2.2.3　油料池火焰不同燃燒區(qū)域光譜特性分析

油料池火焰分為三個(gè)區(qū)域，分別為連續(xù)區(qū)、間歇區(qū)及煙氣區(qū)，如圖2.15所示。連續(xù)區(qū)主要包括汽化的液態(tài)燃料及燃燒產(chǎn)物等，為“富燃料區(qū)”，該區(qū)域溫度較高；間歇區(qū)主要由燃燒產(chǎn)物組成，如CO₂、H₂O及煙塵顆粒等；煙氣區(qū)則主要包括燃燒產(chǎn)生的氣體及煙塵顆粒等。對(duì)火焰不同燃燒區(qū)域的光譜特征進(jìn)行測(cè)試研究，可深入了解油料池火焰的發(fā)射光譜特征。

將光譜儀置于火焰的側(cè)方，距離火焰1m。調(diào)節(jié)火焰與光譜儀之間的相對(duì)高度，分別測(cè)試92^?汽油、95^?汽油池火焰連續(xù)區(qū)、間歇區(qū)、煙氣區(qū)的火焰光譜。潤滑油屬于重質(zhì)油，池火焰高度相對(duì)較小，因此只對(duì)潤滑油池火焰的根部（連續(xù)區(qū)）及頂部（煙氣區(qū)）的光譜進(jìn)行了分析測(cè)試研究。實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)如圖2.16所示。

由于火焰脈動(dòng)等因素影響，火焰不同區(qū)域光譜信號(hào)包含較大噪聲。圖2.17所示是92^?汽油池火焰煙氣區(qū)光譜，從圖中可以看出，信號(hào)受火焰脈動(dòng)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(jiǎn)化計(jì)算量，對(duì)原始光譜信號(hào)進(jìn)行小波分解處理，選用db4小波基進(jìn)行5層分解，以第5層低頻系數(shù)作為光譜信號(hào)的基本信息。對(duì)多種油料的不同燃燒區(qū)域光譜特征小波分解處理結(jié)果如圖2.18～圖2.20所示，為避免火焰脈動(dòng)的影響干擾光譜特征，每次處理均選用5次連續(xù)測(cè)量的光譜數(shù)據(jù)。如圖2.18所示，92^?汽油池火焰三個(gè)燃燒區(qū)域的光譜基本特征存在明顯差別：在2.5～5.0μm波段范圍內(nèi)，火焰煙氣區(qū)主要光譜特征為4.0～4.5μm波段范圍內(nèi)高溫CO₂發(fā)射峰，2.5～4μm波段范圍內(nèi)無明顯特征；每組測(cè)量結(jié)果之間波動(dòng)較大，分析原因是該區(qū)域火焰與空氣換熱劇烈，溫度變化不穩(wěn)定，火焰脈動(dòng)頻率較高，如圖2.19所示，從左至右三幅圖像測(cè)試間隔為0.2s，火焰頂端煙氣區(qū)脈動(dòng)變化明顯。火焰間歇區(qū)的光譜特征同樣是4.0～4.5μm波段范圍內(nèi)高溫CO₂發(fā)射峰， 2.5～3.0μm波段范圍內(nèi)炭黑粒子發(fā)射光譜強(qiáng)度較高，與煙氣區(qū)相比，每組測(cè)量結(jié)果之間波動(dòng)略小，表明該區(qū)域火焰脈動(dòng)頻率相對(duì)較低。火焰連續(xù)區(qū)的光譜特征明顯，每組測(cè)量結(jié)果之間波動(dòng)較小，表明該區(qū)域燃燒較為穩(wěn)定，如圖2.19中虛線內(nèi)標(biāo)注的部分；2.5～3.0μm波段范圍內(nèi)炭黑粒子發(fā)射光譜強(qiáng)度較高，且在3.4μm處存在C—H伸縮振動(dòng)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(chǎn)生。

如圖2.19所示，與92^?汽油池火焰不同區(qū)域光譜特征相似，95^?汽油池火焰三個(gè)燃燒區(qū)域的光譜特征差異明顯，煙氣區(qū)的光譜特征體現(xiàn)在4.0～4.5μm波段范圍內(nèi)高溫CO₂發(fā)射峰，2.5～4.0μm波段范圍內(nèi)無明顯特征，火焰的脈動(dòng)導(dǎo)致光譜的重復(fù)性較差；火焰間歇區(qū)光譜特征是4.0～4.5μm波段范圍高溫CO₂發(fā)射峰，2.5～3.0μm波段范圍內(nèi)炭黑粒子發(fā)射光譜強(qiáng)度相對(duì)更高；火焰連續(xù)區(qū)光譜特征明顯，每組測(cè)量結(jié)果之間波動(dòng)較小；2.5～3.0μm波段范圍內(nèi)炭黑粒子發(fā)射光譜強(qiáng)度更高，且在3.4μm處存在C—H伸縮振動(dòng)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(chǎn)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(qū)光譜特征相似，4.0～4.5μm波段范圍內(nèi)高溫CO₂發(fā)射峰明顯；火焰根部光譜特征明顯，測(cè)試結(jié)果較為穩(wěn)定，2.5～3.0μm波段范圍內(nèi)炭黑粒子發(fā)射光譜強(qiáng)度更高，且在3.4μm處存在C—H伸縮振動(dòng)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(chǎn)生。

對(duì)三種油品池火焰不同區(qū)域發(fā)射光譜強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法：

　　（2.8）

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

三種油品池火焰不同區(qū)域光譜特性分析表明，火焰的頂端——煙氣區(qū)的脈動(dòng)較強(qiáng)，火焰發(fā)射光譜強(qiáng)度相對(duì)較弱，僅在4.0～4.5μm波段范圍內(nèi)存在CO₂發(fā)射峰；火焰間歇區(qū)脈動(dòng)強(qiáng)度不及煙氣區(qū)，光譜主要特征同樣是4.0～4.5μm波段范圍CO₂發(fā)射峰，且光譜強(qiáng)度高于煙氣區(qū)；火焰根部——連續(xù)區(qū)的光譜特征明顯，光譜強(qiáng)度最高，3.4μm處存在C—H伸縮振動(dòng)峰，表明油料火焰光譜在3.4μm的C—H伸縮振動(dòng)峰可由連續(xù)區(qū)的油蒸氣產(chǎn)生。

熱量傳遞對(duì)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(fā)生劇烈的發(fā)光發(fā)熱的化學(xué)反應(yīng)，火焰燃燒產(chǎn)生的一部分熱量通過熱輻射形式傳遞至油料表面，使液態(tài)油料氣化。氣化的油料在液態(tài)燃料的表面、火焰的連續(xù)區(qū)形成“富燃料層”，主要由油蒸氣和燃燒中間產(chǎn)物組成。燃燒產(chǎn)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(qū)及煙氣區(qū)。火焰熱輻射及液態(tài)燃料汽化這種質(zhì)-熱循環(huán)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(duì)火焰的熱傳輸具有重要影響。油料屬于液態(tài)燃料，燃燒產(chǎn)物包括各種分子、炭黑顆粒及多種自由基團(tuán)。根據(jù)量子力學(xué)原理，分子在外界能量的激發(fā)作用下將發(fā)生能級(jí)躍遷，吸收或發(fā)射一定頻率的光子。燃燒火焰的高溫?zé)彷椛洌鳛镃O₂、H₂O等燃燒產(chǎn)物分子能級(jí)躍遷的能量源，火焰光譜是燃燒產(chǎn)物的特征光譜。對(duì)油池火不同燃燒區(qū)域的光譜分析表明，火焰連續(xù)區(qū)3.4μm處C—H伸縮振動(dòng)峰是油蒸氣產(chǎn)生的，即油品中的高溫?zé)N類燃料氣體分子發(fā)生能級(jí)躍遷，引起分子C—H伸縮振動(dòng)。因此油料池火焰發(fā)出的輻射是通過“富燃料層”到達(dá)液態(tài)油表面，“富燃料層”組分在火焰?zhèn)鳠徇^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(dòng)峰。

現(xiàn)有的油池火燃燒參數(shù)的計(jì)算，如質(zhì)量損失速率及熱釋放速率、傳熱模型都是將火焰作為一個(gè)整體的熱源，而未考慮液態(tài)油表面的“富燃料層”對(duì)火焰輻射的吸熱作用。本研究結(jié)論對(duì)修正現(xiàn)有的油池火輻射傳熱模型提供了一定的依據(jù)，同時(shí)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(zāi)提供一種新的研究思路。