一种有限空间池火燃烧温度分布测试与热释放估算方法与流程

1.本发明属于池火灾事故的研究技术领域，具体涉及一种有限空间池火燃烧温度分布测试与热释放估算方法。


背景技术：

2.池火灾事故是工业生产过程中典型的安全事故之一，火灾事故产生的热辐射和热流将直接或间接地影响与安全相关的建(构)筑物、系统和部件，甚至进一步引发爆炸事故，因此对池火灾事故中温度场的分布和热释放的研究至关重要。目前，通过一些仿真软件计算，可获得温度场分布和热释放情况，但仿真软件所获得的温度场分布和热释放情况与实际测量得到的温度场分布和热释放数据仍然存在一定的差距，实际测量获得的数据当然更为准确。
3.因此，为便于获得不同位置的温度情况，发明人特设计一种用于有限空间池火燃烧温度分布测试与热释放估算方法。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种有限空间池火燃烧温度分布测试与热释放估算方法，以获得不同位置的温度情况和溶液燃烧的热释放估算方法，为厂房、设备室以及油库等建筑提供火灾安全技术支持。
5.为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种有限空间池火燃烧温度分布测试与热释放估算方法，包括如下步骤：
6.s1、设计热电偶树：设置由多根热电偶捆束而成的热电偶树，并将所述热电偶测得的数据信号传输至计算机保存；
7.s2、分布温度测量点：布置所述热电偶树，并设置温度测量点，得到燃烧舱中的温度分布；
8.s3、测量热流密度，估算热释放率及燃烧效率。
9.进一步，所述热电偶树悬挂在燃烧舱中，所述热电偶树外部由不锈钢套管保护，所述不锈钢套管固定在燃烧舱顶部；
10.所述热电偶的温度补偿线从所述燃烧舱顶部预设的线孔中穿出；
11.所述热电偶所测得的数据信号通过数据采集卡接收，并由所述数据采集卡传输至计算机中进行保存。
12.进一步，所述步骤s2包括如下步骤：
13.s21、在燃烧舱中布置所述热电偶树；
14.s22、估算火焰高度；
15.s23、设置温度测量点：根据估算的火焰高度，保证火焰之中有3个以上的温度测量点，且所述温度测量点均匀分布在火焰中；
16.s24、得到燃烧舱中的温度分布。
17.进一步，所述热电偶树的布置方法为：根据燃烧舱中心火和/或侧壁火的需求，在长、宽、高尺寸分别为a、b、c的所述燃烧舱中布置热电偶树：从油盘中心轴线开始布置热电偶树，中心火采用每隔0.5m布置一根热电偶树；侧壁火在距离油盘中心轴线b/2以内采用每隔0.5m布置，距离油盘中心轴线b/2以外采用每隔1m布置一根热电偶树。
18.进一步，所述火焰高度通过公式(1)估算：
[0019][0020]
其中，l—火焰高度，m；
[0021]
d—油盘等效直径，m；
[0022]
—无量纲热释放速率；
[0023]
所述无量纲热释放速率通过公式(2)得到：
[0024][0025]
其中，
[0026]
—无量纲热释放速率；
[0027]
—热释放速率，kw；
[0028]
ρ
∞
—环境空气密度，1.2kg/m3；
[0029]cp
—环境空气比热容，1.0kj/(kg
·
k)；
[0030]
t
∞
—环境空气温度，293k；
[0031]
g—重力加速度，9.81kg
·
m/s；
[0032]
d—油盘等效直径，m；
[0033]
所述热释放速率通过公式(3)得到：
[0034][0035]
其中，
[0036]
—热释放速率，kw；
[0037]
x—燃烧效率，取最大值x＝1.0；
[0038]
—溶液燃烧速率，kg/s；
[0039]af
—油盘面积，m2；
[0040]
—溶液燃烧速率，kg/(m2·
s)，参考煤油计算公式0.022(1－e-4.5d
)；
[0041]
δhc—溶液的燃烧热值，mj/kg。
[0042]
进一步，当c/8＞0.5m时，则除火焰区域之外，沿燃烧舱高度方向以每0.5m间距设置一个温度测量点；当c/8≤0.5m时，则除火焰区域之外，沿燃烧舱高度方向以每c/8的间距设置一个温度测量点；
[0043]
火焰中的温度测量点设置的热电偶采用5mm直径铠装k型热电偶，量程范围为0～1300℃；密闭或半密封空间内，火焰以外区域的温度测量点设置的热电偶均采用1mm铠装k
型热电偶。
[0044]
进一步，通过点距离反比插值法，计算燃烧舱中轴面不同位置的温度分布；或采用origin曲线软件等高线模块直接拟合生成燃烧舱中的温度分布结果。
[0045]
进一步，所述热流密度的测量方法为：在监测点设置两组热流密度传感器，包括第一热流密度传感器、第二热流密度传感器；且每组热流密度传感器包括辐射热流密度计和对流热流密度计，分别用于测量辐射热热流密度和对流热热流密度；
[0046]
第一热流密度传感器用于监测火焰中心所在水平面的水平方向的热流密度，第二热流密度传感器用于监测与火焰中心所在水平面呈45
°
夹角的热流密度；
[0047]
所述监测点与燃烧池火焰中心的水平距离根据实际油盘尺寸作调整，油盘增大则距离相应增大，以避免火焰对传感器的灼烧。
[0048]
进一步，所述热释放率的估算是指分别计算火焰中心所在水平面的水平方向监测点的热释放率、与火焰中心所在水平面呈45
°
夹角监测点的热释放率；所述热释放率按如下公式(4)进行计算：
[0049]qs
＝q
x
+qr+qdꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0050]
其中，
[0051]qs
—溶液燃烧热释放率，j/s；
[0052]qx
—溶液吸热速率，j/s；
[0053]
qr—辐射热释放率，j/s；
[0054]
qd—对流热释放率，j/s；
[0055]
所述溶液的吸热速率q
x
可根据式(5)计算：
[0056][0057]
其中，
[0058]qx
—溶液吸热速率，kw；
[0059]cp
—燃烧溶液的比热容，kj/(kg
·
k)；
[0060]
tf—溶液表面的火焰温度，℃；
[0061]
t
l
—溶液内部的温度，℃；
[0062]
—溶液燃烧速率，kg/(m2·
s)，参考煤油计算公式0.022(1－e-4.5d
)；
[0063]af
—油盘面积，m2；
[0064]
所述辐射热释放率qr为火焰中心所在水平面的水平方向监测点的辐射热释放率，或与火焰中心所在水平面呈45
°
夹角监测点的辐射热释放率；按公式(6)分别计算所述火焰中心所在水平面的水平方向监测点的辐射热释放率、与火焰中心所在水平面呈45
°
夹角监测点的辐射热释放率：
[0065]
qr＝(4πr2/tc)h
fr
ꢀꢀ
(6)
[0066]
其中，
[0067]
qr—辐射热释放率，j/s；
[0068]
r—监测点与火焰中心的距离，m；
[0069]
tc—穿透系数，选取值1；
[0070]hfr
—辐射热热流密度，w
·
m-2
；
[0071]
所述对流热释放率qd为火焰中心所在水平面的水平方向监测点的对流热释放率，或与火焰中心所在水平面呈45
°
夹角监测点的对流热释放率；按公式(7)分别计算所述火焰中心所在水平面的水平方向监测点的对流热释放率、与火焰中心所在水平面呈45
°
夹角监测点的对流热释放率：
[0072]
qd＝(4πr2/tc)h
fd
ꢀꢀ
(7)
[0073]
其中，
[0074]
qd—对流热释放率，j/s；
[0075]
r—监测点与火焰中心的距离，m；
[0076]
tc—穿透系数，选取值1；
[0077]hfd
—对流热热流密度，w
·
m-2
。
[0078]
进一步，所述燃烧效率的估算方法为：分别计算火焰中心所在水平面的水平方向监测点的燃烧效率、与火焰中心所在水平面呈45
°
夹角监测点的燃烧效率；燃料溶液的燃烧效率取水平方向监测点的燃烧效率与45
°
夹角监测点的燃烧效率的平均值；
[0079]
按公式(8)分别计算所述火焰中心所在水平面的水平方向监测点的燃烧效率、与火焰中心所在水平面呈45
°
夹角监测点的燃烧效率：
[0080][0081]
其中，
[0082]
η—溶液燃烧效率，j/s；
[0083]qs
—溶液燃烧热释放率，j/s；
[0084]af
—油盘面积，m2；
[0085]
—溶液燃烧速率，kg/(m2·
s)，参考煤油计算公式0.022(1－e-4.5d
)；
[0086]
δhc—溶液的燃烧热值，mj/kg。
[0087]
本发明的有益效果在于：采用本发明所提供的有限空间池火燃烧温度分布测试与热释放估算方法，可以通过设计热电偶树、根据燃烧舱中心火和侧壁火的需求布置热电偶树，并设置温度测量点，得到燃烧舱中不同位置的温度分布情况。同时，采用本发明提供的方法，通过辐射热流密度计和对流热流密度计测量燃烧舱中燃料溶液燃烧时的热流密度，可以估算有限空间池火燃烧的热释放率及燃烧效率。本发明为厂房、设备室以及油库等建筑提供火灾安全技术支持。
附图说明
[0088]
图1是本发明所述有限空间池火燃烧温度分布测试与热释放估算方法的流程示意图。
[0089]
图2是本发明实施方式所述热电偶树示意图。
[0090]
图3是本发明实施方式所述中心火热电偶树俯视示意图。
[0091]
图4是本发明实施方式所述侧壁火热电偶树俯视示意图。
[0092]
图5是本发明实施方式所述热流密度测量方法示意图。
[0093]
图6是本发明实施方式所述燃烧池内温度传感器的探头布置示意图。
具体实施方式
[0094]
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行进一步清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。
[0095]
如图1～6所示，本实施方式提供一种有限空间池火燃烧温度分布测试与热释放估算方法，所述方法包括如下步骤：
[0096]
s1、设计热电偶树：设置由多根热电偶捆束而成的热电偶树，通过数据采集卡接收热电偶测得的数据信号并传输至计算机保存；
[0097]
如图2所示，本实施方式为测量池火灾的温度分布，设计了由3根以上热电偶捆束而成的热电偶树，所述热电偶树包括的热电偶的数量与燃烧舱的高度相关。所述热电偶树悬挂在燃烧舱中，所述热电偶树外部由不锈钢套管保护，不锈钢套管固定在燃烧舱顶部，以确保热电偶不会产生晃动；热电偶温度探头朝下，燃烧舱顶部设有线孔，各热电偶的温度补偿线从线孔中穿出；热电偶所测得的数据信号通过数据采集卡接收，并由数据采集卡传输至计算机中进行保存。
[0098]
s2、分布温度测量点：根据燃烧舱中心火和/或侧壁火的需求，布置热电偶树，并设置温度测量点，得到燃烧舱中的温度分布。
[0099]
所述中心火是指可燃液体泄漏到燃烧舱室内地面，并在室内地面中心形成一个油池面(即油盘)后，发生火灾事故的模拟试验。油池面重心在室内地面中心的火灾模拟试验即为中心火。
[0100]
所述侧壁火是模拟可燃液体漏到地面，并在贴近侧壁面的地方汇聚成油面池面后，发生火灾事故的模拟试验。油池面燃烧池边缘挨着侧壁面即为贴近侧壁面。
[0101]
在本实施方式的步骤s2包括如下步骤：
[0102]
s21、在燃烧舱中布置步骤s1中所述热电偶树；所述燃烧舱的尺寸为：长
×
宽
×
高＝a
×b×
c，其中，a、b、c单位均为m。本实施方式需考虑燃烧舱中心火和/或侧壁火的需求，平面布置如图3和图4所示。从油盘中心轴线开始布置热电偶树：中心火采用每隔0.5m布置一根热电偶树；侧壁火在距离油盘中心轴线b/2以内采用每隔0.5m布置，距离油盘中心轴线b/2以外采用每隔1m布置一根热电偶树。
[0103]
s22、估算火焰高度：实际油盘的形状是多样的，需估算实际面积，根据油盘面积计算等效圆形的直径，通过公式(1)中火焰高度与油盘直径的关系，估算火焰高度：
[0104][0105]
其中，l—火焰高度，m；
[0106]
d—油盘等效直径，m；
[0107]
—无量纲热释放速率；
[0108]
所述无量纲热释放速率通过公式(2)得到：
[0109][0110]
其中，
[0111]
—无量纲热释放速率；
[0112]
—热释放速率，kw；
[0113]
ρ
∞
—环境空气密度，1.2kg/m3；
[0114]cp
—环境空气比热容，1.0kj/(kg
·
k)；
[0115]
t
∞
—环境空气温度，293k；
[0116]
g—重力加速度，9.81kg
·
m/s；
[0117]
d—油盘等效直径，m。
[0118]
所述热释放速率通过公式(3)得到：
[0119][0120]
其中，
[0121]
—热释放速率，kw；
[0122]
x—燃烧效率，取最大值x＝1.0；
[0123]
—溶液燃烧速率，kg/s；
[0124]af
—油盘面积，m2；
[0125]
—溶液燃烧速率，kg/(m2·
s)，参考煤油计算公式0.022(1－e-4.5d
)；
[0126]
δhc—溶液的燃烧热值，mj/kg。
[0127]
s23、设置温度测量点：根据估算的火焰高度，需要保证火焰之中有3个以上的温度测量点，且所述温度测量点均匀分布在火焰中。火焰中温度测量点设置的热电偶采用5mm直径铠装k型热电偶，量程范围0～1300℃；密闭或半密封空间内，火焰以外区域的温度测量点设置的热电偶均采用1mm铠装k型热电偶。当c/8＞0.5m时，则除火焰区域之外，沿燃烧舱高度方向以每0.5m间距设置一个温度测量点(即布置热电偶)；当c/8≤0.5m时，则除火焰区域之外，沿燃烧舱高度方向以每c/8的间距设置一个温度测量点(即布置热电偶)。
[0128]
s24、得到燃烧舱中的温度分布：热电偶所测得的温度数据可以通过点距离反比插值法，计算燃烧舱中轴面不同位置的温度分布，或采用origin曲线软件等高线模块直接拟合生成燃烧舱中的温度分布结果。
[0129]
s3、测量热流密度，估算热释放率。
[0130]
s31、测量热流密度：针对燃烧舱中燃料溶液燃烧时热流密度的测量包括辐射热热流密度的测量和对流热热流密度的测量，分别采用辐射热流密度计和对流热流密度计进行监测测量。
[0131]
本实施方式中，采用如图5所示的热流密度测量方法：在监测点设置两组热流密度传感器，包括第一热流密度传感器、第二热流密度传感器，且每组热流密度传感器包括辐射热流密度计和对流热流密度计。第一热流密度传感器用于监测火焰中心所在水平面的水平方向的热流密度，第二热流密度传感器用于监测与火焰中心所在水平面呈45
°
夹角的热流密度情况。第一热流密度传感器、第二热流密度传感器所处的监测点与燃烧池火焰中心的水平距离根据实际油盘尺寸作调整，油盘增大则距离相应增大，以避免火焰对传感器的灼烧。
[0132]
可选的，第一热流密度传感器、第二热流密度传感器所处的监测点与燃烧池火焰
中心的水平距离为1.2m。
[0133]
s32、估算热释放率：分别计算火焰中心所在水平面的水平方向监测点的热释放率、与火焰中心所在水平面呈45
°
夹角监测点的热释放率。
[0134]
燃烧舱中燃料溶液燃烧热释放率按如下公式(4)进行计算：
[0135]qs
＝q
x
+qr+qdꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0136]
其中，
[0137]qs
—溶液燃烧热释放率，j/s；
[0138]qx
—溶液吸热速率，j/s；
[0139]
qr—辐射热释放率，j/s；
[0140]
qd—对流热释放率，j/s。
[0141]
所述溶液的吸热速率q
x
可根据式(5)计算：
[0142][0143]
其中，
[0144]qx
—溶液吸热速率，kw；
[0145]cp
—燃烧溶液的比热容，kj/(kg
·
k)；
[0146]
tf—溶液表面的火焰温度，℃；
[0147]
t
l
—溶液内部的温度，℃；
[0148]
—溶液燃烧速率，kg/(m2·
s)，参考煤油计算公式0.022(1－e-4.5d
)；
[0149]af
—油盘面积，m2。
[0150]
其中，溶液表面的火焰温度tf和溶液内部的温度t
l
通过燃烧池内布置的温度传感器获得。燃烧池内温度传感器的探头布置(即温度测量点)情况如图6所示，其中一共设置4个温度测量点：
①
第一温度测量点设置在燃料溶液中，可监测燃料溶液内部的温度t
l
；
②
第二温度测量点设置在与第一温度测量点同一高度的燃烧池壁面上，用于测量燃烧池壁面的温度；
③
第三温度测量点布置在燃料液面上方，可监测燃烧过程的溶液表面的火焰温度tf，
④
第四温度测量点设置在与第三温度测量点同一高度的燃烧池壁面上，用于监测该壁面位置的温度情况。其中，设置于燃烧池壁面上的温度测量点(第二温度测量点、第四温度测量点)采用贴片式温度传感器，第一温度测量点及第三温度测量点采用5mm直径的k型铠装热电偶。
[0151]
可选的，所述第三温度测量点布置在燃料液面上方，距离燃料液面1～3cm处。在另一个优选实施例中，所述第三温度测量点布置在燃料液面上方，距离燃料液面2cm处。
[0152]
所述辐射热释放率qr为火焰中心所在水平面的水平方向监测点的辐射热释放率或与火焰中心所在水平面呈45
°
夹角监测点的辐射热释放率，按如下公式(6)分别计算所述火焰中心所在水平面的水平方向监测点的辐射热释放率、与火焰中心所在水平面呈45
°
夹角监测点的辐射热释放率：
[0153]
qr＝(4πr2/tc)h
fr
ꢀꢀ
(6)
[0154]
其中，
[0155]
qr—辐射热释放率，j/s；
[0156]
r—监测点与火焰中心的距离，m；
[0157]
tc—穿透系数，选取值1；
[0158]hfr
—辐射热热流密度，w
·
m-2
。
[0159]
所述对流热释放率qd为火焰中心所在水平面的水平方向监测点的对流热释放率或与火焰中心所在水平面呈45
°
夹角监测点的对流热释放率，按如下公式(7)分别计算火焰中心所在水平面的水平方向监测点的对流热释放率、与火焰中心所在水平面呈45
°
夹角监测点的对流热释放率：
[0160]
qd＝(4πr2/tc)h
fd
ꢀꢀ
(7)
[0161]
其中，
[0162]
qd—对流热释放率，j/s；
[0163]
r—监测点与火焰中心的距离，m；
[0164]
tc—穿透系数，选取值1；
[0165]hfd
—对流热热流密度，w
·
m-2
。
[0166]
s33、估算燃烧效率：分别计算火焰中心所在水平面的水平方向监测点的燃烧效率、与火焰中心所在水平面呈45
°
夹角监测点的燃烧效率；燃料溶液的燃烧效率取水平方向监测点的燃烧效率与45
°
夹角监测点的燃烧效率的平均值。按如下公式(8)分别计算火焰中心所在水平面的水平方向监测点的燃烧效率、与火焰中心所在水平面呈45
°
夹角监测点的燃烧效率：
[0167][0168]
其中，
[0169]
η—溶液燃烧效率，j/s；
[0170]qs
—溶液燃烧热释放率，j/s；
[0171]af
—油盘面积，m2；
[0172]
—溶液燃烧速率，kg/(m2·
s)，参考煤油计算公式0.022(1－e-4.5d
)；
[0173]
δhc—溶液的燃烧热值，mj/kg。
[0174]
本发明所述的方法并不限于所述具体实施方式，上述实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其他的特定方式或其他的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。