不同通風(fēng)條件下柴油池火的實(shí)驗(yàn)研究*

張培紅，張 怡，張?jiān)评?/p>

(1.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110004 ；2.成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614000;3.沈陽城市建設(shè)學(xué)院 市政與環(huán)境工程系，遼寧 沈陽 110168)

0　引言

通風(fēng)對(duì)油池火災(zāi)燃燒特性及火災(zāi)蔓延的影響是各種因素耦合作用的結(jié)果[1]。Blinov和Khudiakov[2]認(rèn)為通風(fēng)速度對(duì)油池火燃燒特性的影響，受油池直徑和燃料種類、性質(zhì)的影響：當(dāng)風(fēng)速在0～25 m/s范圍內(nèi)增加時(shí)，φ0.1～0.5 m柴油、汽油及煤油池火的燃燒速率增大，而重油的燃燒速率卻不因風(fēng)速的增大而改變，基本保持在一個(gè)恒定的值；Carvel等[3]發(fā)現(xiàn)，隧道大尺度油池火的熱釋放速率，隨風(fēng)速的增加而增大，小尺度油池火的熱釋放速率，卻可能隨風(fēng)速的增大而減??；胡隆華等[4]認(rèn)為大尺度油池火，迎風(fēng)面和背風(fēng)面的溫度增長(zhǎng)速率為常數(shù)；美國(guó)FM 的Tamanini進(jìn)行了大尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，分析了環(huán)境溫度、濕度和通風(fēng)條件對(duì)火災(zāi)發(fā)展的影響[5]；加拿大的Keshavarz等建立了池火輻射模型，分析了北極地區(qū)通風(fēng)條件、溫度、地表反射率等因素對(duì)池火發(fā)展的影響[6]；莊磊[7]利用油池火的雙區(qū)域輻射模型，分析了通風(fēng)條件下池火的熱傳遞規(guī)律；童琳等[8]進(jìn)行了有風(fēng)條件下航空煤油池火特性的研究；楊暉等[9-14]分別利用計(jì)算機(jī)模擬、全尺寸實(shí)驗(yàn)和模型試驗(yàn)方法，針對(duì)中庭建筑、地鐵車站、隧道等不同結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行了通風(fēng)條件下火災(zāi)蔓延規(guī)律的研究，對(duì)防火排煙系統(tǒng)性能化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持；顏峻[15]認(rèn)為池火的熱輻射受到火焰參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、液池直徑等多種因素的影響，因此熱輻射影響下池火的安全距離也不斷變化?？偨Y(jié)以上已有研究成果，大多是基于單火源進(jìn)行的，本文選取下襯100 mL水墊層的φ205 mm柴油作為主火源和待引燃燃料，以受限空間雙火源作為研究對(duì)象，在斷面平均風(fēng)速分別為0，0.2，0.5，1 m/s的條件下進(jìn)行火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，分析不同通風(fēng)條件下，柴油池火的火焰溫度、熱輻射以及噴濺現(xiàn)象等燃燒特性和引燃目標(biāo)火源并導(dǎo)致火災(zāi)蔓延的熱傳遞規(guī)律，實(shí)驗(yàn)間溫度平均保持在10.5±1 ℃，濕度約為43%±5%。

1　實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇罱?/h2>

本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭黧w尺寸為6 m × 1.5 m × 2 m，尺寸為1 m×1 m的通風(fēng)口位于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪┒恕?shí)驗(yàn)采用2個(gè)直徑為205 mm的不銹鋼圓盆，其中主燃燒盆位于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭行奈恢?，?00 mL 0#柴油+100 mL水墊層作為主燃料；輔油盆位于主油盆的下風(fēng)側(cè)，以100 mL 0#柴油+100 mL水墊層作為待引燃燃料。加入水墊層的目的，一方面對(duì)油盆起到防護(hù)作用；另一方面，用以模擬實(shí)際油罐下部沉淀有水墊層并可能引發(fā)的油池火噴濺現(xiàn)象。水墊層的厚度對(duì)柴油池火燃燒特性的影響將另行討論。本文以主燃燒油盆直徑D的0.2倍依次增加2個(gè)油盆邊緣之間的距離，即從41 mm依次增加到82，123，164，205 mm，分析不同風(fēng)速條件下柴油池火的燃燒特性和引燃特性。分別在距離油面0.02，0.25，0.5，1 m處布置10#(1#)，5#(2#)，9#(7#)，8#(3#)熱電偶，以及以主燃燒油盆為中心的兩側(cè)1.5 m高度處布置4#、6#熱電偶，以監(jiān)測(cè)柴油池火火焰溫度和煙氣溫度變化。在主油盆上方500 mm高度、距離主油盆中心水平距離250 mm位置布置1#、2#熱流計(jì)用以測(cè)試火焰熱輻射強(qiáng)度，在與輔油盆同高度、距輔油盆中心250 mm位置布置5#、6#熱流計(jì)，用來測(cè)試輔油盆接收到的熱輻射，5#、6#熱流計(jì)與主油盆中心的水平間距隨輔油盆與主油盆間距的增加而增加，實(shí)驗(yàn)布置見圖1。

圖1　實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜏y(cè)點(diǎn)布置Fig.1　Test modeland measurement point lay out

2　不同通風(fēng)條件下池火的燃燒特性

2.1　通風(fēng)對(duì)質(zhì)量損失速率的影響

在點(diǎn)火后120 s開啟排煙風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到不同實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿嗝嫫骄L(fēng)速條件下柴油燃燒的質(zhì)量損失速率，如圖2所示。

圖2　不同風(fēng)速下柴油的質(zhì)量損失速率Fig.2　Mass loss rate under various wind velocity

由圖2可見，在火災(zāi)的初起階段，各工況柴油的質(zhì)量損失速率均較小。燃燒進(jìn)行到130 s以后，柴油池火進(jìn)入充分發(fā)展階段，其質(zhì)量損失速率呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。并且，在無風(fēng)環(huán)境中，柴油池火的質(zhì)量損失速率大于風(fēng)速為0.2，0.5 m/s下的質(zhì)量損失速率，但小于1 m/s下的質(zhì)量損失速率。無風(fēng)條件下，200 s左右池火熄滅，而風(fēng)速為0.2，0.5，1 m/s時(shí)柴油池火的熄滅時(shí)間分別為210，254，237 s。無風(fēng)和1 m/s條件下，柴油池火進(jìn)入充分發(fā)展階段的時(shí)間要早于0.2，0.5 m/s的情況。說明當(dāng)風(fēng)速?gòu)臒o風(fēng)增加到0.5 m/s的時(shí)候，風(fēng)速的增加造成的對(duì)流換熱損失的影響更大，因此池火進(jìn)入充分發(fā)展階段的時(shí)間較晚，但火災(zāi)持續(xù)的時(shí)間增長(zhǎng)，這個(gè)現(xiàn)象可以從池火熄滅后，油盆中燃料剩余的情況得到佐證，如圖3所示?？梢钥闯?，0.5 m/s情況下柴油燃燒得最為充分，0.2，1 m/s情況下燃燒剩余的燃料較多，無風(fēng)環(huán)境中柴油燃燒最不完全。

圖3　不同風(fēng)速條件下熄火后油盤剩余燃料情況Fig.3　Fuel leftafter pool fire extinguished under various wind velocity

利用Matlab分析不同風(fēng)速條件下火焰高度和形態(tài)得到：當(dāng)風(fēng)速增加到1 m/s時(shí)，火焰被拉伸的更低，如圖4和圖5所示，燃料接受到的輻射熱反饋增強(qiáng)，促進(jìn)了柴油的熱解。隨著燃料接受到的熱反饋的增加，池火的沸溢和噴濺現(xiàn)象加劇，這也是造成1 m/s情況下柴油池火質(zhì)量損失速率增加和火勢(shì)蔓延加劇的重要原因之一。同時(shí)，1 m/s的通風(fēng)為燃燒區(qū)域卷吸了更多的新鮮空氣，1 m/s通風(fēng)對(duì)燃燒的促進(jìn)作用大于對(duì)流換熱損失帶來的負(fù)面影響。

圖4　旺盛階段火焰形態(tài)Fig.4　Flame shape at the developed stage of fire

圖5　火焰高度發(fā)展Fig.5　Flame heightevolution

2.2　通風(fēng)對(duì)火焰溫度的影響

不同風(fēng)速條件下，火源正上方20 mm處10#測(cè)點(diǎn)火焰溫度最高，如圖6所示。由圖6可以看出，無風(fēng)條件下，柴油池火火焰溫度在45 s左右即達(dá)到最高值750℃以上，之后逐漸降低，旺盛階段火焰平均溫度為600℃左右，200 s左右火焰即告熄滅，這是因?yàn)槊荛]空間的無風(fēng)環(huán)境無法滿足燃料完全燃燒對(duì)氧氣的需求。在0.2 m/s風(fēng)速條件下，雖然火災(zāi)旺盛階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，但期間池火火焰的最高溫度平均僅為550℃左右；當(dāng)風(fēng)速增大到0.5 m/s時(shí)，火焰在50 s以后達(dá)到最高值700℃以上，旺盛階段火焰平均溫度達(dá)650℃左右，這是因?yàn)殡S著風(fēng)速的增大，卷吸進(jìn)來大量的新鮮空氣，滿足了燃料完全充分燃燒的需要。然而，當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大到1 m/s時(shí)，火焰與外界環(huán)境之間的對(duì)流熱損失增強(qiáng)，超過了氧氣供應(yīng)條件改善對(duì)火災(zāi)的促進(jìn)作用，導(dǎo)致旺盛階段火焰最高溫度降低，僅為600℃左右。

圖6　不同風(fēng)速條件下池火火焰溫度發(fā)展Fig.6　Flame temperature at various wind velocity

2.3　通風(fēng)對(duì)熱輻射的影響

實(shí)驗(yàn)過程中，得到不同風(fēng)速條件下主油盤上方500 mm位置處接收到的火焰輻射熱通量的變化情況，如圖7所示。

圖7　不同風(fēng)速條件下池火火焰的輻射熱通量Fig.7　Radiant heat flux at various wind velocity

由圖7可見，無風(fēng)環(huán)境中，火焰的熱輻射通量比通風(fēng)環(huán)境中的熱輻射通量小，風(fēng)速0.2 m/s下的熱輻射通量最大值只能達(dá)到2.5 kW/m2，風(fēng)速為0.5，1 m/s時(shí)，熱輻射通量最大值能達(dá)到3.5 kW/m2，0.5 m/s條件下火焰輻射熱通量達(dá)到峰值的時(shí)間更早。這是因?yàn)橐环矫妫?.5 m/s通風(fēng)對(duì)燃燒的促進(jìn)作用比對(duì)流換熱損失的作用更顯著；另一方面，通風(fēng)加強(qiáng)了火焰與周圍環(huán)境的熱交換，噴濺現(xiàn)象加劇，并伴隨著火焰劇烈的擾動(dòng)。因此，0.5 m/s條件下火焰的溫度更高，火焰輻射熱通量達(dá)到峰值的時(shí)間更早，這樣的通風(fēng)條件對(duì)于火勢(shì)的控制是非常不利的。

3　通風(fēng)條件對(duì)池火引燃特性的影響

采用2個(gè)直徑均為205 mm的油盤，改變2個(gè)油盤之間的間距，進(jìn)行油池火災(zāi)的引燃實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察發(fā)現(xiàn)，在0.2，0.5 m/s的通風(fēng)環(huán)境中，主油盤只能將間距為0.2D以及0.4D的輔油盤引燃，無法引燃間距為0.6D的輔油盤；當(dāng)風(fēng)速增大到1 m/s時(shí)，主油盤能將0.6D及0.8D處的油盤引燃，但不能將距離1D處的油盤引燃。

由實(shí)驗(yàn)觀測(cè)可知，當(dāng)油盆間距為0.2D時(shí)，0.2，0.5，1 m/s風(fēng)速下輔油盆的引燃時(shí)間分別是165, 150，137 s, 因此，隨著風(fēng)速的增大，引燃輔助油盤所需的時(shí)間也隨之縮短。這是由于隨著風(fēng)速的增大，加劇了火焰與周圍環(huán)境的熱交換，使得主燃燒油盤與輔助油盤之間的熱交換明顯加強(qiáng)，輔助油盤接收到的輻射熱通量發(fā)展變化如圖8所示。

圖8　不同風(fēng)速條件下0.2D距離處輔油盤接受到的熱輻射通量Fig.8　Radiant heat flux of supplementary oil pan surface under various wind velocity

因此，隨著風(fēng)速的增加，增大了待引燃油盤被引燃的可能性，縮短了鄰近油盤被引燃的時(shí)間。應(yīng)提高通風(fēng)條件下油盤池火之間的安全間距，防止火勢(shì)的擴(kuò)大和蔓延。

4　結(jié)論

1)在0～1 m/s風(fēng)速條件下，φ205 mm柴油池火的質(zhì)量損失速率隨著風(fēng)速的增加而增大。

2)0.5 m/s風(fēng)速情況下，柴油燃燒的最充分，旺盛階段火焰平均溫度最高，火焰熱輻射達(dá)到峰值的時(shí)間提前，說明0.5 m/s通風(fēng)對(duì)燃燒的促進(jìn)作用占據(jù)主導(dǎo)地位，0.5 m/s風(fēng)速對(duì)本實(shí)驗(yàn)條件下柴油池火的控制不利。

3)1 m/s風(fēng)速條件下，火焰高度降低，下風(fēng)向待引燃火源接收到的熱輻射增強(qiáng)，引燃鄰近油盤的可能性增大并且縮短了引燃時(shí)間。1 m/s通風(fēng)條件下，油盤池火之間的安全間距應(yīng)該提高到1D以上，以防止火勢(shì)的擴(kuò)大和蔓延。

4)φ205 mm柴油池火能夠被引燃的臨界熱輻射值為5 kW/m2，并且需持續(xù)一段時(shí)間后才能夠被引燃，石油化工及危險(xiǎn)化學(xué)品行業(yè)在火災(zāi)防控和應(yīng)急救援過程中，考慮熱輻射通量在時(shí)間上的累積效應(yīng)，應(yīng)通過優(yōu)化控制通風(fēng)排煙方案等措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)火場(chǎng)熱輻射的屏蔽和衰減作用，防止罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故多米諾效應(yīng)的發(fā)生。

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