白洪寶，段強(qiáng)領(lǐng)，王青松，孫金華＊

（1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026；2.海軍蚌埠士官學(xué)校兵器系，蚌埠，233012）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和汽車保有量的增加，石油燃料短缺問題日益突出，且由于石油消費(fèi)與經(jīng)濟(jì)增長密切相關(guān)，宏觀經(jīng)濟(jì)走勢已成為影響我國石油需求的首要因素?？梢灶A(yù)見，我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將以7%左右年均增速持續(xù)較長時(shí)間，這樣將導(dǎo)致國內(nèi)的石油消費(fèi)居高不下，汽車尾氣排放造成的大氣污染問題將日趨嚴(yán)重。為了解決日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，使用清潔環(huán)保的新型燃料就是一個(gè)比較有效的手段，乙醇燃料就是一種較好的替代能源。

乙醇柴油是乙醇燃料的一種，屬于易燃液體，其泄漏引發(fā)的火災(zāi)也應(yīng)符合易燃液體火災(zāi)的特性。易燃液體泄漏會(huì)向低洼處、地溝、地槽、地井等處流淌，如被引燃則形成池火災(zāi)或流淌火災(zāi)，火災(zāi)隨易燃液體流淌發(fā)展，其相鄰設(shè)備和儲(chǔ)罐都會(huì)受到影響。大型儲(chǔ)油罐泄露、運(yùn)輸乙醇柴油的大型油罐車在運(yùn)輸途中側(cè)翻、使用乙醇柴油的汽車管路或容器受熱變形或者破裂導(dǎo)致易燃液體泄漏等，都有可能引發(fā)火災(zāi)，造成重大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，為控制此類火災(zāi)的蔓延、減小火災(zāi)造成的損失就必須對(duì)乙醇柴油的表面火蔓延規(guī)律及蔓延機(jī)理進(jìn)行研究，而火焰能否在泄漏的燃料表面蔓延成為可控燃燒法能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在。

乙醇柴油表面火蔓延研究是液體燃料表面火焰蔓延研究的一部分。20世紀(jì)80年代以來，人們?cè)谝后w燃料表面火焰蔓延的研究取得了長足的進(jìn)步，發(fā)現(xiàn)火焰蔓延還可以細(xì)分為低速穩(wěn)定蔓延、脈動(dòng)蔓延、勻速蔓延、線性加速和氣相控制蔓延等五種模式［1－7］，并對(duì)各種蔓延模式的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了深入研究。但這些研究所針對(duì)的燃料主要是乙醇、丙醇等低閃點(diǎn)單質(zhì)燃料［8，9］，而對(duì)于高閃點(diǎn)燃料，如柴油等，則研究較少。相比于單一可燃液體火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘难芯浚旌峡扇家后w火焰?zhèn)鞑パ芯窟€較少?；旌峡扇家后w火焰?zhèn)鞑ナ芏喾N參數(shù)的影響，例如：外界氣流、液體粘性、介質(zhì)粒徑、介質(zhì)溫度、介質(zhì)表面導(dǎo)熱系數(shù)和介質(zhì)層表面傾角等，因此其傳播特性更為復(fù)雜。

本文針對(duì)初始溫度為27℃＜T＜55℃條件下的乙醇柴油混合燃料的火蔓延過程開展實(shí)驗(yàn)研究，采用高速紋影攝像系統(tǒng)和微細(xì)熱電偶測溫技術(shù)，對(duì)不同初始溫度條件下乙醇柴油表面?zhèn)鞑セ鹧娴慕Y(jié)構(gòu)、火蔓延速度及燃料表面溫升規(guī)律等進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)燃料的配制

通過大量文獻(xiàn)調(diào)研了解到，乙醇與柴油在低比例情況下可以互溶，乙醇比例越高，二者互溶性越差；相比于其它標(biāo)號(hào)的柴油，0 柴油與乙醇在常溫下的互溶性更好。因此，本實(shí)驗(yàn)中選取國產(chǎn)某0 柴油作為基礎(chǔ)燃料，在其中分別加入體積百分含量為2.5%、5%、7.5%、10%、12.5%、15%的無水乙醇（分析純，含量≥99.7%），并用玻璃棒不斷攪拌，混合后的乙醇柴油分別記作E2.5D、E5D、E7.5D、E10D、E12.5D、E15D，燃料配制好以后靜置一段時(shí)間待用。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，由紋影系統(tǒng)、高速攝像機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、實(shí)驗(yàn)槽、熱電偶、數(shù)據(jù)采集儀等組成。紋影系統(tǒng)由一個(gè)24V、500W鹵鎢燈光源、兩個(gè)焦距為2000mm的凹面鏡、聚焦透鏡、狹縫、反射鏡及控制刀口等組成。高速攝像機(jī)為日本Photron公司生產(chǎn)的高速攝影儀FastcamUltima APX型，用來記錄火蔓延全過程，實(shí)驗(yàn)中將高速攝像機(jī)的分辨率設(shè)置為512×512，拍攝速度設(shè)置為1000fps。紋影攝像是利用流場對(duì)光折射的原理產(chǎn)生圖像，由于溫度、濃度、壓力對(duì)火焰結(jié)構(gòu)的影響直觀上都反映為密度變化，因此通過紋影圖像可清晰再現(xiàn)火焰內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)的變化。數(shù)碼攝像機(jī)拍攝火蔓延時(shí)的火焰自發(fā)光圖片。

實(shí)驗(yàn)油槽是長方體容器，本體由不銹鋼制成，內(nèi)部尺寸為600mm×20mm×30mm（長×寬×深），為便于拍攝火蔓延過程中液面高度和油面下方燃油的流動(dòng)情況，實(shí)驗(yàn)槽的兩側(cè)安裝石英玻璃，實(shí)驗(yàn)槽放置于紋影系統(tǒng)光路的中央。由于0 柴油在室溫下不易點(diǎn)燃，因此在油槽一端設(shè)置點(diǎn)火區(qū)，距端面20mm處放置隔離擋板，保證點(diǎn)火時(shí)點(diǎn)火區(qū)以外燃油保持初始溫度，實(shí)驗(yàn)中取少量正庚烷注入點(diǎn)火區(qū)，作為引燃劑。六根K型快速響應(yīng)熱電偶從實(shí)驗(yàn)槽底部穿入，總跨度100mm，相鄰兩根熱電偶之間距離相等，均為20mm，熱電偶測溫端置于燃油液面的中心線上并且與液面相平，以測量油面溫度變化，如圖2所示。數(shù)據(jù)采集儀可實(shí)時(shí)記錄熱電偶采集得到的火蔓延過程中油面各點(diǎn)位置的升溫情況。

圖2 點(diǎn)火區(qū)及熱電偶分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of the ignition zone and thermocouple distribution

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

1.按照?qǐng)D1安裝好各實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，調(diào)試好高速紋影攝像系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集儀和數(shù)碼攝像機(jī)，做好實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作。

2.為了得到不同的初始溫度，實(shí)驗(yàn)中會(huì)先將配制好的燃料在熱水浴中加熱一段時(shí)間，通過溫度計(jì)測量燃料的溫度，直到測得的溫度數(shù)值高于期望溫度，準(zhǔn)備將燃料倒入實(shí)驗(yàn)槽。由于將燃料倒入實(shí)驗(yàn)槽和燃料在點(diǎn)火之前的過程中，燃料會(huì)有一部分的熱量損失，會(huì)導(dǎo)致燃料的溫度下降，因此，實(shí)驗(yàn)中將點(diǎn)火前1s熱電偶記錄的溫度值設(shè)定為燃料的初溫。將準(zhǔn)備好的混合燃料倒入實(shí)驗(yàn)槽，使液面與熱電偶測點(diǎn)相平。

3.點(diǎn)燃混合燃料，使火焰沿油面自由蔓延，用高速紋影攝像系統(tǒng)記錄整個(gè)火蔓延過程，數(shù)碼攝像機(jī)記錄燃燒火焰的自發(fā)光圖片；數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)記錄由熱電偶傳來的溫度數(shù)據(jù)。

4.保存高速紋影系統(tǒng)、數(shù)碼攝像機(jī)和數(shù)據(jù)采集儀獲得的數(shù)據(jù)，重復(fù)2、3步驟，進(jìn)行下一工況實(shí)驗(yàn)。

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，收集實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的廢液，整理好各實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，清理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同比例乙醇柴油的火焰形貌

實(shí)驗(yàn)中，通過數(shù)碼攝像機(jī)獲得的不同比例乙醇柴油混合燃料在燃料初溫為28℃附近時(shí)的蔓延火焰的外貌形態(tài)如圖3所示。

圖3 各燃料火蔓延過程中火焰的外貌形態(tài)Fig.3 Flame appearance shape in the process of each fuel flame spread

從圖3中可以看出，火焰自點(diǎn)火區(qū)向前（自左向右）傳播，當(dāng)乙醇添加比例≤10%時(shí)，火焰的外貌結(jié)構(gòu)與0 柴油類似，整個(gè)火焰?zhèn)鞑サ膮^(qū)域由橘紅色火焰區(qū)、藍(lán)色火焰區(qū)和無火焰區(qū)構(gòu)成，火蔓延過程中的火焰由主火焰和閃燃火焰構(gòu)成，主火焰位置靠后、火焰高度較高；閃燃火焰在主火焰前方緊貼液面、火焰高度較低。在火蔓延的過程中，藍(lán)色閃燃火焰火蔓延速度很快，長度不斷變化，有時(shí)完全消失，呈現(xiàn)一種不連續(xù)存在的脈動(dòng)狀態(tài)。橘紅色主火焰持續(xù)存在，呈現(xiàn)出不斷脈動(dòng)向前蔓延的狀態(tài)［10－12］。當(dāng)乙醇添加比例＞10%時(shí)，藍(lán)色閃燃火焰消失，整個(gè)火焰?zhèn)鞑^(qū)域由火焰區(qū)和無火焰區(qū)構(gòu)成。從乙醇柴油燃燒的過程中還可以發(fā)現(xiàn)，燃料點(diǎn)燃的一瞬間，藍(lán)色火焰迅速從點(diǎn)火區(qū)傳播到實(shí)驗(yàn)槽的另一端，隨后火焰的外緣顏色逐漸加深，變成橘黃色，整個(gè)燃燒區(qū)火焰的外緣比較平滑；當(dāng)燃燒穩(wěn)定之后，火焰外緣開始出現(xiàn)小幅波動(dòng)并逐漸變得劇烈。

從圖3中還可以發(fā)現(xiàn)，在初溫為28℃附近時(shí)，當(dāng)乙醇添加比例≤10%時(shí)，隨著乙醇添加比例的增大，主火焰前方閃燃火焰的長度逐漸變短；同0 柴油的火蔓延類似，在火焰前方油面下也存在一個(gè)狹長的紊流，在向前流動(dòng)時(shí)還向壁面擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)，內(nèi)部不均勻，其長度也隨乙醇比例的增大而逐漸變短。在火蔓延過程中，這種紊流一直保持在火焰的前方，且其水平向前運(yùn)動(dòng)速度略大于火焰?zhèn)鞑ニ俣?。Torrance等人［13］在醇類燃料的火蔓延實(shí)驗(yàn)中將其稱為表面流。表面流和閃火焰是液體燃料火蔓延過程中特有的現(xiàn)象，但同0 柴油相比，乙醇柴油火蔓延過程中的表面流現(xiàn)象不夠明顯，說明乙醇的添加會(huì)對(duì)表面流產(chǎn)生一定的削弱作用。當(dāng)乙醇添加比例＞10%時(shí)，在火焰前方油面下方觀察不到表面流的存在，此時(shí)火焰的傳播速度超過了表面流的速度，可能是因?yàn)榛旌先剂现械目扇颊魵庠谝好嫔戏脚c空氣混合形成的可燃性混合物處在燃燒范圍內(nèi)，使得火蔓延主要受氣相控制而造成的。

2.2 不同比例乙醇柴油的火蔓延行為

圖4 各燃料火蔓延過程中的紋影形態(tài)Fig.4 Schlieren appearance shape in the flame spread process of each fuel

高速紋影攝像被用來顯示火蔓延過程中蔓延火焰及其附近流場的結(jié)構(gòu)特征。圖4是一組不同比例的乙醇柴油火蔓延過程的紋影攝像記錄，從圖4中可以看出，在初溫為28℃～35℃之間時(shí)，當(dāng)乙醇添加比例＜10%（E2.5D，E5D，E7.5D）時(shí)，乙醇柴油混合燃料的火焰?zhèn)鞑ゼy影圖像與0 柴油的類似，即蔓延火焰的前下部紋影邊緣均比較光滑的，說明蔓延火焰的火焰前鋒比較光滑；后上部紋影邊緣則因火焰抖動(dòng)顯得凌亂不規(guī)則。從圖4中還可以發(fā)現(xiàn)，隨著乙醇比例的增大，火焰前鋒的傾角變大，火焰燃燒時(shí)的抖動(dòng)變小。

當(dāng)乙醇添加比例≥10%（E10D，E12.5D，E15D）時(shí)，乙醇柴油混合燃料與0 柴油的紋影圖像區(qū)別比較明顯，蔓延火焰的紋影邊緣都是比較光滑的，沒有褶皺出現(xiàn)，說明蔓延火焰的火焰邊緣比較光滑。圖4中不同配比混合燃料在前6s時(shí)間內(nèi)，火焰前鋒所在位置的連線成一直線，反映出在火蔓延的過程中，火焰?zhèn)鞑サ乃俣缺容^均勻。另外，隨著乙醇比例的增大，火焰前鋒的傾角基本沒有變化，反映出在該溫度下乙醇的添加比例對(duì)火蔓延速度的影響不大。

圖5 E7.5D不同初溫下的紋影形態(tài)Fig.5 Different schlieren appearance shape of E7.5D under different initial temperatures

圖5給出E7.5D在不同初溫下相同時(shí)間間隔內(nèi)的火蔓延過程紋影攝像記錄，可以發(fā)現(xiàn)：（1）在火蔓延的初始階段，火焰前鋒傾角較小，火焰前緣比較光滑，隨著時(shí)間的推移，傾角逐漸變大，火焰前緣上部變得不規(guī)則，褶皺增多，反映出火焰燃燒時(shí)的抖動(dòng)變得劇烈；（2）隨著初溫的升高，在同一時(shí)刻火焰前鋒的位置更靠前，火焰前鋒上部邊緣也變得越來越不光滑，反映出初溫的升高會(huì)使火蔓延速度變大，火焰燃燒得更劇烈。

2.3 不同比例乙醇柴油的火蔓延模式

圖6顯示了0 柴油和不同比例乙醇柴油混合燃料在不同初溫條件下火焰前鋒的運(yùn)動(dòng)軌跡。圖6中橫坐標(biāo)表示火焰在紋影拍攝范圍內(nèi)的傳播時(shí)間，縱坐標(biāo)表示火焰在傳播過程中，火焰前鋒向前運(yùn)動(dòng)離開火蔓延初始點(diǎn)的距離。從圖6（a）、（b）、（c）中可以看出，0 柴油在不同初溫條件下，火焰是以一種“前進(jìn)－后退－前進(jìn)”的模式向前傳播的，并且傳播過程比較連續(xù)；偶爾還還會(huì)以“前進(jìn)－停滯－前進(jìn)”的運(yùn)動(dòng)方式向前傳播，這與酒精火焰蔓延的方式相同［10］。與0 柴油相比，當(dāng)乙醇添加比例＜10%時(shí)，即E2.5D、E5D和E7.5D等混合燃料在各個(gè)初始溫度下的“距離－時(shí)間”曲線變化趨勢與0 柴油接近，說明混合燃料的火蔓延方式與0 柴油相似，火焰也是以一種“前進(jìn)－后退－前進(jìn)”或者“前進(jìn)－停滯－前進(jìn)”的模式向前傳播的，這里將火焰的這種傳播模式稱為脈動(dòng)蔓延［8］。

圖6 各燃料在不同初溫條件下火焰前鋒的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.6 Flame front motion trajectory of each fuel under different initial temperatures

這種脈動(dòng)蔓延模式的產(chǎn)生，是因?yàn)榛旌先剂系某鯗剌^低時(shí)，燃料表面的可燃蒸氣濃度不夠支持火焰的持續(xù)蔓延，當(dāng)液面上方某一位置的可燃蒸氣濃度低于燃燒極限時(shí)，即使火焰鋒面到達(dá)該位置，火焰鋒面也會(huì)停滯不前；如果此時(shí)火焰下方的燃料蒸發(fā)速率仍無法支持火焰持續(xù)燃燒，則火焰鋒面就會(huì)后退至燃料蒸發(fā)速率可以支持火焰持續(xù)燃燒的位置。一旦火焰鋒面前方燃料表面的蒸發(fā)速率小于可燃蒸氣的燃燒速率，再加上環(huán)境空氣的冷卻作用，就會(huì)使火焰后退或停滯。只有主火焰鋒面下方溫度較高的表面流不斷向火焰前方補(bǔ)充熱量，以及主火焰對(duì)火焰鋒面根部附近燃料表面的持續(xù)熱反饋，加速火焰根部附近燃料表面的蒸發(fā)，才能推動(dòng)火焰持續(xù)向前低速蔓延。由此可見，當(dāng)乙醇的添加比例＜10%時(shí)，混合燃料的燃燒性質(zhì)接近于0 柴油的燃燒性質(zhì)，其蔓延方式與0 柴油相似。

當(dāng)乙醇添加比例＞10%時(shí)，圖6中E12.5D和E15D在各初始溫度下的“距離－時(shí)間”曲線變化不大，即火焰始終以一種穩(wěn)定的方式向前傳播，火蔓延速度比較穩(wěn)定。此時(shí)混合燃料的蒸氣向液面上方蒸發(fā)的速度較快，并在燃料表面上方持續(xù)、快速的形成一層燃料與空氣的當(dāng)量混合氣，使得火焰蔓延速度達(dá)到最大并一直保持穩(wěn)定向前傳播。由此可知，乙醇添加比例＞10%時(shí)，混合燃料的火蔓延與預(yù)混火焰的傳播機(jī)理相似，火蔓延方式與0 柴油不同而接近于乙醇的蔓延方式。

當(dāng)乙醇添加比例為10%時(shí)，圖6中E10D在不同溫度下的“距離－時(shí)間”曲線變化比較明顯，可以將其分為三個(gè)階段，分別是27.6℃時(shí)的低速穩(wěn)定蔓延階段、30.4℃時(shí)的高速穩(wěn)定蔓延階段和48.1℃時(shí)的脈動(dòng)蔓延階段。之所以有這種變化，可能是因?yàn)槌鯗氐淖兓沟肊10D混合燃料中乙醇與柴油的相容性發(fā)生了變化，隨著溫度的升高，乙醇柴油的相容性變小，使得乙醇從柴油中分離并揮發(fā)，此時(shí)混合燃料中的0 柴油在燃燒時(shí)起到了主導(dǎo)作用，致使E10D的火蔓延方式由穩(wěn)定蔓延向脈動(dòng)蔓延模式轉(zhuǎn)變。

2.4 不同比例乙醇柴油的火蔓延速度

對(duì)火焰鋒面位置隨時(shí)間變化的情況進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到火蔓延速度隨時(shí)間的變化規(guī)律。圖7中（a）、（b）、（c）顯示了0 柴油和不同比例乙醇柴油混合燃料在不同初溫條件下火蔓延速度的變化情況，由圖7中可以看出，0 柴油在液相控制模式下的火蔓延基本處于低速脈動(dòng)傳播狀態(tài)，且呈現(xiàn)出周期性蔓延的特征。E2.5D、E5D和E7.5D在不同初始溫度下的火蔓延速度變化范圍保持在－200mm·s－1～1000mm·s－1，表現(xiàn)出一種低速穩(wěn)定脈動(dòng)蔓延的狀態(tài)，對(duì)比三種混合燃料的脈動(dòng)蔓延速度，E2.5D火蔓延速度的變化幅度比較大；E12.5D的火蔓延速度隨初溫的升高而變小，由27.6℃時(shí)的1400mm·s－1～1700mm·s－1減小到47.6℃時(shí)的900mm·s－1～1300mm·s－1；E15D的火蔓延速度在實(shí)驗(yàn)測定的溫度范圍內(nèi)變化不大，始終保持在1400mm·s－1～1700mm·s－1之間。

圖7 各燃料在不同初溫條件下火蔓延速度的變化Fig.7 Changes in the speed of flame spread under different initial temperatures

在不同初始溫度條件下，E12.5D和E15D的火蔓延速度變化趨勢是相似的，先是在點(diǎn)火后迅速達(dá)到最大值，隨后火蔓延速度小幅下降，最后在一個(gè)數(shù)值范圍內(nèi)保持穩(wěn)定直到火蔓延結(jié)束。E10D的火蔓延速度變化比較明顯，具體表現(xiàn)為：當(dāng)混合燃料初溫為27.6℃時(shí)，點(diǎn)火之后保持低速穩(wěn)定蔓延，速度不超過70mm·s－1，1.9s后，火蔓延速度迅速增大，并在火蔓延結(jié)束之前達(dá)到最大值，為883mm·s－1；當(dāng)混合燃料初溫為30.4℃時(shí)，點(diǎn)火之后的0.05s里，火蔓延速度就達(dá)到最大，數(shù)值約為1535mm·s－1，之后保持穩(wěn)定，繼續(xù)高速蔓延直至火蔓延結(jié)束；當(dāng)混合燃料初溫為48.1℃時(shí)，點(diǎn)火后火焰保持低速脈動(dòng)蔓延，火蔓延速度變化范圍保持在－200mm·s－1～600mm·s－1之間，與E2.5D、E5D和E7.5D的火蔓延速度接近。

對(duì)比不同比例乙醇柴油火蔓延速度的變化情況可知，在相同初始溫度條件下，當(dāng)乙醇添加比例＜10%時(shí)，混合燃料的火焰保持低速脈動(dòng)蔓延狀態(tài)，火蔓延速度的變化幅度不大，與0 柴油的火蔓延速度相近；可能是因?yàn)榛旌先剂现幸掖嫉谋壤淮?，?dǎo)致混合燃料的物理化學(xué)性質(zhì)偏向于0 柴油的理化特性，所以其火蔓延模式和速度接近于0 柴油火蔓延特征。當(dāng)乙醇添加比例≥10%時(shí)，火焰保持高速穩(wěn)定蔓延狀態(tài)，火蔓延速度會(huì)隨著燃料初始溫度的升高而降低；這是因?yàn)殡S著混合燃料中乙醇含量的增大，點(diǎn)火之后混合燃料中乙醇的理化特性對(duì)混合燃料的影響比重變大，所以混合燃料能夠保持高速穩(wěn)定蔓延，但當(dāng)燃料初溫過大時(shí)，可能又影響到了乙醇和柴油的相容性，導(dǎo)致乙醇過快揮發(fā)，火蔓延速度反而降低，這在E10D火蔓延時(shí)表現(xiàn)的最明顯。

2.5 油面溫升規(guī)律分析

根據(jù)傳熱學(xué)和火焰?zhèn)鞑ダ碚?，主火焰前鋒的前方液面溫度對(duì)火蔓延起著重要的作用，液面溫升的快慢直接決定了火蔓延速度的大小。實(shí)驗(yàn)中使用K型微細(xì)熱電偶對(duì)火焰前鋒推近至該測點(diǎn)時(shí)燃料表面的溫度變化進(jìn)行探測和分析。熱電偶的具體布置位置和方式如圖2所示。

圖8為燃油初溫在28.3℃時(shí)，熱電偶記錄的E7.5D混合燃料的液面溫升曲線。由圖8中可以看出，液面各點(diǎn)在主火焰前鋒到達(dá)之前首先有一個(gè)明顯溫升（ΔT），Zhou［14］在其研究中稱其為臺(tái)階溫升，隨后溫度振蕩上升，升溫趨勢變緩。E7.5D的臺(tái)階溫升現(xiàn)象與0 柴油表面火蔓延時(shí)的臺(tái)階溫升現(xiàn)象是相似的。對(duì)比其余幾種混合燃料表面火蔓延過程中的升溫曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)乙醇添加比例＜10%時(shí)，混合燃料表面火蔓延過程中都有臺(tái)階溫升出現(xiàn)，分析其原因是因?yàn)樵诨鹇舆^程中，主火焰前方油面下方存在著表面流。在表面流的作用下，主火焰前鋒根部溫度較高的液體不斷向主火焰前方流動(dòng)，致使前方液面升溫明顯。隨著時(shí)間的推移，在表面流預(yù)熱和主火焰前鋒對(duì)前方液面輻射的雙重作用下，前方液面的蒸發(fā)速度加快，待未燃液面的蒸發(fā)速度達(dá)到一定條件時(shí)，即未燃液面上方可燃蒸氣濃度達(dá)到了混合燃料的燃燒下限，主火焰前鋒就會(huì)向前蔓延。所以，臺(tái)階溫升現(xiàn)象是表面流和主火焰前鋒熱輻射共同作用的結(jié)果。

圖8 E7.5D火蔓延過程中的表面溫度變化（初溫T＝28.3℃）Fig.8 Changes of the surface temperature in the flame spread process of E7.5D（initial temperature T＝28.3℃）

圖9中（a）、（b）為不同比例的乙醇柴油在不同初溫下火蔓延過程中的表面溫度變化曲線，這里的溫度曲線是以每組工況下3號(hào)熱電偶所測得的溫度數(shù)據(jù)來繪制的，圖中t＝0表示每組工況下1號(hào)熱電偶出現(xiàn)明顯溫升的時(shí)刻。需要說明的是，E2.5D混合燃料需用引燃劑（正庚烷）點(diǎn)燃，其它混合燃料由點(diǎn)火器直接引燃；E2.5D在出現(xiàn)臺(tái)階溫升之前，在初溫小于45℃的情況下，要經(jīng)過一段時(shí)間的升溫之后才能形成火蔓延，圖9中（a）和（b）中的E2.5D溫度曲線都是經(jīng)過升溫過程之后開始記錄的。通過對(duì)比可知，隨著乙醇添加比例的增大，混合燃料火蔓延過程中熱電偶所記錄的燃料表面的最高溫度逐漸變小，且升至最高溫度的時(shí)間也逐漸減??；但在各工況下，不同比例的混合燃料火蔓延過程中液面所能達(dá)到的最高溫度相差不大。

圖10中（a）、（b）給出了不同比例乙醇柴油在不同初始溫度條件下火蔓延過程中油面升溫速率及最高溫度的變化情況。從圖（a）可知：當(dāng)乙醇添加比例＜10%時(shí)，混合燃料的表面火蔓延升溫速率隨著初溫的升高而升高；當(dāng)乙醇添加比例≥10%時(shí)，混合燃料的表面火蔓延升溫速率會(huì)隨著初溫的升高而降低。圖（b）表明了隨著不同比例乙醇柴油混合燃料初溫的升高，E7.5D和12.5D混合燃料表面火蔓延過程中的最高溫度會(huì)隨之升高；E5D、E10D和E15D的最高溫度變化趨勢相似，即先小幅下降然后再隨之升高；E2.5D的最高溫度變化則是先升高再下降。需要指出的是，E2.5D在燃料初溫為34.3℃時(shí)，先經(jīng)過了較長時(shí)間的加熱過程，使得點(diǎn)火前混合燃料的溫度已經(jīng)升高到48.6℃，因此從出現(xiàn)臺(tái)階溫升之前混合燃料的溫度變化來講，E2.5D的最高溫度變化趨勢與E7.5D和12.5D是一致的。

圖9 各燃料在不同初溫下火蔓延過程中表面溫度變化曲線Fig.9 Surface temperature change curve in the flame spread process of each fuel under different initial temperatures

圖10 各燃料在不同初溫下火蔓延過程中升溫速率及最高溫度的變化Fig.10 Changes of the heating rate and maximum temperature in the flame spread process of each fuel under different initial temperatures

3 結(jié) 論

本文利用高速紋影攝像技術(shù)對(duì)不同比例乙醇柴油在不同初始溫度下的火蔓延過程進(jìn)行了研究，并結(jié)合熱電偶測溫技術(shù)，對(duì)火蔓延過程中混合燃料的表面溫度變化情況進(jìn)行了分析，得到了如下結(jié)論：

（1）當(dāng)乙醇添加比例≤10%時(shí)，乙醇柴油蔓延火焰的外貌結(jié)構(gòu)與0 柴油相似，由主火焰和閃燃火焰構(gòu)成，閃燃火焰隨乙醇添加比例的增大而變短；火焰前鋒油面下方存在表面流長度隨乙醇比例的增大而變短。當(dāng)乙醇添加比例＞10%時(shí)，閃燃火焰消失，在火焰前鋒油面下方觀察不到表面流的存在，火蔓延主要受氣相控制。

（2）當(dāng)乙醇添加比例＜10%時(shí)，火焰低速脈動(dòng)蔓延；當(dāng)乙醇添加比例＞10%時(shí)，火焰始終以一種穩(wěn)定的方式向前傳播，火蔓延速度比較穩(wěn)定；E10D的火蔓延模式分為三個(gè)階段，分別是低速穩(wěn)定蔓延階段，高速穩(wěn)定蔓延階段和脈動(dòng)蔓延階段。

（3）初溫相同的條件下，當(dāng)乙醇添加比例＜10%時(shí)，混合燃料的火蔓延速度變化幅度比較小，當(dāng)乙醇添加比例≥10%時(shí)，火蔓延速度會(huì)隨著燃料初始溫度的升高而降低；混合燃料中乙醇含量的變化對(duì)燃料表面火蔓延方式和火蔓延速度的影響比較明顯。

（4）當(dāng)乙醇添加比例＜10%時(shí)，混合燃料表面火蔓延過程中都有臺(tái)階溫升現(xiàn)象，這是表面流和主火焰前鋒熱輻射共同作用的結(jié)果，混合燃料的表面火蔓延升溫速率隨著初溫的升高而升高；當(dāng)乙醇添加比例≥10%時(shí)，混合燃料的表面火蔓延升溫速率會(huì)隨著初溫的升高而降低?；鹇舆^程中混合燃料表面的最高溫度隨著乙醇比例的增大而變小，升至最高溫度的時(shí)間逐漸減小。

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