插入铝板对小尺寸油罐火燃烧行为的模拟分析
来源：本站 发布时间：2019-11-26 00:49:57 浏览量：776返回列表
2018年1月6日巴拿马籍“Sanchi”号油船与中国香港散货船相撞发生火灾,在持续燃烧整整8天8夜之后,“Sanchi”号沉没于我国东海,而船舶溢出的油也依然在船只沉没后继续在附近海域燃烧.对于海上油泄漏导致的火灾,一个最基础的难题就是如何快速清理残油,这一问题可以追溯到1989年“埃克森·瓦尔迪兹”号油轮漏油事故.对于油类泄漏事故的处理一般采用原位燃烧或者任其燃尽的方法,这类方法可以清理90%的油量
对于液体油池(罐)火的研究主要集中在没有置入物情况下的燃烧,如早期Blinov和Khudiakov
对于存在置入物情况下的池火燃烧,2015年,Rangwala等
本文对不同插入铝板高度下正庚烷油罐火进行模拟研究,分析铝板自身的传热过程对正庚烷燃料的热反馈作用,及这一反馈作用对油罐火燃烧行为的影响,为提高原位燃烧效率及实验设计提供基础数据及设计依据.
1 数值模拟
1.1 工况设计
油罐池火实验采用FDS(fire dynamic simulation)软件模拟,计算采用大涡模拟(LES)方法处理.实验装置示意如图1所示.燃料采用正庚烷,油层厚40 mm.模拟中使用一个1 000℃的高温热源进行点火,点火源在模拟开始5 s后移走.模拟时长300 s.
油罐材质为不锈钢,直径10 cm(内径),深5 cm,罐壁厚10 mm.由于罐壁对未燃燃料的热反馈受环境条件及燃烧状态影响较大,实验中常常在油罐外侧与底部设置水冷夹层以屏蔽罐壁的热反馈作用,因此在模拟中将罐壁温度设置为保持环境温度.
由于铝具有较高的热导率,插板材质为铝;铝板宽80 mm、厚10 mm,分别高15 cm、20 cm、25 cm、30 cm、35 cm和40 cm,位于油罐正中;铝板与油罐壁之间存在10 mm的空隙,以确保铝板侧面与油罐壁之间无直接换热.沿着铝板中央布置测温点(TP1～TP7/12)用于测量板的温度分布,其中油面以下测温点TP1～TP4的布置间距为10 mm;油面以上,从距油面10 mm处开始每隔50 mm布置一个测温点(TP5～TP7/12);图2中的测温点布置是基于15 cm铝板,在更高铝板工况下,则依次每隔50 mm继续布置测温点(TP8～TP12).在油面附近布置3个测温点(TF1～TF3)用于测量燃料温度.
图1 实验装置示意(单位:mm) 下载原图
Fig.1 Schematic of experimental setup(unit:mm)
在文献
模拟中使用的正庚烷和铝板的相关参数如表1所示.
表1 模拟采用的正庚烷及铝板相关参数 下载原表
1.2 网格划分及其独立性分析
FDS用户手册
式中:δx是模拟所用网格尺寸;
是火源总热释放速率;ρ∞、cp和T∞分别是环境空气的密度、比热和温度;g是重力加速度.根据已有文献
现有研究表明,直径10 cm正庚烷池火火焰高度通常在30 cm左右
2 结果与分析
2.1 火焰高度
在油罐火燃烧达到稳定阶段后,不同工况下的无量纲火焰高度如图2所示,在读取火焰高度数据时,认为热释放速率不低于200 kW/m3的区域为火焰区域,其余则为环境区域.Hf是火焰高度,Hp是铝板高度,D是油池内径.
图2 无量纲火焰高度与无量纲插板高度的关系 下载原图
Fig.2 Relation between dimensionless flame height and height of dimensionless embedded plate
模拟结果显示,在所有插板工况下,火焰全部高于插板高度,且随着插板高度的增大,火焰高度呈现出先增后减的趋势.这一非单调变化表明,插板对火焰的增强作用是由两个效应相互博弈造成的:一是铝板将火焰的热量通过板自身的传导作用传递给未燃燃料,二是铝板吸收火焰的热量后铝板自身对外的辐射和对流散热.基于火焰高度数据,最佳插板高度为Hp/D=3时燃烧增强效益最显著.
2.2 铝板温度与传导热流密度
在燃烧稳定阶段,铝板不同高度处的温度如图3所示.在油面以下,随着测温点布置高度的增大,温度逐渐升高;并且不同Hp/D的数据表明,随着Hp/D的升高(即铝板高度的增大),TP1～TP4测得的铝板温度呈现出先略微增大后慢慢降低的趋势,温度最高值出现在Hp/D=2.5～3工况.这一现象印证了插板具有热反馈效应和散热效应的解释.
图3 不同高度处铝板温度 下载原图
Fig.3 Temperature of aluminum plate at various heights
对于油面以上的铝板,其温度随着测温点高度先增后减,不同Hp/D工况之间差异不大.分析铝板最高点火焰温度可以发现,火焰温度随着Hp/D增大而降低,一方面是因为铝板与火焰的相对位置(图2),随着Hp/D的增大铝板所处的位置越来越高,根据池火火焰轴向温度的变化趋势,铝板最高点的温度必然降低;另一方面,铝板越高,受到的火焰加热作用减弱,自身的热损失效应也会变得明显,使得最高点温度有所降低.
图4是油面以上铝板向油面以下铝板的传导热流密度.与火焰高度结果类似,热流密度呈现先增后减的趋势,在Hp/D=3时达到最大,但Hp/D=2.5工况与其相差甚少.铝板从上部向下部的热传导作用也侧面验证了Flame RefluxerTM中关于辐射和对流热对燃烧热反馈并形成热反馈回路的理论
图4 铝板上部向下部的传导热流密度 下载原图
Fig.4 Thermal conduction flux from the aluminum plate’s upper part to its lower part
2.3 燃烧速率
池内液体的沸腾是典型的固-液-气传热过程,通常可以分为自然对流沸腾、核态沸腾、过渡沸腾和膜态沸腾等4种状态.油罐内燃料的沸腾属于核态沸腾,此时的热流密度sq(5)?可以由公式(2)计算得到
式中:μl为液态正庚烷的动力黏度,4.14×10-4Pa·s;?l为液态正庚烷密度;?v为气态正庚烷密度;σ为表面张力,20.35 m N/m;ΔTe为温差;Pr为普朗特数,Pr=μcp,l/k;n与Cs,f为经验系数,分别取值1.37和0.001 4.
对于浸没于燃料内的铝板,将其沿高度方向均分为4个部分,每一部分与燃料液体的接触面积A为0.001 8 m2,根据每个部分模拟计算得到的动力黏度?l、蒸气密度?v和温差ΔTe,分别计算得到每个部分对未燃燃料反馈的热流密度,并对其求和得到铝板反馈的总热量:
继而求得由铝板的对流热反馈增加的燃料质量损失速率:
图5给出了不同插板高度下,油罐火FDS模拟的质量损失速率、根据公式(2)～(4)计算得到的对流热反馈造成的质量损失速率以及进行对流热反馈修正后的质量损失速率(即FDS模拟结果与对流热反馈计算结果之和).与火焰高度结果类似,质量损失速率呈现出先增后减的趋势,说明存在某一临界插板高度,这一高度的插板可以通过对流热反馈作用,使油罐火的燃烧速率得到显著提升.
图5 单位面积质量损失速率与无量纲插板高度的关系 下载原图
Fig.5 Relation between mass loss rate per unit area and height of dimensionless embedded plate
FDS模拟结果表明,最佳插板高度为30 cm,即Hp/D=3;而对流热反馈结果则表明最佳高度应为25 cm,即Hp/D=2.5.
此外,在插板情况下,铝板将火焰中的热量通过板自身的热传导传递到浸没于燃料内的铝板下部,进而通过核态沸腾下的对流热传导反馈给火焰.分析FDS模拟与对流计算结果的比值可以发现:相比与无板情况,这种热反馈形式使火焰对未燃燃料的热反馈增大了2～9倍,即插板带来的对流热反馈增加效应可以显著提高油罐火的燃烧速率.
3 结论
(1)在本文研究范围内,插板对池火燃烧有促进作用,且在Hp/D=2.5～3.0时促进燃烧作用达到最大.
(2)随着插板高度的增大,火焰高度先增后减,在Hp/D=3.0时火焰达到最大值;油面以下铝板温度随着测温点位置的升高而升高,并且在Hp/D=2.5～3.0时最高;油面以上铝板温度先增后减,且铝板顶点温度随铝板高度增大而降低.
(3)通过核态沸腾对流传热公式对FDS的燃烧速率计算结果进行修正,修正后的插板燃烧速率远大于无插板时,且在Hp/D=2.5～3.0时燃烧速率达到最大值.
(4)铝板对燃烧行为的影响主要是两个效应博弈的结果:一是铝板通过自身的热传导将火焰热量反馈给燃料,二是铝板吸收火焰热量后对外的辐射和对流散热作用.这两个相反的作用使得燃烧行为出现了非单调的变化.