2.2.3　油料池火焰不同燃燒區域光譜特性分析

油料池火焰分為三個區域，分別為連續區、間歇區及煙氣區，如圖2.15所示。連續區主要包括汽化的液態燃料及燃燒產物等，為“富燃料區”，該區域溫度較高；間歇區主要由燃燒產物組成，如CO₂、H₂O及煙塵顆粒等；煙氣區則主要包括燃燒產生的氣體及煙塵顆粒等。對火焰不同燃燒區域的光譜特征進行測試研究，可深入了解油料池火焰的發射光譜特征。

將光譜儀置于火焰的側方，距離火焰1m。調節火焰與光譜儀之間的相對高度，分別測試92^?汽油、95^?汽油池火焰連續區、間歇區、煙氣區的火焰光譜。潤滑油屬于重質油，池火焰高度相對較小，因此只對潤滑油池火焰的根部（連續區）及頂部（煙氣區）的光譜進行了分析測試研究。實驗測試平臺如圖2.16所示。

由于火焰脈動等因素影響，火焰不同區域光譜信號包含較大噪聲。圖2.17所示是92^?汽油池火焰煙氣區光譜，從圖中可以看出，信號受火焰脈動的影響較大，光譜曲線存在較大的噪聲。

為消除噪聲的影響并簡化計算量，對原始光譜信號進行小波分解處理，選用db4小波基進行5層分解，以第5層低頻系數作為光譜信號的基本信息。對多種油料的不同燃燒區域光譜特征小波分解處理結果如圖2.18～圖2.20所示，為避免火焰脈動的影響干擾光譜特征，每次處理均選用5次連續測量的光譜數據。如圖2.18所示，92^?汽油池火焰三個燃燒區域的光譜基本特征存在明顯差別：在2.5～5.0μm波段范圍內，火焰煙氣區主要光譜特征為4.0～4.5μm波段范圍內高溫CO₂發射峰，2.5～4μm波段范圍內無明顯特征；每組測量結果之間波動較大，分析原因是該區域火焰與空氣換熱劇烈，溫度變化不穩定，火焰脈動頻率較高，如圖2.19所示，從左至右三幅圖像測試間隔為0.2s，火焰頂端煙氣區脈動變化明顯。火焰間歇區的光譜特征同樣是4.0～4.5μm波段范圍內高溫CO₂發射峰， 2.5～3.0μm波段范圍內炭黑粒子發射光譜強度較高，與煙氣區相比，每組測量結果之間波動略小，表明該區域火焰脈動頻率相對較低。火焰連續區的光譜特征明顯，每組測量結果之間波動較小，表明該區域燃燒較為穩定，如圖2.19中虛線內標注的部分；2.5～3.0μm波段范圍內炭黑粒子發射光譜強度較高，且在3.4μm處存在C—H伸縮振動峰，表明92^?汽油池火焰光譜在3.4μm處的特征峰可由高溫油蒸氣產生。

如圖2.19所示，與92^?汽油池火焰不同區域光譜特征相似，95^?汽油池火焰三個燃燒區域的光譜特征差異明顯，煙氣區的光譜特征體現在4.0～4.5μm波段范圍內高溫CO₂發射峰，2.5～4.0μm波段范圍內無明顯特征，火焰的脈動導致光譜的重復性較差；火焰間歇區光譜特征是4.0～4.5μm波段范圍高溫CO₂發射峰，2.5～3.0μm波段范圍內炭黑粒子發射光譜強度相對更高；火焰連續區光譜特征明顯，每組測量結果之間波動較小；2.5～3.0μm波段范圍內炭黑粒子發射光譜強度更高，且在3.4μm處存在C—H伸縮振動峰，表明95^?汽油池火焰光譜在3.4μm處的特征峰可由高溫油蒸氣產生。

如圖2.20所示，潤滑油池火焰頂部光譜特征與92^?汽油、95^?汽油池火焰煙氣區光譜特征相似，4.0～4.5μm波段范圍內高溫CO₂發射峰明顯；火焰根部光譜特征明顯，測試結果較為穩定，2.5～3.0μm波段范圍內炭黑粒子發射光譜強度更高，且在3.4μm處存在C—H伸縮振動峰，表明潤滑油池火焰光譜在3.4μm處的特征峰可由高溫油蒸氣產生。

對三種油品池火焰不同區域發射光譜強度進行計算，計算方法：

　　（2.8）

式中，Δλ表示測試波長范圍2.5～5μm；I_λ表示波長λ處光譜強度。三種油料池火焰不同燃燒區域平均光譜強度如表2.3所列。

三種油品池火焰不同區域光譜特性分析表明，火焰的頂端——煙氣區的脈動較強，火焰發射光譜強度相對較弱，僅在4.0～4.5μm波段范圍內存在CO₂發射峰；火焰間歇區脈動強度不及煙氣區，光譜主要特征同樣是4.0～4.5μm波段范圍CO₂發射峰，且光譜強度高于煙氣區；火焰根部——連續區的光譜特征明顯，光譜強度最高，3.4μm處存在C—H伸縮振動峰，表明油料火焰光譜在3.4μm的C—H伸縮振動峰可由連續區的油蒸氣產生。

熱量傳遞對油池火的形成非常重要。油池火燃燒首先是油蒸氣在高溫的作用下與空氣中的氧氣發生劇烈的發光發熱的化學反應，火焰燃燒產生的一部分熱量通過熱輻射形式傳遞至油料表面，使液態油料氣化。氣化的油料在液態燃料的表面、火焰的連續區形成“富燃料層”，主要由油蒸氣和燃燒中間產物組成。燃燒產物如CO₂、H₂O及炭黑顆粒等在高溫浮力的作用下上升，并伴隨空氣的卷吸，形成間歇區及煙氣區。火焰熱輻射及液態燃料汽化這種質-熱循環的方式，影響油池火焰的大小及形狀，如圖2.21所示。

燃料的種類及燃燒方式對火焰的熱傳輸具有重要影響。油料屬于液態燃料，燃燒產物包括各種分子、炭黑顆粒及多種自由基團。根據量子力學原理，分子在外界能量的激發作用下將發生能級躍遷，吸收或發射一定頻率的光子。燃燒火焰的高溫熱輻射，作為CO₂、H₂O等燃燒產物分子能級躍遷的能量源，火焰光譜是燃燒產物的特征光譜。對油池火不同燃燒區域的光譜分析表明，火焰連續區3.4μm處C—H伸縮振動峰是油蒸氣產生的，即油品中的高溫烴類燃料氣體分子發生能級躍遷，引起分子C—H伸縮振動。因此油料池火焰發出的輻射是通過“富燃料層”到達液態油表面，“富燃料層”組分在火焰傳熱過程中吸收熱量，形成烴類燃料汽化分子在3.4μm處C—H伸縮振動峰。

現有的油池火燃燒參數的計算，如質量損失速率及熱釋放速率、傳熱模型都是將火焰作為一個整體的熱源，而未考慮液態油表面的“富燃料層”對火焰輻射的吸熱作用。本研究結論對修正現有的油池火輻射傳熱模型提供了一定的依據，同時可考慮從“富燃料層”著手分析油池火的滅火方法，為消防減災提供一種新的研究思路。