CN107045564A - 用丙烷燃烧火焰模拟航空煤油燃烧火焰的实现方法 - Google Patents

Abstract

一种用丙烷燃烧火焰模拟航空煤油燃烧火焰的实现方法，涉及消防安全技术领域，通过分析航空煤油的燃烧特性，建立相应的燃烧数学模型，主要从热释放速率等效、燃烧速率等效、火焰高度等效等这三个方面来实现利用丙烷燃烧模拟航空煤油燃烧的模型算法。其中热释放速率等效表现为燃烧过程中释放的热量相等，可表征为燃烧过程中火灾的危害程度。燃烧速率等效表现为燃料燃烧消耗量相等。火焰高的等效表现为燃烧火势大小相似。根据上述方法计算出一定面积下模拟航空煤油火焰高度所需的丙烷流量，使用航空煤油燃烧状态模拟系统产生的火焰高度与航空煤油火焰高度有较好的相似度。

Description

用丙烷燃烧火焰模拟航空煤油燃烧火焰的实现方法

技术领域：

本发明涉及消防安全技术领域，具体涉及用丙烷燃烧火焰模拟航空煤油燃烧火焰的实现方法。

背景技术：

航空煤油泄漏容易引起火灾，多发生于航空器的发动机进气口和出口，机翼油箱、起落架等处。航空煤油燃烧具有燃烧速度快、火势凶猛、辐射热强等特点，火灾危害性极大，常造成重大经济损失和惨重人员伤亡。在各类型的航空器火灾救援模拟训练设施中均将航空煤油火灾救援作为重要功能。

火灾模拟训练救援设施中使用航空煤油作为燃料有污染大，不可控等缺点。丙烷具有污染小、燃烧可控、来源广泛等特点。航空煤油的燃烧模型和丙烷的燃烧模型并不一样，如何使用丙烷在可控条件下模拟航空煤油的燃烧状态，使得应用丙烷作为燃料的火灾救援模拟训练设施更真实的实现航空煤油火灾的过程和火灾特性，提供一个更真实的训练环境。

发明内容：

本发明的目的是提供一种用丙烷燃烧火焰模拟航空煤油燃烧火焰的实现方法，通过分析航空煤油的燃烧特性，建立其燃烧的数学模型，从热释放速率等效、燃烧速率等效、火焰高度等效等原则，实现利用丙烷燃烧模拟航空煤油燃烧的模型算法。

本发明采用的技术方案为：一种用丙烷燃烧火焰模拟航空煤油燃烧火焰的实现方法，实现方法步骤如下：

步骤一：分析航空煤油的燃烧机方面特性，将航空煤油放置在油池内，固定航空煤油的厚度、初始温度和点火方式，其中油池采用正方形油池、长方形油池或者圆形油池，根据不同尺寸的油池火形在不同横向风以及不同放置因子作用下得出航空煤油的燃烧特性，燃烧特性包括热释放速率、燃烧速率和火焰高度；

步骤二：通过航空煤油热释放速率，得到航空煤油在油池火形下的热释放速率值；

步骤三：通过航空煤油的燃烧速率分析，得到航空煤油的燃烧速率公式为，式中，为燃烧速率，参数为直径无限大时的燃烧速率值，k为火焰的消光吸收系数，为平均波长校正因子，D为油盘直径，对于非圆形油盘，D为油盘等效直径；

步骤四：通过航空煤油的火焰高度，得到航空煤油的火焰高度模型；

步骤五：利用步骤二中得到的结果，通过热释放速率等效法给出得到燃烧热释放速率与丙烷质量流量的公式，公式为，其中，q为丙烷燃烧产物生成焓与反应与反应物生成焓之间的差值，a为单位氧气参与反应，丙烷完全燃烧时化学计算量，为丙烷的质量流量，为丙烷的分子量，根据燃烧的热释放速率代入公式求取丙烷需求量；

步骤六：利用步骤三中得到的结果，通过燃烧速率等效法给出得到燃烧速率与丙烷质量流量的公式，公式为，根据丙烷燃烧区域的等效直径求取所需丙烷最大质量流量；

步骤七：利用步骤四中得到的结果，通过火焰高度等效法得到同等火焰高度下丙烷的需求量；

步骤八：从改变丙烷的供给量从热释放速率、燃烧速率和火焰高度三个方面模拟航空煤油燃烧的实现装置。

所述的航空煤油燃烧状态模拟系统由控制系统、燃料储存输送系统、安全监测保护系统、冷却水存储输送系统和燃烧单元组成，控制系统由计算机和PLC组成，控制计算机为决策级，系统采用PROFIBUS总线作为通信总线，依据PLC采集到的信息，经过逻辑运算向PLC发送控制命令，PLC是底层执行级，采集传感器的数据，驱动执行机构动作和实现底层连锁功能；燃料储存输送系统由丙烷储罐、减压器、安全阀、管路、丙烷泵、气化器、阻火器、阀门、电磁阀、调节阀等组成；冷却水存储输送系统包括储水罐、水泵、管路和阀门；燃烧单元包括点火燃烧器和主燃烧器。

所述的步骤五中的热释放速率等效为控制丙烷气体的流量使其在热释放速率指标上与某条件下的航空煤油一致。

所述的步骤六中的燃烧速率等效为控制丙烷气体的流量使其在燃烧速率指标上与某条件下的航空煤油一致。

所述的步骤七中火焰高度等效为控制丙烷气体的流量使其在火焰高度指标上与某条件下的航空煤油一致。

所述的调节丙烷的流量以控制丙烷燃烧，从而模拟航空煤油的燃烧，航空煤油燃烧状态模拟系统控制系统、燃料储存输送系统、安全监测保护系统、冷却水存储输送系统和燃烧单元组成，实现燃烧状态的模拟调节。

本发明的有益效果是：本用丙烷燃烧火焰模拟航空煤油燃烧火焰的实现方法，通过分析航空煤油的燃烧特性，建立其燃烧的数学模型，从热释放速率等效、燃烧速率等效、火焰高度等效等原则，实现更安全、环保、来源广泛的丙烷来模拟航空煤油的燃烧方法。

附图说明：

图1是本发航空煤油燃烧状态模拟系统图。

具体实施方式：

一种用丙烷燃烧火焰模拟航空煤油燃烧火焰的实现方法，实现方法步骤如下：

步骤一：分析航空煤油的燃烧机方面特性，使用的燃料为航空煤油，油池采用正方形油池（长方形池或圆形），固定燃料的厚度、初始温度和点火方式（酒精引燃），研究不同尺寸油池火在不同横向风以及不同放置因子作用下的燃烧特性，具体包括：热释放速率分析；燃烧速率分析、火焰高度分析等，并通过分析研究结果，总结上述燃烧特性随风速、放置因子和油池尺寸的具体变化规律；

步骤二：通过航空煤油热释放速率，得到航空煤油在油池火形下的热释放速率值，从热释放速率（HRR）是评价可燃物燃烧时所达火灾规模的重要参数，研究发现，热释放速率峰值来临时间随风速的增大而减小；油池面积相同，不同风速时的热释放速率峰值来临时间的差距随风速增大而减小；在一定的风速范围内，随着油盘尺寸的增加，其相应的热释放速率峰值随风速的增加而增加的趋势更为明显，如表1：

表1 油池热释放速率特征参数

步骤三：通过航空煤油的燃烧速率分析，得到航空煤油的燃烧速率公式为：

（1）

式中，为燃烧速率，参数为直径无限大时的燃烧速率值，k为火焰的消光吸收系数，为平均波长校正因子，D为油盘直径，对于非圆形油盘，D为油盘等效直径；实际研究中常将作为整体考虑。对于煤油，前人给出的参数值是=0.039kg/m2s，kβ=3.5/m。依据所给的参数，可以计算出各尺寸油盘燃烧速率的预测值。

对于不同尺寸的油池火，其燃烧速率随风速的变化规律存在差异。在0~5m/s的风速范围内，对于不同尺寸的油池火，其燃烧速率随风速的增加而单调递增。

风速对于油池火燃烧速率的影响机理很复杂。一方面，风促进了燃料与空气的混合，提升了火焰温度，增强了火焰的辐射。另一方面，风会减小油池上的火焰厚度，增加火焰宽度，因而减小燃烧速率。考虑风速对燃烧速率影响，可给出修正公式：

（2）

式中，是有风条件下的燃烧速率，是无风条件下的燃烧速率，v 是风速，D是油盘直径，对于矩形油盘，D是油盘等效直径。该公式不适用于醇类油池火，以及风速大于临界风速的油池火。

步骤四：通过航空煤油的火焰高度，得到航空煤油的火焰高度模型，通过以下两种方式：

一、实验法：

所谓实验法，是指在固定燃料种类为航空煤油的情况下，针对不同的油池火的形状尺寸和不同的风速利用图象识别技术实时采集火焰高度值，并通过燃烧不同数量值的航空煤油，然后对火焰高度与航空煤油数量值的样本数据进行处理，可直接绘制成表供人员查表得到不同航空煤油数量值下对应的不同火焰高度，或者将火焰高度与航空煤油数量值采样数据进行曲线拟合，得到关于航空煤油数量值与火焰读的解析形式。

改变油池火的形状尺寸和风速，重复上述步骤，至此可得到航空煤油数量值与火焰高度的定量关系，也可以根据该结果来航空煤油数量值，以实现期望的火焰高度。

二、经验公式法

基于实验数据和量纲分析等得到经验关系模型，应用较多的是Thomas关系模型和Heskestad关系模型。

Thomas基于实验以及量纲分析，得到了湍流火焰平均高度的关系模型，计算公式为：

不考虑风速（3）

考虑风速 （4）

式中，H为火焰高度，D为燃烧区域等效直径，为燃料燃烧速率，为空气密度，取为1.293kg.m-3，u为10m处的风速，u_c为特征风速，。

分析上式不难发现，对于固定点火部位和固定风速，火焰高度H为燃料燃烧速率的单值函数，而在假定航空煤油完全燃烧情况下，航空煤油燃烧速率与航空煤油数量值存在简单的数学关系，即可得到火焰高度与航空煤油数量的定量对应关系。

Heskestad对广泛的实验数据进行数学处理，得到了下面的火焰高度公式：

（5）

式中，为热释放速率，在前文中详述过热释放速率与航空煤油数量值的关系，即，其中为热释放速率，单位kW，为航空煤油数量值，单位kg/s。显然，根据上式可得到不同油池火形状尺寸的火焰高度与航空煤油数量值之间的关系特性。

经验公式（3）和（4）明确地考虑到不同油池火形状尺寸与不同风速对火焰高度的影响，经验公式（5）也考虑到不同油池火形状尺寸与不同风速对火焰高度影响，其中风速影响隐性地包含在热释放速率中，具体如下：

（6）

其中，为燃烧效率，考虑完全燃烧情况下可假设为1；为燃料燃烧热，航空煤油燃烧热查表可得，为燃料燃烧速率，3中式2给出了有风条件下的修正公式。

步骤五：利用步骤二中得到的结果，通过热释放速率等效法给出得到燃烧热释放速率与丙烷质量流量的公式，热释放速率作为描述火灾现象的一个重要参数，可以表征火灾发展的强烈程度，也称之为燃烧强度。研究发现，热释放速率与丙烷量有直接关系，如下式所示：

（7）

其中，q为丙烷燃烧产物生成焓与反应与反应物生成焓之间的差值；a为单位氧气参与反应，丙烷完全燃烧时化学计算量；为丙烷的质量流量；为丙烷的分子量。可以发现，在一定条件下丙烷完全参与燃烧时，燃烧热释放速率与丙烷质量流量成正比，即。参考其他资料，查得如表2数据：

表2 燃烧热释放速率与丙烷质量关系

热释放速率（kW）	4	8	12
				燃料流量（g/s）	0.086	0.172	0.259

对上诉数据进行处理，求取k值

则可得

（8）

其中Q为热释放速率，单位kW，为丙烷质量流量，单位kg/s。至此，可以根据燃烧的热释放速率（表征火势大小的燃烧参数）代入公式求取丙烷需求量。

步骤六：利用步骤三中得到的结果，通过燃烧速率等效法给出得到燃烧速率与丙烷质量流量的公式，假定丙烷模拟航空煤油燃烧过程中，丙烷充分燃烧，即丙烷燃烧速率为丙烷流量，则可根据航空煤油燃烧速率推到所需丙烷量。

步骤三中式（1）中为煤油（丙烷）单位燃烧面积的质量损失率。令，则为丙烷燃烧过程质量损失率，单位kg/s。整理得：

（9）

综上，可根据丙烷燃烧区域的等效直径求取所需丙烷最大质量流量。

步骤七：利用步骤四中得到的结果，通过火焰高度等效法得到同等火焰高度下丙烷的需求量，方法参考步骤四；

步骤八：从改变丙烷的供给量从热释放速率、燃烧速率和火焰高度三个方面模拟航空煤油燃烧的实现装置，调节丙烷的流量以控制丙烷燃烧，从而模拟航空煤油的燃烧，航空煤油燃烧状态模拟系统由控制系统、燃料储存输送系统、安全监测保护系统、冷却水存储输送系统和燃烧单元组成。

参照图1，航空煤油燃烧状态模拟系统的控制系统由计算机和PLC组成，控制计算机为决策级，系统采用PROFIBUS总线作为通信总线，依据PLC采集到的信息，经过逻辑运算向PLC发送控制命令；PLC是底层执行级，负责采集传感器的数据，驱动执行机构动作和实现底层连锁功能。

燃料储存输送系统的作用是实现系统所需燃料的储存、减压、气化、输送和分配功能。该系统由丙烷储罐、减压器、安全阀、管路、丙烷泵、气化器、阻火器、阀门、电磁阀、调节阀等组成。控制系统可对燃料存储输送系统的罐内压力、管路流量、燃料主管路压力和流量等参数进行检测和流量调节。

冷却水存储输送系统包括储水罐、水泵、管路、阀门等，用于给燃烧单元降温。

燃烧单元包括点火燃烧器和主燃烧器（燃烧池）。在系统给出点火燃烧器点燃信号后，火焰探测器检测到火焰信号，证明点火燃烧器点火成功，此时按程序控制主燃烧器管路的阀门自动打开，调节阀工作，产生所要模拟的火焰。

图1中航空煤油燃烧状态模拟系统部件代表名称如下表3：

表3 航空煤油燃烧状态模拟系统部件名称

。

Claims (6)

1.一种用丙烷燃烧火焰模拟航空煤油燃烧火焰的实现方法，其特征在于：实现方法步骤如下：

步骤一：分析航空煤油的燃烧机方面特性，将航空煤油放置在油池内，固定航空煤油的厚度、初始温度和点火方式，其中油池采用正方形油池、长方形油池或者圆形油池，根据不同尺寸的油池火形在不同横向风以及不同放置因子作用下得出航空煤油的燃烧特性，燃烧特性包括热释放速率、燃烧速率和火焰高度；

步骤二：通过航空煤油热释放速率，得到航空煤油在油池火形下的热释放速率值；

步骤三：通过航空煤油的燃烧速率分析，得到航空煤油的燃烧速率公式为，式中，为燃烧速率，参数为直径无限大时的燃烧速率值，k为火焰的消光吸收系数，为平均波长校正因子，D为油盘直径，对于非圆形油盘，D为油盘等效直径；

步骤四：通过航空煤油的火焰高度，得到航空煤油的火焰高度模型；

步骤五：利用步骤二中得到的结果，通过热释放速率等效法给出得到燃烧热释放速率与丙烷质量流量的公式，公式为，其中，q为丙烷燃烧产物生成焓与反应与反应物生成焓之间的差值，a为单位氧气参与反应，丙烷完全燃烧时化学计算量，为丙烷的质量流量，为丙烷的分子量，根据燃烧的热释放速率代入公式求取丙烷需求量；

步骤六：利用步骤三中得到的结果，通过燃烧速率等效法给出得到燃烧速率与丙烷质量流量的公式，公式为，根据丙烷燃烧区域的等效直径求取所需丙烷最大质量流量；

步骤七：利用步骤四中得到的结果，通过火焰高度等效法得到同等火焰高度下丙烷的需求量；

步骤八：从改变丙烷的供给量从热释放速率、燃烧速率和火焰高度三个方面模拟航空煤油燃烧的实现装置。

2.根据权利要求1所述的用丙烷燃烧火焰模拟航空煤油燃烧火焰的实现方法，其特征在于：航空煤油燃烧状态模拟系统由控制系统、燃料储存输送系统、安全监测保护系统、冷却水存储输送系统和燃烧单元组成，控制系统由计算机和PLC组成，控制计算机为决策级，系统采用PROFIBUS总线作为通信总线，依据PLC采集到的信息，经过逻辑运算向PLC发送控制命令，PLC是底层执行级，采集传感器的数据，驱动执行机构动作和实现底层连锁功能；燃料储存输送系统由丙烷储罐、减压器、安全阀、管路、丙烷泵、气化器、阻火器、阀门、电磁阀、调节阀等组成；冷却水存储输送系统包括储水罐、水泵、管路和阀门；燃烧单元包括点火燃烧器和主燃烧器。

3.根据权利要求1所述的用丙烷燃烧火焰模拟航空煤油燃烧火焰的实现方法，其特征在于：步骤五中的热释放速率等效为控制丙烷气体的流量使其在热释放速率指标上与某条件下的航空煤油一致。

4.根据权利要求1所述的用丙烷燃烧火焰模拟航空煤油燃烧火焰的实现方法，其特征在于：步骤六中的燃烧速率等效为控制丙烷气体的流量使其在燃烧速率指标上与某条件下的航空煤油一致。

5.根据权利要求1所述的用丙烷燃烧火焰模拟航空煤油燃烧火焰的实现方法，其特征在于：步骤七中火焰高度等效为控制丙烷气体的流量使其在火焰高度指标上与某条件下的航空煤油一致。

6.根据权利要求1或2所述的用丙烷燃烧火焰模拟航空煤油燃烧火焰的实现方法，其特征在于：调节丙烷的流量以控制丙烷燃烧，从而模拟航空煤油的燃烧，航空煤油燃烧状态模拟系统控制系统、燃料储存输送系统、安全监测保护系统、冷却水存储输送系统和燃烧单元组成，实现燃烧状态的模拟调节。