《Energy》：The effect of sidewall on horizontal diffusion jet flame behavior under sub-atmospheric pressures for energy transportation system on Plateau
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本文通过系统性实验研究了侧墙约束下水平扩散火焰在40-100 kPa高原低压环境中的行为，揭示了侧墙剪切应力与浮力共同作用机制，首次量化了火焰投影长度相关风险参数，并建立了三维参数模型指导管道设计与风险评估。
江璐|傅良良|陈宇航|黄亚俊|马旭轩|刘世祥|唐飞|胡龙华
中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽省合肥市，230026，中国
摘要
能源输送管道在能源利用中发挥着重要作用，但由于管道老化和腐蚀导致能量意外释放，从而产生了喷射火灾的风险。然而，关于火灾风险参数的研究主要集中在垂直喷射火焰上，尚未有研究探讨侧壁对水平扩散喷射火焰行为的影响，在这种情况下，由能量燃烧驱动的喷射初始动量和浮力的流动方向是不同的。本研究在减压室内系统地进行了自由状态和侧壁约束下的水平喷射火焰实验，实验压力范围为40 kPa至100 kPa。研究揭示了在亚大气压下喷射动量、壁面剪切应力、火焰浮力和空气卷吸机制之间的复杂相互作用，并首次量化了相应的能源火灾风险参数。结果表明，侧壁约束条件下的火焰在水平和垂直方向上的投影长度均大于自由状态下的长度。侧壁约束条件下，随着热释放率的变化，垂直火焰高度的变化幅度大于自由状态。基于控制机制分析，建立了一个新的物理模型，并推导出三个特征参数，能够很好地描述水平和垂直方向上的火焰投影长度，这有助于能源输送管道的设计以及高原地区建筑物内能源事故的火灾风险评估。
引言
随着经济的持续发展和人口增长，能源需求也在不断增加。过去20年里，全球能源消耗量增加了1.5倍[1]、[2]、[3]。天然气在全球多元化能源结构中扮演着越来越重要的角色[4]、[5]、[6]。如图1所示，从2020年到2023年，全球天然气消耗量保持上升趋势，约为40,000 TWh。从2000年到2019年，天然气在能源消耗中的占比逐渐增加，但近年来由于低碳能源的使用，这一比例有所下降。然而，天然气仍然是继煤炭和石油之后的主要能源来源，占能源消耗的20%以上[7]。由于其高效和低建设成本的优势，管道运输被广泛用于天然气输送[8]、[9]。但是，管道老化、腐蚀、自然灾害等因素可能导致管道泄漏，进而引发火灾事故[10]、[11]、[12]、[13]。研究表明，喷射火灾通常发生在能量意外释放的初期阶段，这可能通过多米诺效应引发更严重的能源安全事故，如爆炸和能源储存及输送设备的完全毁坏[14]、[15]、[16]、[17]。
因此，了解其几何特性和潜在的动态机制对于能源火灾风险评估和能源输送系统中的能量转换至关重要。关于喷射火灾发展风险参数的研究主要集中在垂直喷射火焰上[14]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]，在这些研究中，喷射初始动量和由能量燃烧驱动的浮力的流动方向都是垂直的。这些研究发现的共同点是，喷射动量与能量燃烧产生的浮力之间的大小主要决定了与空气卷吸和火焰行为相关的燃料气体-空气混合情况。同时，基于空气卷吸理论提出了许多经典的无量纲参数来关联垂直喷射火焰的长度。Quintiere[18]和Heskestad[19]提出，垂直喷射火焰高度与喷嘴直径d的比值可以通过标准化的燃料质量流量和标准化热释放率来关联，这些参数与能量释放的大小有关。这里，热释放率等于燃料质量流量乘以燃烧热。空气密度、温度和恒压比热分别用相应的符号表示。在不同的浮力/动量控制范围内，标准化火焰高度与这些无量纲参数之间存在不同的幂律关系。
在实际的住宅建筑和能源加工行业中，为了美观和节省空间，燃气输送管道通常会铺设在墙壁上。当这些管道发生泄漏并引发火灾时，会形成典型的侧壁约束火灾。与自由扩散火焰相比，侧壁约束下的能源燃烧行为也受到了研究[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。由于湍流和大规模涡旋产生的抑制，侧壁约束火焰的空气卷吸量大约是自由火焰的0.6倍[31]。因此，侧壁约束条件下的火焰高度会高于自由状态。镜像概念被广泛用于模拟具有侧壁的低动量扩散火焰的几何特性[25]、[26]、[27]，该概念假设墙壁后面也有一个相同的火焰源。对于具有初始动量的向上喷射火焰，由于壁面剪切应力，喷射流动动量（影响火焰几何形状的主要参数）会减小。然而，与垂直方向上火焰发展的浮力和湍流产生的综合效应相比，壁面剪切力的影响可以忽略不计[29]、[32]。
然而，能量释放的方向并不总是向上的[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]。在能源系统中，经常可以发现水平扩散喷射火焰，其中火焰的热浮力垂直于喷射初始动量方向，例如海上钻井平台排气火炬、水平布置燃烧器的工业锅炉以及管道侧面的燃气输送管道泄漏。火焰上下两侧的空气卷吸情况不一致，导致两侧的化学反应过程不同。因此，仅用垂直喷射火焰的无量纲参数不足以描述水平喷射火焰的几何形状。在这种情况下，壁面剪切力对喷射初始动量的影响可能会显现出来。壁面剪切力会减小喷射动量，并阻碍初始动量方向的流动发展。同时，侧壁引起的复杂空气卷吸进一步改变了流动发展。据作者所知，上述各种效应对流动发展的复杂相互作用及其对火焰几何特性的影响尚未被量化。因此，目前关于侧壁约束水平喷射火焰的理论和模型的普遍性需要进一步改进。
同时，在中国青藏高原、南美洲的巴西和玻利维亚高原以及欧洲的阿尔卑斯山等高原地区，出现了许多满足人类基本需求的能源输送系统。由于空气密度低导致的空气卷吸减少，亚大气压下的火焰行为与标准压力下的情况存在显著差异[39]、[40]、[41]、[42]、[43]。燃料完全燃烧所需的特征时间增加，导致火焰长度增加。这种亚大气压和侧壁对水平喷射火焰行为的复杂耦合效应至今尚未被揭示。
为了解决上述问题，本研究在高原地区对不同亚大气压下的侧壁约束水平扩散喷射火焰进行了全面的实验和物理机制分析，量化了其在水平和垂直方向上的长度变化，揭示了有无侧壁时空气卷吸的差异以及侧壁对水平扩散喷射火焰的影响。提出了一个描述喷射动量、壁面剪切应力、火焰浮力和空气卷吸机制在火焰发展过程中复杂相互作用的物理模型。本研究旨在深入理解高原地区亚大气压下火焰流动发展的这种复杂相互作用，这有助于能源输送系统的风险评估和安全设计。
实验装置
实验装置如图2所示。使用了一个内部尺寸为3.0米（长）× 2.0米（宽）× 2.0米（高）的压力室，通过真空泵产生40至100 kPa的亚大气压。本研究考虑了40 kPa、50 kPa、60 kPa、80 kPa和100 kPa五种环境压力P∞，以模拟不同的海拔高度。有关该装置的详细信息可以在[42]、[43]、[44]中找到。使用了两个长度为0.5米的圆形喷嘴管（壁厚1毫米）。
亚大气压下有无侧壁的水平扩散喷射火焰的形态特征
图3显示了喷嘴直径为4毫米、环境压力为80 kPa时，有无侧壁的水平扩散喷射火焰几何形状变化的代表性图像。白色虚线表示垂直火焰高度的变化。可以观察到，随着热释放率的增加，水平方向的火焰投影长度Lx会增加，但垂直方向的火焰投影长度Lz先增加后减小，无论是在自由状态下还是在其他情况下。
结论
本研究基于实验研究和CFD模拟，揭示了高原地区能源输送系统中侧壁对水平喷射火焰几何特性的影响。测量了在不同亚大气压下火焰在水平和垂直方向上的投影长度变化。提出了控制水平扩散喷射火焰发展的特征参数，以关联水平扩散...
作者贡献声明
江璐：概念构思、数据整理、形式分析、调查、方法论、监督、验证、撰写——原始草稿。
唐飞：概念构思、资源提供。
胡龙华：监督、撰写——审阅与编辑。
马旭轩：概念构思、调查、可视化。
刘世祥：验证、可视化。
陈宇航：概念构思、形式分析、调查、方法论。
黄亚俊：概念构思、资源提供。
傅良良：数据整理、撰写——
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（NSFC，编号52225605和523B2066）、CPSF博士后奖学金计划（资助编号GZC20241627）、中国博士后科学基金会-安徽联合支持计划（资助编号2024T015AH）以及小米青年人才计划的支持。
