沸点，此时下部的液体也开始升温。随着燃烧的进行，在液体表面下方形成了一个“沸腾层”，并且其厚度不断增加。在燃烧后期，“沸腾层”达到油池底面，此时可以认为整个油池内的液体均处于沸腾状态。基于传热模型，研究分析了不同燃烧阶段燃料和壁面、液体上方的蒸气等周围环境之间的传热过程。通过实验观察和理论分析，研究发现相比稳定燃烧阶段的燃烧速率，沸腾燃烧阶段的值增大主要是下面几个因素造成的：从火焰和壁面向燃料的传热增强；从液体上部向下的传热减少直至消失；由于气泡的大量产生并上浮到液体表面，液体上表面的面积增大，吸收热量的能力变强。
图2. 不同高度上燃料温度变化过程以及燃料厚度随时间的变化过程
燃烧速率不是燃料的基本属性，无法根据材料的基本特性计算得到。因此，通常情况下，燃烧速率需经过实验测量获得。前人的研究表明，燃料的燃烧速率随着油池尺寸的增大而增加，直到油池直径达到某一个临界值时，燃烧速率趋于稳定。对于大部分燃料来说，这个临界直径在1-2m。
火灾风险评估研究室为探讨燃烧速率的发展历程和控制机理，开展了薄层油池火(燃料厚度随燃烧进行而减小)燃烧行为的研究。该研究主要致力于了解不同初始油温下池火的基本燃烧现象，并解释燃料和周围环境之间的传热机制。目前，课题组的部分研究成果已相继发表在《Chinese Science Bulletin》(2010),《Journal of Hazardous Materials》(2011),《Journal of Fire Science》(2011)等SCI收录刊物上。对于本组的工作，审稿人给予了高度的评价：“这是目前关于燃料温度对燃烧速率的影响以及燃烧速率历程的最深入研究”。
图1给出了不同初始油温条件下燃烧速率的发展过程以及燃烧速率比率随无量纲燃料初温的变化过程。研究发现，完整的燃烧速率共经历五个典型阶段：初始发展阶段，稳态燃烧阶段，过渡阶段，沸腾燃烧阶段和衰退阶段。其中，稳态燃烧阶段的燃烧速率仅与油池直径有关，而不受燃料初温的影响；相比之下，沸腾燃烧阶段的燃烧速率随着燃料初温的升高而增大。燃烧速率比率显示了稳态燃烧阶段和沸腾燃烧阶段的燃烧速率的区别。当燃料初温增大时，由于沸腾燃烧阶段的燃烧速率的增大，燃烧速率比率也就变大。研究结果显示了燃烧速率随燃料温度的变化关系，并为正确评估火灾危害性提供了基础。
图1. 庚烷池火燃烧速率历程及燃烧速率比随初始油温的变化
为进一步了解燃料速率的控制机理和油池火的传热过程，研究通过实验测量获得了燃料内以及周围环境的温度分布。图2显示点火后，液体表面温度迅速升高并达到燃料沸点，此时下部的液体也开始升温。随着燃烧的进行，在液体表面下方形成了一个“沸腾层”，并且其厚度不断增加。在燃烧后期，“沸腾层”达到油池底面，此时可以认为整个油池内的液体均处于沸腾状态。基于传热模型，研究分析了不同燃烧阶段燃料和壁面、液体上方的蒸气等周围环境之间的传热过程。通过实验观察和理论分析，研究发现相比稳定燃烧阶段的燃烧速率，沸腾燃烧阶段的值增大主要是下面几个因素造成的：从火焰和壁面向燃料的传热增强；从液体上部向下的传热减少直至消失；由于气泡的大量产生并上浮到液体表面，液体上表面的面积增大，吸收热量的能力变强。
图2. 不同高度上燃料温度变化过程以及燃料厚度随时间的变化过程
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