不同可燃液体层高度下浸润多孔介质砂床组合燃烧特性实验研究

可燃液体浸润多孔介质燃烧现象，广泛存在于化工、能源、环保等行业[1]，其燃烧蔓延行为明显区别于液体火[2-5]。对于可燃液体浸润多孔介质燃烧的研究和理解不仅有利于此类火灾的安全防控，还有利于多孔介质环境（土壤、砂地）中可燃液体泄漏污染的去污化处理。相比纯液体燃料燃烧获得广泛研究和关注[6-10]，目前对于可燃液体泄漏浸润多孔介质燃烧行为和关键参数变化规律的关注相对较少[11]。

现有关于可燃液体浸润多孔介质燃烧的相关研究主要集中在非传播型扩散火焰燃烧特性及火焰蔓延行为[12-26]。对于液体燃料浸润多孔介质砂床非传播型扩散火焰燃烧特性的研究，学者们主要关注燃烧过程中燃料质量损失速率、砂床内部温度、火焰特征等特征参数以及毛细效应和相变主导的传热传质过程。Kong等[12]研究了可燃液体浸润不同深度多孔介质砂床的非传播型扩散火焰燃烧特性，揭示了燃烧初期阶段传热主导机制以及不同砂床浸润深度下的毛细效应传质特性。Chao等[13]研究了不同多孔介质砂床和燃料种类组合下的燃烧行为，分别使用了普通砂、钢珠、沸石，和甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇，建立了一个基于导热主控机制的砂床内部传热模型，可以用来在一定程度上预测燃料消耗。Chen等[14]研究了柴油燃料浸润不同粒径的松木粉组成的多孔床，分析了共燃过程中火焰高度、脉动频率、质量损失速率、多孔床温度分布等参数的变化规律。

对于液体燃料浸润多孔介质砂床传播型燃烧场景，前人主要关注其火蔓延特征行为和火蔓延速度等参数以及环境风、坡度的影响。Hirano等[16]对原油浸润多孔介质污泥表面火焰蔓延特性展开了研究，出于火灾安全角度，对此类问题的蔓延机制进行了初步探索。Zanganeh等[17]研究了有限燃料供应润湿条件下可燃液体浸润多孔床表面水平火蔓延速度和温度分布，结合对可燃液体和多孔介质的传热分析，定性地解析了多孔介质内部传质输运过程。随后Zanganeh等[18]进一步研究了可燃液体浸润多孔介质砂床倾斜火蔓延行为，实验结果发现随着坡度增加，砂床表面火蔓延速度显著降低，并且相较于向下蔓延，火焰向上蔓延速度更快。Ishida[19]研究了可燃液体浸润玻璃珠多孔床表面火蔓延行为。研究发现与液体火蔓延相比，可燃液体浸润多孔介质砂床表面蔓延速度显著降低，火蔓延特性与由毛细效应和相变主导的传质供应率和火焰前沿燃料消耗率比值有关。随后，Ishida等[20-22]进一步研究了环境风作用下的可燃液体浸润多孔介质砂床表面火蔓延，发现砂床表面的火蔓延行为与环境风作用下砂床表面可燃蒸气层结构有关，并提出了一种描述可燃液体浸润多孔介质表面火蔓延模式的表征方法。Zanganeh等[23]研究了有限燃料供应润湿条件下砂床表面火蔓延。通过Damköhler数分析，分别对无风环境、顺流、逆流条件下的火蔓延速度变化规律进行了解析。Fu等[24]研究了不同燃料比和粒径条件下柴油浸润多孔介质砂床表面火蔓延。研究发现，火蔓延速度随着燃料比的增大和粒径的减小而增大。对于低燃料比场景，毛细效应和砂床导热是主导因素，而对于高燃料比工况，液体对流和火焰辐射是主控因素。

上述典型研究大多是在浸润或润湿状态下，即可燃液体充满砂床孔隙（浸润）或可燃液体较少部分浸润多孔介质的情形（润湿）。当可燃液体泄漏量较大时，还可能受到边界限制在多孔介质浸润层上方形成一定厚度的纯液体层。液体层的存在会影响向浸润多孔介质层的传热，浸润石英砂层也会影响液体层燃烧行为，这种组合燃烧特性还未得到充分研究。本工作重点关注液体层高度这一影响因素，对组合场景下砂层上方液体层燃烧行为及可燃液体浸润多孔介质砂床燃烧行为进行了专题研究，针对液体层和浸润砂层燃烧特性主要表征参数，质量损失速率、火焰高度、羽流温度分布和砂床温度分布进行了测量和分析，探究了液体层和浸润多孔介质砂层燃烧相互影响机制。当前研究可为此类火灾问题安全防治和应急处理提供一定程度的参考。

1 实验设计和程序

1.1 实验装置和测量系统

可燃液体浸润多孔介质砂床燃烧实验装置如图1所示。使用4个圆形不锈钢燃料盘，其高度分别为60、80、100、120 mm，内径均为80 mm，燃料盘外表面用20 mm石棉包裹以减少热损失。使用精度为0.1 g电子天平测量质量损失速率。两台高清摄像机用于记录火焰结构特性，拍摄速度为25帧/s，正面摄像机位于燃料盘前方1500 mm处，侧面摄像机距燃料盘水平距离为800 mm。火焰高度根据前人推荐的识别算法从相机视频中提取，定义火焰出现概率为0.5位置为当前研究中的火焰高度[27]。使用0.5 mm直径的K形热电偶测量砂床、液体层及羽流轴向温度，如图2所示（液体层为60 mm工况）。以多孔介质砂床表面为y=0基准面，砂床内部布置3×3阵列测点，横坐标分别为x=0、-20、-35 mm，纵坐标分别为y=-15、-30、-50 mm。液体层设置3×3阵列测点，横坐标与砂床相同，纵坐标分别为y=10、30、50 mm。16个测点设置于火焰羽流轴向中心线，临近火焰底部测点位于初始液面上方10 mm处，近火焰区测点间距为30 mm，较远区域间距为50 mm。

图1

图1   实验装置示意图

Fig.1   Experimental configuration

图2

图2   温度测点布置图

Fig.2   Layout of thermocouple points

1.2 实验工况

可燃液体选择体积浓度为99.9%（体积）乙醇，多孔介质砂床由纯度为96%(质量)石英砂堆积而成，使用3种粒度的石英砂，平均直径分别为0.191、1.800、3.175 mm。初始液体层高度是通过定制的燃料盘控制。对于特定高度的燃料盘，加注燃料至液面与燃料盘表面齐平，可燃液体首先会浸润充满石英砂层孔隙，随后在其上方积聚形成一定高度液体层。石英砂层高度为60 mm，考虑4种砂层上方液体层高度工况，分别为0、20、40、60 mm。燃烧过程中，液面随着燃料消耗逐渐下降，液面与燃料盘边缘高度差会对燃烧存在一定程度影响，但对当前研究的影响相对有限，前人研究已做出很好的解释[9, 12]。此外，设置了空白对照实验，即纯液体池火，使用燃料盘内径为80 mm，高度为60 mm，加注乙醇燃料层高度为60 mm。环境温度为33℃，湿度为72%，每个工况重复1~2次。温度、质量损失、火焰高度数据相对误差分别不超过8.63%、9.65%和12.24%。

2 结果与分析

2.1 燃料质量损失特性

图3给出了液体层和浸润石英砂层燃料质量损失速率。由图可知，对仅有浸润石英砂层工况（h=0 mm），质量损失速率在初始阶段快速增长，随后维持准稳定状态，最后随着燃料消耗，火焰逐渐熄灭。当存在液体层时（h=20~60 mm），从质量损失速率上可以区分为液体层燃烧阶段和浸润石英砂层燃烧阶段。液体层燃烧阶段相比于浸润石英砂层更为稳定，质量损失速率波动更小，这可归因于燃料蒸气从液体层和浸润石英砂层溢出过程中输运特性差异。对于液体层燃烧阶段，可燃液体受热蒸发可直接参与燃烧，反应速率相对更快。对于浸润石英砂层燃烧阶段，浸润其中的可燃液体接受上层传热汽化后，从砂床孔隙中溢出参与燃烧，该过程受热浮力驱动，同时受砂床孔隙特性影响，表现在质量损失速率数据上较为波动。

图3

图3   不同液体层高度工况下燃料质量损失速率

Fig.3   Fuel mass loss rate at different liquid layer thickness

图4给出了准稳定燃烧阶段质量损失速率及空白对照组实验结果。液体层和浸润石英砂层组合燃烧稳定时段的质量损失速率小于纯液体池火的质量损失速率。液体层存在可以增大浸润石英砂层燃烧阶段的质量损失速率[图4（a）]，这可归因于液体层中可燃液体燃烧对石英砂层中液体燃料的预热。在组合燃烧过程中，浸润石英砂层中可燃液体需要先吸热完成相变，随后燃料蒸气从砂层孔隙中溢出参与燃烧。在液体层中可燃液体消耗殆尽前，石英砂层中可燃液体是液态的，但液体层预热作用可将其从初始温度加热到沸点温度。从实验结果来看，20~60 mm液体层具有较明显的预热效果。而对于h=0 mm工况，石英砂层中液体燃料要先升温到沸点温度，然后发生相变参与燃烧。由于没有预热过程，其质量损失速率是小于存在液体层工况的。而对于h=20~60 mm时，浸润石英砂层燃烧阶段质量损失速率整体保持稳定趋势，这可能和石英砂层厚度有关。对于60 mm石英砂层，20~60 mm的液体层均可使砂层中可燃液体得到较好预热。此外，粒径对质量损失速率存在影响。当h=0 mm时，浸润石英砂层燃烧质量损失速率随粒径增大而减小，这可能与砂床毛细作用有关。毛细作用是指液体在细管状物体内自发上升或下降的现象，其本质受到内聚力和附着力组合的表面张力驱动[28]。石英砂堆积床可被视为是一簇毛细管束[1]，可以通过毛细作用在一定程度上提升燃料。当液体层中可燃液体消耗殆尽，浸润石英砂层中可燃液体开始燃烧时，毛细作用影响逐渐显现。毛细力与砂子颗粒尺寸直径成反比关系[12-13]。粒径越小，毛细效应向上输送燃料能力越强，本实验中，0.191 mm粒径工况具有相对强的毛细效应，其燃烧质量损失速率也更快。

图4

图4   不同液体层高度工况稳定阶段质量损失速率

Fig. 4   Mass loss rate at stable combustion stage at different liquid layer thickness cases

从图4（b）可以看出，液体层中可燃液体燃烧阶段质量损失速率随液体层高度增加而减小，这可以从两方面解释。首先，随着燃烧推进，液体层高度逐渐下降，燃料盘边缘对于卷吸的限制会逐渐增加。液体层高度越大，则其可燃液体燃烧殆尽时燃料盘内液面下降高度越大，这对空气卷吸的限制作用更明显。此外，液体层高度越大，可燃液体燃烧阶段向下方石英砂层转移的热量也更多。相比于常规液体池火而言，由于石英砂层的存在，液体层接收的热量（火焰带来的对流换热、热辐射及燃料盘导热）会有一部分被传递给石英砂层，这在一定程度上影响了液体层中可燃液体燃烧速率。此外，液体层可燃液体质量损失速率随下方砂层粒径增大而增大

2.2 火焰特征和羽流温度分布

图5给出了典型工况火焰特征。可以看出，当液体燃料刚被点燃时，火焰迅速覆盖砂床表面。随着燃烧时间推移，表面火焰对燃料的辐射加热持续增加，使参与燃烧反应的可燃蒸气增加，砂床中心火焰高度快速增加。随着砂床中心积聚更多燃料蒸气以及砂床内部温度升高使得燃料蒸气输运速率加快，燃烧反应强度逐渐增强，中心火焰逐渐增长到最大高度随后逐渐维持稳定。此后，砂床上部浸润燃料被消耗，只能依赖砂床深处燃料供应维持燃烧，且蒸气需要经过相对较长距离溢出至砂床表面，这一定程度影响了燃烧速率，中心火焰高度逐渐降低。

图5

图5   典型工况火焰特征（d=1.800 mm, h=0 mm）

Fig.5   Flame characteristics in the typical case (d=1.800 mm, h=0 mm)

图6给出了准稳态时段火焰高度数据及空白对照组火焰高度。火焰高度变化趋势与稳定燃烧阶段质量损失速率数据类似，整体上表现为随液体层高度增加先增大而后几乎不变。液体池火的火焰明显高于液体层和浸润石英砂层组合燃烧场景火焰高度。对于仅有浸润石英砂层的工况，火焰高度随石英砂粒径增大而减小，这可归因于更小粒径的砂床具有更强毛细力输运燃料，火焰需要扩展更长距离卷吸空气消耗燃料。对于存在液体层工况，火焰高度明显增大，这也与液体层提供了更多燃料有关，且此阶段火焰高度随粒径增大而增大。

图6

图6   不同液体燃料层高度工况火焰高度

Fig.6   Flame height under different liquid fuel layer height

图7给出了准稳定时段火焰及羽流轴向温度数据。液体层高度对扩散火焰羽流轴向温度影响不明显，而粒径对羽流轴向温度存在轻微影响，随着粒径增大，羽流温度呈现出一定微弱衰减。这可通过质量损失速率得到解释，粒径越小，砂床通过毛细效应输运燃料能力越强，燃烧质量损失速率也就越大，体现为更高火焰羽流温度。为了定量分析火焰及羽流轴向温度，引入了McCaffrey羽流关系[29]。从图7可以看出，当前实验数据可被很好地描述。在连续火焰区域，火焰轴向温度接近于常数，而在间歇火焰区域和浮力羽流区域的温度逐渐衰减。

图7

图7   火焰羽流轴向温度分布

Fig.7   Axial temperature distribution of flame plumes

连续火焰区域： Tf(z)−T∞T∞=2.029$\frac{T_f\left(z\right)-T_{\infty }}{T_{\infty }}=2.029$，(z−z0)/DQ˙*2/5<1.005$\frac{(z-z_0)/D}{{\dot{Q}}^{*2/5}}<1.005$(1)

间歇火焰区域： Tf(z)−T∞T∞=1.954[(z−z0)/DQ˙*2/5]−0.232$\frac{T_f\left(z\right)-T_{\infty }}{T_{\infty }}=1.954{\left(\frac{(z-z_0)/D}{{\dot{Q}}^{*2/5}}\right)}^{-0.232}$，

1.005≤(z−z0)/DQ˙*2/5≤2.373$1.005\le \frac{(z-z_0)/D}{{\dot{Q}}^{*2/5}}\le 2.373$(2)浮力羽流区域： Tf(z)−T∞T∞=7.077[(z−z0)/DQ˙*2/5]−1.754$\frac{T_f\left(z\right)-T_{\infty }}{T_{\infty }}=7.077{\left(\frac{(z-z_0)/D}{{\dot{Q}}^{*2/5}}\right)}^{-1.754}$，(z−z0)/DQ˙*2/5>2.373$\frac{(z-z_0)/D}{{\dot{Q}}^{*2/5}}>2.373$(3)

式中,Tf(z)$T_f\left(z\right)$为高度z$z$处的火焰羽流温度；T∞$T_{\infty }$为环境温度；D为燃料盘直径；z0$z_0$为虚点源位置， z0=0.083Q˙2/5−1.02D$z_0=0.083{\dot{Q}}^{2/5}-1.02D$；Q˙*${\dot{Q}}^{*}$为无量纲热释放速率，Q˙*=Q˙/ρ∞cpT∞g1/2D5/2${\dot{Q}}^{*}=\dot{Q}/{\rho }_{\infty }{c}_p{T}_{\infty }{g}^{1/2}{D}^{5/2}$，其中Q˙=χm˙ΔH$\dot{Q}=\chi \dot{m}\Delta H$，ΔH$\Delta H$为热值，m˙$\dot{m}$为与温度数据提取自相同时间段的质量损失速率数据，χ$\chi$为燃烧效率，χ=1.0$\chi =1.0$[30]。

2.3 多孔介质内部温度分布

图8给出了石英砂层温度变化。石英砂层温度先缓慢增长，随后在78.7~79.0℃基本维持不变，该温度接近乙醇沸点温度78.3℃[12]，持续一段时间后，温度再次快速增长达到峰值。可以推测，在缓慢增长过程中，燃料仍处于液态，液体温度逐渐从初始温度升高到沸点温度，而在温度维持不变阶段，应该是气液共存状态，可燃液体正在发生汽化相变过程。随后，该位置可燃液体完全变为蒸气，温度再次快速上升直至达到峰值。

图8

图8   不同液体层高度下石英砂层内部温度（d=0.191 mm系列工况）

Fig.8   Internal temperature of quartz sand layer under different liquid layer height（d=0.191 mm series cases）

当液体层中可燃液体燃烧殆尽，浸润石英砂层中可燃液体开始燃烧时，其内部可划分为三个典型区域：上部蒸气区（干区：燃料蒸气和石英砂）、中部气液共存区（相变区）、底层液相区（湿区：可燃液体和石英砂），如图9所示。根据石英砂层内典型位置完成相变时间，可对蒸气区平均移动速度进行估算。图9给出了蒸气区平均移动速度。随液体层高度增加，蒸气区移动速度呈现出增大趋势。粒径对于蒸气区移动速度存在影响，粒径越小，蒸气区移动速度相对越快。粒径0.191 mm工况移动速度明显大于其他工况，这可以归因于毛细作用的差异以及温度引发的蒸发效应[22]。

图9

图9   浸润石英砂层中可燃液体燃烧阶段蒸气区平均移动速度

Fig.9   Average movement speed of vapor zone in combustible liquid burning stage of quartz sand layer

3 结 论

为了探究不同可燃液体层高度下浸润多孔介质砂床组合燃烧特性，开展了一系列可燃液体浸润多孔介质燃烧实验。关注了燃烧质量损失速率、多孔介质砂床内部温度、火焰高度和羽流温度等特征参数的演化规律，主要结论如下。

（1）当前实验中，可燃液体层对浸润石英砂层燃烧特性具有一定的影响。当仅有浸润石英砂层时，燃料质量损失速率随着石英砂粒径增大而减小。当存在液体层时，浸润石英砂层燃烧质量损失速率明显增大，这归因于液体层燃烧对浸润石英砂层可燃液体的预热作用。

（2）在液体层高度h=20~60 mm范围内，准稳态燃烧阶段火焰高度随液体层高度增加先增加而后几乎不变，整体表现为与质量损失速率类似的趋势。基于前人推荐的羽流关系和当前实验数据，获得了适用于描述可燃液体浸润多孔介质砂床火焰及羽流轴向温度的经验公式。

（3）在78.7~79.0℃范围内，浸润石英砂层内部出现温度增长迟滞，该温度接近液体燃料沸点。浸润石英砂层燃烧阶段其内部可分为蒸气区（干区）、气液共存区、液相区（湿区）。随着液体层高度增加和砂子粒径减小，浸润石英砂层内部蒸气区移动速度呈增大趋势。需要指出的是，毛细效应随颗粒粒径变化趋势受到多孔介质复杂孔隙结构特征的影响。在当前粒径范围内，认为其具有正相关关系，但在更大范围内的对应关系，还需要在未来进一步深入揭示。

符 号 说 明