低压环境下典型液体燃料蒸发特性及燃烧特性研究

作     者：代尚沛 

作者单位：中国民用航空飞行学院 

学位级别：硕士

导师姓名：贾旭宏;杨锐

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：附壁液滴 油池 低压环境 蒸发行为 火行为 

摘      要：可燃液体泄漏到热表面并着火是飞机、船舶、汽车等交通工具中常见的火灾事故,严重威胁人员安全。这类热表面引发的可燃液体火灾不仅发生频率高,且灭火后存在复燃风险,一旦发生将带来灾难性后果。在高高原低压环境下,由于环境压力降低,可燃液体的闪点降低,蒸发驱动力加大,蒸发速率加快,液体内部热对流更加复杂,火灾危险性增加。为减少此类火灾及其危害,本研究探讨了燃料液滴蒸发行为、燃料油池蒸发行为和燃料油池燃烧行为,全面研究了从燃料受热蒸发到燃烧结束的整个过程。已有研究多集中于常压环境下液滴蒸发过程和油池燃烧行为,很少系统研究低压环境中燃料蒸发和燃烧特性。因此,本研究采用不同压力下的附壁液滴蒸发实验、油池热辐射蒸发实验和油池燃烧实验,系统分析液体种类、液体尺度、气相压力、辐射强度等因素对蒸发和燃烧特性的影响。主要研究内容及结果如下: (1)在广汉和康定两地利用玻璃恒温加热板模拟热表面实验研究了乙酸、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、正庚烷和环己烷的热蒸发行为。实验数据分析部分采用了红外成像技术和体积估计法,揭示了不同液滴表面的各种热流型以及形成机理。乙酸和乙醇液滴表面上观察到热流波(Hydrothermal waves,HTWs)和 Bénard-Marangoni(B-M)流胞;丙酮和乙酸乙酯上观察到了环状热流型;正庚烷上没有明显热流型,而在环己烷上发现了双涡轮热流型。首次发现分子间氢键键能的吸收和断裂与HTWs和Marangoni流胞的形成有关,液滴的蒸发速率主要由饱和蒸汽压决定。实验结果证实热流型的存在对蒸发速率具有明显促进作用。 (2)利用圆形加热锥调节热辐射强度,压力气氛可控舱调节气相压力和氧浓度,研究了航空煤油、航空汽油和正庚烷三种燃料的油池蒸发过程。推导并验证了常压下油池蒸发速率模型,油池速率随压力变化的蒸发速率方程。在实验中,测量了蒸发持续时间、质量损失速率、液体温升变化以及蒸发蒸发层厚度等蒸发过程特征参数。基于质量扩散模型,得到燃料最大蒸发速率mmax=qnet/Lv,再利用最大蒸发速率除最小蒸发速率得蒸发速率相关特征参数,如比热容、沸点、汽化潜热和初始液体温度,再根据Raoult分压定律和Clausius-Clapeyron方程得到蒸发速率随压力的方程m=S·1/(?)·P/(P-PA,sat)·exp(-φ2)/(1+erfφ)·(?),结合实验数据发现理论值和实验值绝对偏差在10%～50%,发现热辐射强度对燃料蒸发的影响大于其沸点。得到不同压力下的沸点情况,发现与已有报道数据的绝对偏差不超过7%。根据Pretrel提出的蒸发层厚度方程,得到三种燃料的蒸发层分别为 5±1.5 mm,4.7± 0.7 mm,4.5± 1.2 mm。 (3)在高高原康定机场条件下自主搭建受限空间内油池火的试验平台。共选取三类典型液体燃料(航空煤油、航空汽油、正庚烷)进行燃烧试验,测量火焰高度、火焰温度和烟气成分等变化规律,研究了高高原受限空间内小尺度油池火行为。研究发现,在高高原地区,正庚烷稳定燃烧阶段的平均火焰高度可以通过模型L/D=k+0.254Q2/5/D描述,其中火焰高度与压力之间的关系式为L/D～P-2/9。三种燃料的火焰最高温度均超过600℃,而羽流轴线温升与火焰高度呈现-5/3的指数关系。产烟速率则表现出对环境压力的依赖性,其关系可表示为:v～P(-1/3)。这些研究结果揭示了在高原环境中三种燃料的燃烧行为,有助于进一步理解高原地区的油品储存和火灾预防。