《Process Safety and Environmental Protection》：Experimental Investigation and Soot Characteristic-Based Predictive Model for Radiative Heat Flux from n-Heptane Pool Fires
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摘要对于化工过程中的池火，炭黑是热辐射危害的重要组成部分。然而，炭黑特性与火焰辐射之间的定量关系尚未得到充分表征。这一差距阻碍了用于过程安全设计的可靠辐射模型的开发。本研究对正庚烷池火（直径 0.1-0.4 米）进行了实验研究。使用红外相机和碳化硅棒测量了中心线发射率分布，同
摘要
对于化工过程中的池火，炭黑是热辐射危害的重要组成部分。然而，炭黑特性与火焰辐射之间的定量关系尚未得到充分表征。这一差距阻碍了用于过程安全设计的可靠辐射模型的开发。本研究对正庚烷池火（直径 0.1-0.4 米）进行了实验研究。使用红外相机和碳化硅棒测量了中心线发射率分布，同时通过热泳采样采集炭黑样本，并使用扫描电子显微镜进行分析。结果表明，火焰发射率随高度单调递减，而通过热泳采样获得的炭黑体积分数在约 2D（其中 D 为池径）处增加到最大值，然后递减。基于这些发现，建立了归一化火焰发射率与组合参数之间的半经验关联式，该组合参数结合了中心线炭黑体积分数估计值的相对变化与经验高度项。将此关联式纳入加权多点源模型以预测辐射热通量。预测值与实验数据吻合，偏差一般在 20% 以内。所提出的模型提供了一种实用的辐射热通量预测方法，可以支持化工过程中的热危害评估、本质安全布局设计和多米诺效应评估。
引言
随着能源需求的增长，液体燃料的生产、储存和运输稳步扩大。液体燃料泄漏及随后的池火是石化炼油厂和储罐区引发灾难性多米诺事故的最常见初始场景（Kadri et al., 2013, Vipin et al., 2018, Zhao et al., 2022）。燃烧过程中释放的高强度热辐射是导致火灾蔓延、相邻设备故障和人员伤亡的主要危害（Chen et al., 2022, Elhelw et al., 2021）。火灾引起的设备故障很容易升级为严重的多米诺效应。因此，通过严格的定量风险评估来减轻这些热风险已成为过程安全和运营风险管理的核心焦点（Gao et al., 2025）。在现代风险工程中，准确量化辐射热通量至关重要。它是预测火灾危害动态升级、优化本质安全布局以及制定应急响应计划的基本前提（Ding et al., 2020, Huang et al., 2021）。
根据斯特藩 - 玻尔兹曼定律，火焰辐射由火焰温度和火焰发射率决定。然而在实践中，火焰发射率会随燃料类型、池径和火焰高度显著变化。在预测火焰辐射时考虑这种变化仍然是一个持续的挑战。早期模型简单地假设整个火焰具有统一的发射率值来解决这一问题（Modak, 1977），忽略了实际的空间变化。这种过度简化无法捕捉实际的发射率分布，限制了近场场景中热危害预测的可靠性。尽管固体火焰模型通过将火焰视为均匀圆柱辐射体改善了几何表示（Mudan, 1984），但它仍然假设沿火焰高度温度和发射率恒定。这一假设与实际火焰条件不符，限制了准确的危害评估（Li et al., 2021）。为了更好地表示非均匀辐射分布，提出了加权多点源模型（Hankinson and Lowesmith, 2012）。这些模型将火焰离散化为多个源，根据局部辐射功率为每个源分配权重（Ge et al., 2024, Ji et al., 2021a）。虽然这些模型提高了预测精度，但它们仍然依赖于经验发射率输入。因此，准确表征火焰发射率仍然是提高辐射模型可靠性的关键。
早期确定火焰发射率的尝试大多是经验性的。例如，Babrauskas（1983）提出了基于质量损失率的关联式，为整个火焰提供统一的发射率值。然而，这种间接方法无法捕捉火焰内部发射率的空间变化。随后，红外（IR）热成像技术的引入实现了更直接的测量。Planas-Cuchi et al.（2003）进行了直径为 0.13-0.5 米的汽油和柴油池火实验，使用红外相机在固定位置测量发射率，并提出与池径的关联式。Sudheer 和 Prabhu（2010）将此方法扩展到直径为 0.3-1.0 米的汽油池火沿火焰中心线的五个离散位置。尽管如此，这些点测量并未解决沿火焰高度的火焰发射率连续变化问题。为了表征空间分布，Raj 和 Prabhu（2017）使用四十根电加热镍铬带作为参考黑体。使用红外相机，他们捕捉了柴油和汽油池火的垂直发射率剖面，揭示出发射率在池底附近达到峰值并随高度降低。同样，Ji et al.（2021b）进行了庚烷池火实验，结合红外相机和人工黑体建立火焰发射率与火焰高度之间的关系，从而实现对连续轴向发射率剖面的定量描述。尽管取得了这些进展，这些研究仍然主要是经验性的，并未明确将火焰发射率的空间变化与可测量的炭黑特性联系起来。
从物理上讲，火焰的热辐射源自气态燃烧产物和炭黑颗粒（Lee and Tien, 1986, Markstein, 1979）。与主要在离散波段发射的气态产物（主要是 CO?和 H?O）不同，炭黑颗粒在可见光和红外光谱范围内连续吸收和发射。因此，炭黑的空间分布是影响发光火焰辐射发射和衰减的重要因素（Li and Zhang, 2021）。为了表征炭黑特性，热泳采样被广泛使用，因为它能捕捉颗粒形态并实现定量测量（Botero et al., 2021, Lou et al., 2010）。Dobbins 和 Megaridis（1987）首次将此方法应用于层流同轴扩散火焰，证明快速插入冷基底可以保留原始炭黑结构。K?ylü et al.（1997）后来在层流同流乙烯/空气火焰中将热泳采样与透射电子显微镜相结合，实现了对炭黑体积分数、一次颗粒直径和聚集体分形维数的同时量化。这些基于层流的研究提供了关于炭黑形态、分形维数和沿火焰轴粒子尺寸演变的详细信息。然而，现实湍流池火的强脉动使得热泳采样尤为困难。几项研究已将热泳采样扩展到湍流火焰中。Hu et al.（2003）采用热泳采样后接透射电子显微镜（TEM）来表征湍流乙烯/空气射流火焰轴上的一次粒子尺寸和聚集体形态。Williams 和 Gritzo（1998）将此技术应用于 1 米和 5 米的大型 JP?8 池火，揭示了一次粒子尺寸分别为 38.8 纳米和 43.8 纳米，聚集体形成丝状链。这些研究表明，通过仔细的采样设计，热泳采样可以在湍流火焰条件下提供炭黑形态和一次粒子尺寸信息。然而，这些炭黑特性与湍流池火火焰发射率之间的定量关系仍未解决。这一知识差距从根本上限制了现实辐射模型的开发，而这些模型对于过程工业中的动态风险评估和布局优化是迫切需要的。
鉴于上述不足，本研究对直径从 0.1 米到 0.4 米的正庚烷池火进行了实验研究。使用热泳采样和扫描电子显微镜（SEM）沿火焰中心线表征炭黑形态和一次粒子尺寸，同时从热泳采样估算炭黑体积分数。使用红外相机和高温碳化硅棒测量轴向火焰发射率剖面。基于实验结果，建立了中心线炭黑特性相对变化与火焰发射率之间的半经验关联式。然后将此关联式纳入加权多点源模型以预测辐射热通量。所得模型旨在支持过程工业中的热危害评估、本质安全布局设计和运营风险管理。
章节片段
实验
实验在福州一个大型火灾实验室进行，尺寸为 10 米（长）× 8 米（宽）× 8.4 米（高）。整体实验装置如图 1 所示。使用了四个圆形不锈钢池作为燃烧器，外径（D）分别为 0.1 米、0.2 米、0.3 米和 0.4 米，壁厚 5 毫米。它们的内部深度为 40 毫米。选择正庚烷作为测试燃料，因其具有明显的炭黑特性。燃料表面保持恒定
燃烧的准稳态
准稳态燃烧阶段是根据质量损失率（MLR）演变确定的。图 3 以 0.3 米直径池火为例展示了燃料质量和 MLR 的演变。点火后，火焰形态和 MLR 均逐渐变化。在初始瞬态期间之后，火焰高度、MLR 和其他燃烧参数变得相对稳定，标志着准稳态燃烧阶段的开始。这一阶段反映了热反馈、燃料供应之间的平衡
结论
本研究系统地实验研究了直径 0.1 至 0.4 米的正庚烷池火中的炭黑特性和火焰发射率分布。通过结合热泳采样、扫描电子显微镜和红外透射测量，表征了炭黑属性和中心线火焰发射率的轴向剖面：
- 1.
中心线火焰发射率随高度单调递减。在火焰底部附近的衰减更陡峭
CRediT 作者贡献声明
Fuqiang Yang： 监督，资源，概念化。 Fanliang Ge： 写作 – 审稿与编辑，方法论，调查，资金获取，概念化。 Yongming Cai： 可视化，调查，形式分析。 Yanhui Zhou： 验证，形式分析。 Xian Wu： 写作 – 初稿，可视化，调查，数据整理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会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（NSFC, Grant No. 52406129）和福建省自然科学基金（2024J01364; 2025J011057）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
Xian Wu|Yongming Cai|Ying Sun|Yanhui Zhou|Fuqiang Yang|Fanliang Ge
