横风与液位高度耦合作用下庚烷储罐火灾下探火焰行为演变的实验与理论分析

针对储罐火灾中横风和液位高度(h)对火焰几何特征的影响机制不明问题，研究人员通过透明玻璃圆柱(D=0.3 m)模拟不同液位比(h/D=0-1.2)和横风速(u=0-2.5 m/s)条件下的燃烧过程，揭示了底部接触(模式1)与非接触(模式2)两种燃烧模式下火焰回缩长度(LU)、后拖长度(LD)和下探深度(HD)的演化规律，建立了基于弗劳德数(Fr)的预测模型，为储罐安全间距设计和灭火策略优化提供理论依据。

　　

储罐火灾是能源储存系统中最具破坏性的灾害之一，2022年古巴油库火灾就曾导致10万立方米燃料焚毁，造成严重的环境污染。这类火灾的特殊性在于，其火焰行为同时受到横风作用和液位高度(h)的复杂影响——横风会改变火焰倾斜角度和涡流结构，而液位高度则通过调控氧气卷吸效率来影响燃烧过程。然而，现有研究多聚焦小尺寸储罐(D<0.3 m)，对横风与液位高度的耦合作用机制缺乏系统认知，特别是火焰在储罐内部向下延伸的几何特征(包括回缩长度L_U、后拖长度L_D等关键参数)尚未建立定量预测模型。

为解决这一科学难题，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室的研究团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表了创新性成果。研究人员采用透明玻璃圆柱(D=30 cm)模拟储罐，通过调节金属板位置实现h/D=0-1.2的液位变化，并利用2米长风洞产生0.5-2.5 m/s的稳定横风。实验选用庚烷作为标准燃料，采用高分辨率CCD相机记录火焰形态，结合MATLAB图像处理获得火焰间歇性分布图(阈值0.5)。通过Fire Dynamics Simulator(FDS)模拟流场和压力分布，并利用K型热电偶和辐射热流计(SGB)同步监测温度场和热通量。

研究首先揭示了两种典型燃烧模式：当h<0.8D时，火焰接触罐底形成底部接触模式(模式1)，此时L_U和L_D随横风速或液位高度增加而减小；当h≥0.8D时转为非接触模式(模式2)，H_D则随二者增加而增大。FDS模拟显示，横风在储罐开口背风侧形成负压区，这是驱动空气通过入口通道(宽度a)进入罐内的关键因素。在模式2下，研究人员创新性提出空气入流模型，通过质量守恒方程推导出H_D与u^0.5、h^-1的定量关系(式13，R2=0.96)；对于模式1，则引入镜像火焰理论，将罐底反射的虚拟火焰与实火焰结合，建立了L_D的预测模型(式19，R2=0.94)。

热力学分析表明，底部接触模式的燃烧速率显著高于非接触模式，这归因于火焰-罐底接触增强的热反馈效应。辐射热通量测量显示，模式1下热通量随横风速增加单调递减，而模式2则呈现先降后升的非单调趋势，这与火焰体积变化导致的视角因子改变直接相关。研究还发现，在h/D>0.8且u≥2.5 m/s时，火焰会出现明显的不稳定现象，这为储罐安全操作边界提供了重要参考。

该研究首次系统阐明了横风与液位高度对储罐火灾下探火焰的耦合作用机制，提出的预测模型可直接用于计算火灾热辐射影响范围。特别是关于空气入口通道的发现，为理解受限空间火灾的燃烧动力学提供了新视角。未来研究可拓展至更大尺寸储罐和多燃料体系，以验证模型的普适性。这些成果对石化储罐园区布局优化、防火间距确定以及应急灭火策略制定具有重要指导价值。