《International Journal of Heat and Mass Transfer》：Experimental investigation on heat transfer mechanism and flame spread behaviors over RP-3 aviation kerosene under lateral flow
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•阐明了横向流动下火焰条纹和火焰前沿行为的演化特征。•考虑侧壁粘性效应，建立了一种窄池的液面下流动速度模型。•对于窄池，横向流动下的火焰蔓延受液相对流换热控制。•液相和气相对流换热控制着宽池的横向火焰蔓延行为。•基于气相和液相传热分析，建立了一种火焰蔓延速度预测模型。引言强制
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阐明了横向流动下火焰条纹和火焰前沿行为的演化特征。
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考虑侧壁粘性效应，建立了一种窄池的液面下流动速度模型。
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对于窄池，横向流动下的火焰蔓延受液相对流换热控制。
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液相和气相对流换热控制着宽池的横向火焰蔓延行为。
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基于气相和液相传热分析，建立了一种火焰蔓延速度预测模型。
引言
强制气流下的火焰蔓延对化石燃料的储存和运输构成了重大火灾隐患。先前的研究主要集中在无风和有风条件下的火焰蔓延行为、蔓延速度和传热机制。火焰传播模式取决于初始燃料温度与其闪点之间的差异 [1,2]。当初始燃料温度低于闪点时，火焰蔓延受独特的液面下流动控制 [[3], [4], [5]]。在自由空气条件下，由液面下流动产生的再循环单元引起的火焰前沿周期性加速，导致了有据可查的脉冲式蔓延机制 [6,7]。然而，再循环单元的发展受强制流动影响，导致火焰蔓延行为不同。Ross 和 Miller [8,9] 发现，在相对较弱的同向流下，脉冲火焰被消除。Li 等人 [10] 和 Mao 等人 [11] 指出，在逆向流条件下始终存在脉冲火焰蔓延，而一旦同向气流和热气流的合速度超过逆向浮升引起的流动速度，它便会消失。随后，建立了同向流和逆向流条件下脉冲火焰蔓延起始的定量准则 [10,11]。
随着强制气流下脉冲火焰蔓延的进行，火焰形态发生变化，进而改变热反馈，从而影响火焰蔓延速度。Takuji 等人 [12] 观察到，随着同向流增强，火焰蔓延速度增加，这被认为与倾斜火焰前沿处的热气对燃料表面的加热有关。Li 等人 [13] 报告称，在逆向流下火焰传播受液面下流动控制，而在同向流下则由液面下流动和火焰辐射共同主导。此外，提出了同向流下的火焰倾斜角模型，以基于辐射传热预测火焰蔓延速度 [14]。此外，火焰到燃料表面的热反馈随气流速度变化 [15]，导致液面下流动速度发生变化。基于上述提及，火焰蔓延速度对气流速度有很强的依赖性。
气相和液相的热反馈不仅受强制流动影响，还显著受池宽影响。对于池火，随着池尺寸增加，辐射传热占主导地位，导致热反馈相应增强 [16]。对于流淌火，先前的研究主要调查了火焰热辐射随宽度（燃烧面积）的演化 [3,17,18]。对于液体燃料上的火焰蔓延，随着池宽增加而增强的辐射传热同时影响液面下流动速度和火焰蔓延速度。Luo 等人 [19] 发现，当池宽 w= 90 cm 时，由于火焰辐射显著增强，液面下流动减弱。随着池宽减小，气相热反馈对液面下流动的影响减弱，而侧壁粘性的影响变得更加明显。Mackinven 等人 [20] 报告称，液面下流动速度和火焰蔓延速度随池宽增加而增加，得出结论认为当 w< 20 cm 时必须考虑壁面阻力。文献 [21] 还通过检查液面下流动轨迹随池宽的变化，研究了侧壁粘性对液面下流动的影响。Li 等人 [22] 揭示，对于窄池，粘性是火焰蔓延速度降低的主要原因，而不是热损失。此外，基于侧壁粘性的表征方法，建立了一种窄通道（w=0.3–1 cm）的液面下流动速度模型 [23]。
注意，大多数先前的研究集中在纵向气流（即逆向或同向流）对火焰蔓延的影响上。然而，户外环境风向是变化的。例如，风向可能与火焰蔓延方向垂直，这被称为横向流动。Mao 等人 [24] 发现，随着横向流速增加，火焰蔓延速度呈现非单调演化。横向流动下固体燃料上的火焰蔓延也记录了这种非单调趋势 [[25], [26], [27]]。此外，据报道，横向流动下两个反向传播火焰的蔓延速度仅受气相传热控制 [28]。迄今为止，关于横向流动下火焰蔓延的研究仍然稀缺，特别是关于横向流动对液面下流动及其相关的气相和液相传热的影响机制。由于横向流动与火焰传播方向垂直，液相和气相热反馈的演化与纵向流动下的情况根本不同。关键区别在于，在横向流动下，火焰结构和液相对流流场相对于液体蔓延行为变得完全三维。因此，必须考虑池宽方向上的热量和质量传递，这在同向或逆向火焰蔓延中通常可以忽略不计。传统的同向和逆向火焰蔓延速度模型不能应用于横向火焰蔓延场景。基于上述讨论，本研究系统考察了横向流动和池宽对液面下流动和火焰蔓延两者的影响。量化了火焰行为、火焰蔓延速度及其在液相和气相中的热反馈。最终，通过对比分析气相和液相热反馈，阐明了主导传热机制，并建立了一种横向火焰蔓延速度模型。
章节摘要
实验装置
如图 1 所示，横向强制流动下的火焰蔓延实验在一个风洞（长 72 米，宽 1.5 米，高 1.3 米）中进行。一个矩形池（长 100 厘米，深 3 厘米），具有不同的宽度（5、10 和 15 厘米），被放置在风洞出口处。此外，使用了 2 厘米深的燃料层，以避免因强制气流导致燃料溢出。同时，根据文献 [22]，燃料厚度对应于深池配置（h>4 mm）。
火焰蔓延行为
图 2 显示了从俯视角度观察到的横向流动下火焰前沿的演化。观察到横向流动下的火焰形态与静止条件下显著不同，并随流速增加而变化。此外，池宽也会导致不同的火焰行为。对于 5 厘米宽的池，在低流速下观察到火焰前沿回退，但随着流速增加而减弱。对于较宽的池（w=10, 15 cm），未观察到这种回退现象。火焰条纹
结论
本研究通过实验和理论方法研究了横向流动和池宽对 RP-3 上火焰蔓延的影响。主要结论总结如下：
随着横向流速增加，由于再循环单元形成的抑制，脉冲火焰蔓延转变为均匀传播。同时，所有池都观察到火焰条纹，其间距逐渐减小。火焰蔓延速度显示出一致的非单调
CRediT 作者贡献声明
Xuanren Wang: 写作 – 初稿、调查、正式分析、数据管理、概念化。 Yuhang Chen: 写作 – 审阅与编辑、验证、调查、正式分析。 Shangqing Tao: 写作 – 审阅与编辑、验证、方法论。 Longhua Hu: 写作 – 审阅与编辑、监督、资源、项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（批准号 52225605、52306171、52476097）、中央高校基础研究基金（批准号 WK2320250076、WK2320000070）以及小米青年人才计划的支持。
Xuanren Wang|Yuhang Chen|Shangqing Tao|Longhua Hu
