彭新宇，唐 飛

橫風作用下燃氣罐車泄漏射流火行為特征研究

彭新宇1，唐 飛2

(1. 合肥工業(yè)大學汽車與交通工程學院，合肥 230009；2. 中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，合肥 230026)

為探究燃氣罐車泄漏射流火的火災特性，本文通過縮尺寸實驗臺開展實驗，研究了橫風風速、泄漏流量以及泄漏孔徑對射流火行為及罐體表面溫度變化特征的影響．研究表明：橫風風速越大，火焰高度越低，最大降幅超過0.4m．此外，橫風會加劇罐體表面受到的火焰熱反饋效果，進而引發(fā)罐體表面最大溫度的進一步升高；最后，從火羽流熱浮力以及環(huán)境風誘導慣性力的耦合角度出發(fā)，分析了橫風對射流火火焰幾何特征的影響機制；并根據火焰及煙氣對罐體表面的輻射、對流傳熱作用，建立了橫風作用下氣罐車泄漏射流火的最大溫度模型．

燃氣泄漏；射流火；火焰高度；最大溫度；橫風

燃氣通常通過氣罐車進行長距離輸運，當燃氣儲罐壁發(fā)生破損時，由于管壁內外巨大的壓力差，泄露氣體極易誘發(fā)射流火災，同時射流火局部燃燒非常劇烈，如果火焰觸及到周圍設施，可能引發(fā)次生衍生事故，造成巨大的經濟損失或人員傷亡事故．

為探究射流火焰的燃燒行為，國內外學者針對射流火焰的幾何特性進行了研究[1-2]，其中氣體射流為其中一項重要內容．氣體射流火的火焰幾何特性主要取決于燃料初始動量及火焰熱浮力之間的相互作用，并由此將射流火焰的控制類型劃分為浮力通量控制和動量通量控制[3]．Heskestad[4]提出豎向射流火焰高度在浮力主控階段隨熱釋放率的變化特征，并建立了豎向射流火火焰高度與火焰功率的無量綱模型. Bradley等[5]通過實驗建立了涵蓋不同燃料、泄漏流量的射流火焰高度模型，系統地研究了豎向射流火焰托舉高度以及火焰表面密度的變化規(guī)律．陳鈺方等[6]針對甲烷和二氧化碳的非預混火焰的火焰形態(tài)和托舉高度進行了研究．Liu等[7]分析了橫向射流火火焰幾何特性，并建立了火焰高度以及火焰長度等幾何特征的數學模型．

此外，射流火火焰行為也受到了事故環(huán)境的影響．例如，環(huán)境風、構造物的存在會擾動其火焰形態(tài)．目前已有學者針對特定環(huán)境下的射流火火焰形態(tài)展開研究[7-11]．陳果等[8]通過模擬研究了傾斜射流火撞壁后的火焰行為和熄滅現象．Wang等[10]研究了橫風作用下豎直射流火的吹熄條件，并分析了橫風速度、燃油噴射速度、噴嘴直徑和壓力等因素對吹熄行為的影響．Lu等[11]研究了射角向下射流火的火焰行為，并結合橫風作用效果建立了基于動量和質量守恒的無量綱模型．Foroughi等[12]研究了管道燃料泄漏射流火對于周邊管道的作用，同時考慮到其對周圍構造物熱損傷．前人針對多種條件下的氣體射流火燃燒進行了研究．但是在實際的生產運輸過程中會受到環(huán)境風(橫向)的影響，同時儲罐泄漏射流火也會受到自身罐體的熱反饋作用，而針對這種場景下的火焰形態(tài)以及火焰對罐體的作用效果少有報道．

基于此，本文擬通過實驗研究不同泄漏孔徑、流量及橫向風速對氣罐車泄漏射流火火焰行為的影響，并深入探討罐體表面溫度的變化特征，以拓展湍流射流火災理論，從而為氣罐車泄漏射流火火災事故的監(jiān)測和防控提供實驗依據．

1 實驗裝置及工況

實驗裝置主要包括罐體實驗平臺、燃燒控制裝置及數據采集系統3部分，如圖1所示．其中，實驗平臺中罐體圓筒段長度為1.6m，由直徑0.6m、厚度2mm的不銹鋼構成，在1∶6的放大尺寸條件下，與某公司生產的100m3的液化氣罐運輸半掛車尺寸基本一致．在罐體側面的中線分別開不同尺寸的泄漏孔，并在開口兩側，以8cm間隔開2mm直徑孔以布置熱電偶．采用質量流量計控制火源功率．在罐體內部設置噴口，并通過質量流量計改變丙烷燃料的供應速率以控制火源功率．在罐體表面布置8個直徑為1mm的K型熱電偶(與泄漏孔同一水平高度)，其中2根熱電偶設置于泄露孔上游，6根設置于下游．在燃燒器正面和側面分別放置攝像機以記錄火焰形態(tài)．此外，3種泄漏孔直徑()分別取為4mm、5mm、7mm．7種橫風速度()范圍為0～2.25m/s.丙烷流量()設置范圍為6～34L/min，環(huán)境溫度為(7±3)℃，具體實驗工況如表1所示．每次實驗重復3次，以保證數據的準確度．

圖1 實驗裝置示意

表1 實驗工況匯總

Tab.1 Summary of experimental conditions

2 結果與討論

2.1 橫風作用對火焰尺度的影響

圖2給出了在＝4mm、＝14L/min的條件下，火焰幾何形狀隨變化情況．其中，圖2(a)、(b)和(c)為正面視角，圖2(d)、(e)和(f)為側面視角．圖2(a)、(b)、(d)和(e)為實際拍攝的火焰圖像，圖2(c)和(f)為通過Otsu[13]算法處理后的平均火焰概率圖，其中將0.5概率輪廓線作為火焰邊界．火焰高度定義為從噴口到火焰頂端的縱向距離，火焰投影長度定義為側向視角下火焰邊界到噴口的距離，火焰長度定義為正面視角下火焰頂端到噴口的水平距離．

圖2 在D＝4mm、V＝14L/min條件下火焰幾何特征

當和固定時，越大，火焰高度(f)越低，同時側面視角下火焰投影長度(s)縮短，正面視角下火焰長度(f)增加．此外，越大，射流火焰向外部拓展范圍縮小，火焰逐漸靠近罐體．這表明橫風雖減少了射流火對外部環(huán)境的影響范圍，但同時也增加了罐體的危險性．

相較于無風作用下的射流火焰，橫風作用下的火焰除了受到熱浮力，射流初始動量[14]耦合作用影響外，橫風慣性力也會參與到耦合作用中，導致火焰高度隨著的增加而降低．這是由于火焰熱浮力通量不變(單一燃料)，增加改變了射流火初始動量與橫風動量的比值．增加代表了橫風動量在影響因素中比重的上升，進而導致了火焰高度下降．＝7mm條件下對應的火焰高度下降幅度最為明顯，相較于無風條件下70cm左右的火焰高度．在＝2m/s條件下，火焰高度已經下降至20cm處，下降幅度超過50%，具體如圖3所示．

Liu等[7]研究了火焰高度與空氣卷吸量的相關性，建立無風條件下無量綱射流火火焰高度與空氣卷吸量的模型：

圖3 火焰高度隨橫風大小的變化過程

此外，采用數來表征橫風慣性力與火焰熱浮力之間相互作用的博弈關系，由此數將與罐體泄漏射流火焰的傾斜程度存在一定的相關性，具體如公式(5)所示．

將公式(5)代入公式(1)以進一步表征橫風作用下無量綱射流火火焰高度與空氣卷吸量的模型，具體如下：

式中：和均為待定參數．

圖4展示了實驗數據具有較好的關聯性，進一步得出了橫風作用下無量綱射流火火焰高度與空氣卷吸量的模型：

圖4 橫風作用下無量綱射流火火焰高度模型

圖5展示了火焰高度計算值與實驗值的對比情況，結果表明兩者吻合程度較好，且誤差控制在15%以內．

圖5 預測值與實驗值對比

圖6展示了f的變化規(guī)律，以＝4mm為例，隨的增加，f呈現先上升后逐漸平緩的趨勢．這主要是由于環(huán)境風動量通量的增加，推動了火焰向下游傾斜，此時f的增加．同時由于固定，火焰中的燃料總量不變，f在上升到一定程度后逐漸平緩．

2.2 橫向作用下燃氣罐體表面溫度

圖7展示了罐體表面最大溫度隨的變化過程．在相同和條件下，罐體表面最大溫度隨的增加而增大．當固定時，增加會導致火焰高度降低和火焰長度增加，縮短了火焰與罐體表面的距離，進而引起罐體表面最大溫度增加．當數介于1.72～10.36時，罐體表面最大溫度增幅在20～40K.

圖6 Lf隨v的變化過程(D＝4mm)

其中，＝7mm條件下對應的罐體表面最大溫度增幅最為顯著，當由0.75m/s增加至2.25m/s時，罐體表面最大溫度的增幅超過40K．

射流火火焰對罐體的傳熱作用主要包括火焰熱輻射以及熱煙氣熱對流作用，接下來將從兩個角度進行分析．其中，輻射傳熱模型如下[15-16]：

將公式(10)代入公式(5)，可得：

將公式(11)代入公式(9)，可得：

由對流傳熱所導致火焰下游熱煙氣的溫度模型如下[17-18]：

將公式(14)代入公式(13)，可得

圖8 橫風作用下射流火空氣卷吸物理模型示意

結合火焰熱輻射以及熱煙氣熱對流對罐體的作用效果，可以得到橫風作用下罐體表面最大溫升模型關聯性為

結合火源熱釋放速率與燃氣的質量流量的關 系式：

將公式（19）兩端進行無量綱化，可得：

考慮到罐體本身尺寸的影響，引入罐體尺寸的無量綱修正因子(/)：

式中：為泄漏孔直徑，m；為罐體直徑，m．

圖9展示了橫風作用下罐體表面最大溫升變化過程，并建立了給定工況下的罐體表面無量綱最大溫升模型：

圖10展示了罐體表面最大溫度預測值與實驗值的對比情況，結果表明兩者吻合程度較好，且誤差控制在5%以內．

圖9 橫風作用下罐體表面無量綱最大溫升變化特征

圖10 罐體表面最大溫度預測值與實驗值對比

3 結 論

本文通過實驗研究了橫風條件下的氣罐車泄漏射流火火焰特征，并分析了火焰高度和罐體表面溫度分布規(guī)律．

(1)橫風風速的增加會導致橫風慣性力增加，這削弱了射流火初始動量以及熱浮力通量對火焰形態(tài)的影響，進而導致火焰高度下降，最大下降幅度超過50%，同時也使得火焰長度增加．

(2)橫風風速的增加會把火焰吹向罐體表面，射流火焰通過輻射、對流等熱傳遞方式作用于罐體表面，從而導致罐體表面最大溫度的增加．當橫風速度由0.75m/s增加至2.25m/s時，罐體表面最大溫度的增幅超過40K．

(3)引入表征橫風慣性力與火焰熱浮力比值的數，當數介于1.72～10.36之間，提出了橫風作用下的無量綱射流火焰高度表征模型，同時結合射流火傳熱機制，建立了橫風作用下罐體表面最大溫升 模型．

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Fire Behavior Characteristics of Leakage Jet Fire of Tank Under Crosswinds

Peng Xinyu1，Tang Fei2

(1. School of Automotive and Transportation Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2. State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China)

In order to explore the characteristics of the leakage fire in the gas tank truck，this paper carried out experiments on the reduced size test platform，and studied the influence of cross-wind speed，leakage flow rate and leakage diameter on the jet fire behavior and the characteristics of tank surface temperature change. It is found that the flame height of gas tank leakage will decrease with the increasing velocity of crosswind. The spacing between maximum and minimum of flame height is more than 0.4m in experiments. Besides，crosswind will enhance the effect from the thermal feedback of jet flame on the tank surface，which will further lead to the increasing measured maximum temperature on tank surface. Based on the coupling effect between the thermal buoyancy of jet plume and the inertial force induced by crosswind，the influence mechanism of crosswind on the geometrical characteristics of gas leakage jet flame was analyzed. In terms of maximum temperature on tank surface，considering the radiation and convection effect from fire and hot flue gas，a new model for maximum tank surface temperature was established.

gas tanker leaks；jet fire；flame height；maximum temperature；crosswind

TK16

A

1006-8740(2023)03-0365-07

10.11715/rskxjs.R202207006

2022-09-25．

國家自然科學基金資助項目(52076066)；安徽省杰出青年基金資助項目(2208085J34)；中國科學院率先行動人才計劃和中國科學技術大學學術領軍人才培養(yǎng)計劃．

彭新宇(1997— )，男，碩士研究生，3296566401@qq.com.Email：m_bigm@tju.edu.cn

唐 飛，男，博士，教授，ftang@ustc.edu.cn.

(責任編輯：梁 霞)