火焰与倾斜表面的相互作用
摘要：倾斜表面火焰特性已经可用一个结合了CCD照相机和电脑进行改进的正-负网格纹影系统系统可视化和分析。火焰来源由一个有细小穿孔的燃烧表面的气体燃烧器模拟。这产生的火焰有1.0—3.0KW，均匀地分布在表面。等温和绝热的表面被构造成一个倾斜表面。根据不同的倾斜角度，系统地记录了角度从0到40°火焰纹影的图像。图像清楚地显示了火焰倾向于往表面上燃烧。在燃烧器附近，火焰和上涨的流动气体依附于表面，在某个点上火焰从表面分离，从表面上升起一个角度。两个从纹影图像上测量的参数描绘了火焰的特征。第一个是依附于表面的火羽的长度，第二个是主要火焰流和倾斜表面之间的角度。我们发现火羽的依附长度刚开始的时候升高的很快，直到倾斜角度达到24°这个火焰依附长度的跃进通常被用来鉴别临界的倾斜角度。火焰的温度分配的测量通常用K-type 热电偶。我们讨论表面条件的影响和火焰的高温释放率和临界的倾斜角度。
1．前言
火焰在固体表面上的传播速率不仅取决于燃料的种类，还取决于由燃料组成和火焰的相互作用造成的空气动力学影响。有时候火焰和表面间的相互作用成为决定火焰传播速度的决定性的原理。国王十字车站的火灾[1-4]演示了由倾斜的木质的电梯槽的空气动力学影响导致在电梯槽内部的火焰，产生了一个意外的快速的火焰传播。由于国王十字车站的火灾，几个关于倾斜壕沟火焰特性的研究[5-10]已经被发起。由Smith,[5]和Wu,Drysdale[6]做的实验测试显示在一个壕沟内部的高温热源产生的浮烟被壕沟的倾斜角度严重的影响。火羽流要不就是垂直的升起，或弯曲，依附于壕沟的底部。火焰形状由竖直的火焰至偏向的火焰的临界倾斜角度的变化由24°变化到27°，这个取决于壕沟的几何形状和高温热源的构成。Atkinson et al.[7] . Woodburn 和 Drysdale [8,9]开展了基于CFD模拟的上升气流在壕沟的实验[6,7]来研究上升气流的短暂特性。由他们的工作显示的倾斜壕沟的火焰偏向的临界角度和实验的数据测量吻合。从这些研究中我们清楚地看到临界倾斜角度由壕沟的几何形状决定，递增的壕沟边壁深度可以减少临界角度。这个实验完全忽略了边界条件的影响，那就是说，去研究火焰流的倾斜的特性影响。
先前的学者们，已经在倾斜表面火焰传播方面做了一些研究。在有和没有侧壁的两种情况下，Drysdale 和 Macmillan[10]研究了火焰在PMMA平板上的传播速率。他们指出，在没有边壁的情况下，火焰传播速率的变化突发在倾斜角在15°-20°的时候；当有侧壁的时候，火焰传播速率有显著的提高。Ito 和 Kashiwagi[11]同样测试了在PMMA平板上的火焰传播速率，通过全息影像的干涉测量学测量固体内的火焰梯度。但是他们在他们的研究中没有系统地测试斜率对火焰传播速率的影响。在他们的实验中，他们把倾斜的角度设定在10°，30°和90°。所有这些实验都在温度测量的基础上调查研究了火焰传播速率。我们已经发现，火焰形状变化和火焰传播速率的机理归因于由表面组成和火羽流里的空气夹带造成的动力学影响。但是直到现在都没有任何研究能提供关于动力学的更有质量的信息。我们需要发现火焰和表面间的相互作用的细节。在这个实验中，我们研究了火焰和上浮气流的关于整个火焰组成的运动。火羽流由一个安装在表面上的多孔的火焰发生器提供。为了实验测试，安装了两个不同构造的表面，其中一个可以被看成一个绝热的表面，在那上面，火焰到表面没有热量的损失。另外一个作为连续的温度表面。我们用一个纹影仪器使火羽流可视化。对应的火焰温度分配由热电偶测量。系统地调查倾斜率对火焰燃烧特性的影响。
2.实验装置
平板表面的大小为宽300mm，长900mm。绝热的表面由一个厚度为12.7mm的独立绝热板构成。恒温表面由封死的水冷却系统构成的不锈钢来保证在实验中温度变化持续。火焰来源是一个900mm*300mm的多孔的气体燃烧器，在fig.1中有图例说明。而且提供了在燃烧器表面上均匀分布的火焰。通过转子流量计我们引进天然气到燃烧器里。流速被很好地控制以提供一个在1.0到3.0KW之间的理论上的燃烧温度释放速率。表面的倾斜率有系统地从0°到40°变化。
纹影系统通常用于由密度不同造成的空气流动场，也被用来测量流动的气流。因此，在这个研究中，纹影被用于使火羽流可视化。可是，一个传统的纹影系统使用的是点光源，一对镜子被用来把光从点光源转化成平行光束，一个用于收集光的纹影镜头和一个刀边缘用来创造纹影图像。传统纹影系统的限制主要由纹影镜的限制造成。镜子的聚焦长度决定了系统的物理安排，这个在系统用于真实气流时经常造成问题。常规的纹影系统的视觉大小由纹影反射镜的直径决定。通常情况下，传统的纹影系统只能观察小流动场。为了克服常规纹影仪的局限性，一个改进后的正-负网格纹影系统为了这项研究而建立。如图fig.2中所示的系统的原则第一个由伯顿[12]。该系统取代了点光源，并用大的散射光的纹影反射镜和一个透明的密封表面，在这项研究中的钢板与针孔被称为正极板栅。该正极板栅被强大光源均匀的照明。一个为180mm的焦距的照相机透镜被用作纹影透镜。
在正极板栅的图像是通过使用高对比度的影像，然后通过处理过的影响放置在使得网格的图像重叠的位置使其形象负面化。负极栅格有刀刃的作用在传统的系统。条纹图像在屏幕上观看，并被抓获用CCD照相机与计算机相的结合。该系统产生的条纹图像是一个测试最大500毫米高500毫米宽的测试区域，对于每个实验条件，至少捕捉5个瞬间条纹图像。
该试验台和纹影系统共设置在光学实验台。该实验装置示于图3。
火羽流的温度分布是由K型不锈钢测1.5毫米头直径护套热电偶得到。热电偶的公差是符合IEC584-2：1982，class 2。这给出了实际0.75％的最大可能误差温度。每个热电偶温度记录史使用微链接3200数据记录系统的计算机。数据记录做一个精度比0.5℃好。对于每个测量点，数据采集频率为1Hz和获得时间为3分钟。平均温度是通过平均采集各个时间点的温度值获得。图4示出了试验装置的说明和中心平面，其中大部分的温度测量点位于该平面。
3．实验结果
3.1.火羽流的纹影图像
在各种热释放率上，对火焰的纹影图像和表面的倾斜角度进行了系统的拍摄和分析。纹影图像检验上浮的火焰作为一个整体，并在同一时间从天然气上发射的也形成一个火焰图像，为其上叠加一个条纹图像。因此，在显示画面上的画面显示的两个图像为火焰和热上浮气。然而，当天然气流动率很低（燃烧热释放速率是小于1.5千瓦），薄的蓝色火焰将产生在燃烧器表面的正上方，在这种情况下，只有上浮气体的纹影图像可以看到在屏幕上。因此，通过改变热释放速率，系统可以同时研究火焰和没有火焰的纯流动气在倾斜表面上的影响。大多数纹影照片都是使用高分辨率黑白数码相机拍摄并作为文档保存在计算机的。几个序列的图像是利用彩色视频摄像机拍摄的并转入电脑进行图像分析，彩色条纹的优点势可以在图像中分辨出火焰和上浮气流，但它具有较低的分辨率。 图 5显示了两个彩色的纹影双图像在热3千瓦的释放速率。该图像清楚地显示了在不对称的火羽流下火羽流和表面的相互作用。
该火焰朝表面上弯曲，产生热流先与火焰前锋。在燃烧器的附近，无论是火焰和上浮气都完全附着到表面上，然后火焰分离，但在一段长度仍有热气流附着在表面。 在某点热流从表面上分离，并且火焰和上升气流都在表面上上升成一角度。用于图像和定量的目的图像的分析，火焰的主要特点都在图 6上对两个参数都提出了描述。第一个是火焰羽附着长度，这是从燃烧器前端的长度起始直到热流从表面分离。二是火焰角度，是表面与火焰流的主流之间的角度。火焰附着长度是直接显示热对流传递速率的参数之一。火焰流的时间越长，热对流从火焰到表面转化就越大。这因此导致更快火焰分布在固体燃料表面。火焰羽角度是可被用来分析热辐射从火焰到表面上热传递的参数之一。降低羽角度将改善火焰羽流到表面上视角因素，和增加任何可能的从火焰羽到表面上辐射传热。在这项研究中纹影图像的进一步分析将基于黑白图像。部分火焰没有特别注意。火焰只是表示的燃烧反应区的位置。作为一个例子，一系列的纹影图像的火焰流流在在以各种倾斜角1.23千瓦的热释放速率绝热表面显示在图 7。
3.2火羽流内的温度分布
火羽流内的温度由热电偶测量得到。中心部分的火焰轮廓和火焰流在绝热表面上以1千瓦的倾斜的热释放速率。角度设定在15°，21°和27°。如图8所示。对火焰温度进行了分析，并在稍后的部分将被讨论。
4．讨论
4．1 火焰附着长度
从对条纹图像分析获得的火焰羽附件长度来看，在各种热释放速率的面倾斜角度的在绝热和等温表面示于图9和10中，分别地。它表明，该火焰羽附件长度强烈地依赖于表面的倾斜角。 数字都显示火焰流附着长度将开始通过小幅增长当面倾斜的倾斜角大于15°时，它会急剧增加当倾角大于24°。该附着长度不是在1-3KW间的敏感的热释放速率。
4·2火焰羽角度
图11和图12显示了当在两种不同的表面上的不同的热释放速率下的火焰羽升起角度。
当升高表面倾斜度时，火焰羽角度平稳地减少。在绝热表面上，火焰羽角度从90°到40°变化。对于等温表面，火焰羽角度从90°到60°变化。在范围研究内表明，火焰羽角度对于热释放速率不是很敏感。
4.3临界倾斜角度
在以前的研究[6-10]已使用了临界倾角用来描述在壕沟或表面上快速的火焰蔓延速度将开始出现的倾斜角度。在这项研究中，实验结果表明，火焰羽附着的长度开始迅速增加时的倾斜角为24°。这表示在表面倾斜角度增大时，火焰羽的对流热传递开始迅速加大。因此火焰羽附着长度已经用于识别临界倾角。从图9和10显示，该附着长度开始增加时的倾斜是15°或更大。在德赖斯代尔和麦克米伦的工作[10]中，火焰传播速率在分布在倾斜的PMMA板开始加速在15°-20°的倾斜。这和从这项研究中观察所得吻合。然而，倾斜角度达到24°的临界倾角发生后，附着长度快速增长。在这项研究中两面的角度鉴定为24°。
4.4热释放速率的影响
从这项工作的实验结果表明，热释放速率对火焰羽附着长度和羽角没有任何显著的影响。因此，它对临界倾角没有任何影响。这和与由史密斯[5]和Wu和德斯戴尔从工作的结论[6]吻合。
4.5表面条件的影响
从火焰羽到表面的热传递率是依赖于倾斜面的表面条件。火焰羽留连个不同面的温度分布比较，在相同条件下示于图13。热释放速率为1千瓦，倾斜角为19°。图13表明了 在两个中心线A和B上火焰的轮廓，就像图4说明的那样A线是在表面12mm上方，B线是在表面90mm上方。
两个曲线图都表明，绝热表面上的羽流相较于等温表面上的羽流具有较高的温度。在测试过程中，等温表面由冷却水保持在恒定的温度在18℃。这表面除去火焰羽流的热。在此研究中使用的绝热的表面是单独的绝缘板。表面由于通过传导从电路板热损耗低变得温暖。少得多的热量从羽流除去。表面状态似乎主要表现在火焰羽升起角度。在绝热表面呈现的羽流有较高的温度，并且它表明这导致在更小的羽角意味着绝热表面上的羽流和表面的分离更大。然而，表面条件对羽附着长度和临界倾角只有小影响。
5．结论
火焰羽流与倾斜表面的相互作用已经成功由正-负网格纹影系统可视化。羽状物的特点由两个参数描述，火焰羽附着长度和火焰羽羽角度。火焰羽流附着长度被用来确定临界倾角。实验表明，在等温和绝热表面，临界倾角都为24°。临界倾斜角对热释放速率和的表面状态不敏感。
鸣谢
笔者感谢安全健康实验室的资金支持。
参考文献
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[6] Wu Y, Drysdale DD. Upward #ame spread on inclined surfaces. HSE Contract 2527/R04.25,
February 1996
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