隨著飛機、船舶等交通運輸業(yè)的發(fā)展，石油產(chǎn)品仍舊在全球能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)最大的比例，在石油產(chǎn)品的生產(chǎn)、儲存、運輸和使用過程中，燃油泄漏事故時有發(fā)生[1],這些泄漏的燃油一旦遇到點火源，就可能出現(xiàn)典型的火災(zāi)現(xiàn)象：液體表面的火蔓延。RP-5號航空煤油由烷烴、環(huán)烷烴、和芳香烴等構(gòu)成，主要用于航母艦載機的渦輪發(fā)動機，具有閃點高，密度大、燃燒速度快、火勢兇猛、輻熱強等特點[2,9]。發(fā)生火災(zāi)時危害性極大，往往會造成重大經(jīng)濟損失和慘重人員傷亡。因此，對RP-5的火蔓延行為進行研究，充分認(rèn)識航空煤油火蔓延的基本特性和機理，對控制航空煤油火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展和撲救，降低火災(zāi)的危害性具有重要的理論和現(xiàn)實意義。
一直以來，大量的學(xué)者針對液體燃料在不同初溫條件下的火焰蔓延速度進行了大量的研究。1968 年 Glassman[3]對燃料初始溫度對火焰蔓延速度的影響進行了研究，并首次以燃料閃點為界，把液體燃料火蔓延分為了氣相控制蔓延和液相控制蔓延。Akita[4]在 1973 年，對甲醇火焰蔓延進行了系統(tǒng)研究，把蔓延模式細化為低速穩(wěn)定蔓延、脈動蔓延、高速穩(wěn)定蔓延和預(yù)混火焰蔓延四種模式，其中前三種屬于液相控制，預(yù)混火焰蔓延模式屬于氣相控制。
- Degroote[5]在 2005年，對乙醇火焰蔓延進行了系統(tǒng)研究，將乙醇燃料不同初溫條件下火焰蔓延速度劃分為五種模式，分別為低速穩(wěn)定蔓延、脈動蔓延、高速穩(wěn)定蔓延、穩(wěn)定加速蔓延和預(yù)混火焰蔓延，并得出了預(yù)混火焰蔓延和穩(wěn)定加速蔓延模式下火焰蔓延速度計算的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。Burgoyne[6]等人發(fā)現(xiàn)己醇、戊醇和丁醇的火蔓延誘導(dǎo)時間隨著燃油初溫的升高而線性下降。Akita和Fujiwara[7]的研究表明油池尺寸不會對液體火蔓延脈動階段和穩(wěn)定階段的轉(zhuǎn)折溫度產(chǎn)生影響，用小尺度的油池同樣可以探究火焰蔓延的脈動現(xiàn)象。Schiller[8]的實驗證明了在液體火蔓延過程中，燃油的初始溫度會通過影響油面的燃料蒸汽分布來改變火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/li>
近年來國內(nèi)外研究者針對燃油初溫對火焰蔓延速度的影響也做了大量的研究，但是對RP-5號航空煤油的火蔓延特性進行系統(tǒng)研究的并不多見。本文通過自行搭建的火焰蔓延測試系統(tǒng)，選擇了13種不同的燃油初溫，系統(tǒng)的研究了燃油初溫對RP-5火蔓延速率的影響。
1 試驗裝置與測量方法
噴氣燃料RP-5火焰蔓延試驗系統(tǒng)主要由油槽、水浴加熱系統(tǒng)和測試系統(tǒng)三部分組成。實驗系統(tǒng)構(gòu)成圖見圖1和圖2。
圖1 火焰蔓延速度測試系統(tǒng)示意圖
圖2 火焰蔓延速度測試系統(tǒng)圖
油槽通過支撐懸擱在水浴箱內(nèi)。油槽的尺寸為1.5m×0.06m×0.06m（長×寬×高）的矩形箱，油槽的左端（距左端面5cm）設(shè)置一點火區(qū)，在點火區(qū)注入適量的汽油或庚烷作為引燃劑。用擋板把點火區(qū)和油槽其他區(qū)域隔開，使引燃劑限定在引燃區(qū)，保證點火時點火區(qū)以外的燃油保持初始溫度。
水浴箱的尺寸為1.7m×0.25m×0.11m（長×寬×高）的矩形箱，為了保證能夠在一段時間內(nèi)燃油溫度是穩(wěn)定的；同時減少了試驗裝置附近加熱過程中燃油蒸氣的聚集，在水浴箱內(nèi)配制所需溫度的熱水，同時把所要求溫度的燃油（在其他地方采用水浴加熱的方式得到的設(shè)定溫度的燃油）倒入油槽。
通過熱電偶的溫升配合錄像系統(tǒng)得到火焰蔓延速度。在油槽的中心線上，距離點火端0.25m的位置開始布置熱電偶，在1.1m的范圍內(nèi)共布置了12個測點，編號為T1~T12，測點間間距為0.1m。熱電偶貼近燃料液面，當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ皆撐恢脮r，熱電偶會產(chǎn)生明顯的溫升。用相鄰兩熱電偶的間距（0.1m）除以兩熱電偶顯著溫升的時間差，就能得到該區(qū)間內(nèi)火焰蔓延的平均速度。
2 試驗結(jié)果與分析
大多數(shù)火災(zāi)的發(fā)生，都是從可燃物的某一部分開始，然后蔓延擴大的。這是因為物質(zhì)在燃燒時造就了一個危險的熱傳播過程，即燃燒——熱效應(yīng)——燃燒。燃燒產(chǎn)生的熱效應(yīng)使燃燒點周圍的可燃物受熱發(fā)生分解、著火和自燃，如此往復(fù)，火熱便迅速地向周圍蔓延開去。
為保證實驗結(jié)果的可靠性，每種工況進行兩次重復(fù)實驗。選取300℃作為參考溫度，即每條曲線到達300℃的時間，作為火焰到達的參考時間。具體的液相蔓延過程中溫度隨時間的變化曲線如圖3所示。
圖3 9種燃油初溫火蔓延試驗的溫度隨時間變化曲線
由圖3可以看到，當(dāng)引燃油池一段時間后，相鄰的熱電偶幾乎以等間隔的時間陸續(xù)升高溫度，當(dāng)火焰前鋒經(jīng)過熱電偶一段時間后，該位置處池火充分燃燒，并且溫度較為穩(wěn)定。圖中的9種溫度工況都小于閃點，此時火焰鋒面前方存在液相對流，它起到加熱前方未燃油面的作用，此階段的火蔓延模式為預(yù)熱火蔓延模式，也稱為液相控制火蔓延[9]。由圖中可以看到，除個別曲線外，重復(fù)實驗有較高的重合度，以300oC為參考時間，計算得到的不同初溫條件下的火焰?zhèn)鞑ニ俣冉Y(jié)果和擬合曲線如表1和圖4所示。
圖4 火焰?zhèn)鞑ニ俣葦M合曲線
圖4中，雙點速度擬合曲線為Y=0.05346t+0.05434，平均值擬合曲線 Y=0.05346t+0.05494，兩條曲線的擬合度均達到0.95以上。即在燃油初溫低于閃點范圍內(nèi)，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c燃油初溫呈線性增長關(guān)系。航空煤油火焰以藍色主火焰在前、橘紅色閃燃火焰在后的模式向前傳播，即是主火焰和閃燃火焰兩種形式共存的蔓延模式[10]。當(dāng)燃料溫度高于75℃時，溫度已經(jīng)高過了燃料的閃點，此時火焰蔓延轉(zhuǎn)化為氣相控制，在燃料表面會形成一層穩(wěn)定明亮的預(yù)混燃燒層，火焰的傳播速度明顯增快，此時依靠熱電偶的溫度結(jié)果已經(jīng)不足以滿足其響應(yīng)時間的需要，因此只能依靠錄像結(jié)果對燃料的閃燃和燃燒情況進行判別。由圖5可知，當(dāng)燃油初溫高于閃點時，隨著溫度繼續(xù)增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣葧黠@提升，隨后到達臨界點時，蔓延速度會出現(xiàn)降低，并且閃燃燃速會明顯高于實際燃速。但是在燃油初溫高于閃點的整個區(qū)間內(nèi)，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c燃油初溫不再保持線性增長關(guān)系。
表2 溫度高于燃料閃點時火焰蔓延速度結(jié)果
圖5 燃油初溫高于閃點時的閃燃燃速和實際燃速變化曲線
3 結(jié)論
(1)在閃點溫度以下時，RP-5號煤油池火的火焰蔓延速度與燃油初溫成線性增長關(guān)系，關(guān)系方程為Y=0.05346t+0.05494；
（2）當(dāng)燃油初溫超過閃點時，RP-5號煤油池火的閃燃燃速和實際燃速會明顯升高，但不再與燃油初溫保持線性關(guān)系。
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