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