不同場景下槽罐車火災(zāi)的數(shù)值模擬研究

曹雅婷 高 月

（安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南232001）

0 引言

化工產(chǎn)品的運(yùn)輸是企業(yè)生產(chǎn)不可缺少的環(huán)節(jié)，每一天都有大量的車輛在運(yùn)輸危險化學(xué)物品，其中就包括槽罐車對易燃液體的運(yùn)輸。在運(yùn)輸過程中，易燃液體的意外泄漏和起火經(jīng)常會引起一系列的災(zāi)難性事件，造成運(yùn)輸路線周圍的人員傷亡和財產(chǎn)損失[1]。因此，對槽罐車在運(yùn)輸易燃液體時發(fā)生的火災(zāi)事故的場景和危害進(jìn)行研究具有現(xiàn)實意義。

不同的原因和環(huán)境條件可以導(dǎo)致不同種類的槽罐車火災(zāi)，其表現(xiàn)的火災(zāi)特征也有顯著的不同。隨著計算機(jī)模擬技術(shù)成熟而發(fā)展起來的數(shù)值模擬和模型實驗相比具有很大的優(yōu)越性。利用Fire Dynamics Simulator(FDS)軟件，以不同場景下的槽罐車火災(zāi)為研究對象，通過對火場特征參數(shù)進(jìn)行分析，得出無風(fēng)和有風(fēng)情況下，槽罐車火災(zāi)對周圍人員和物體的熱輻射影響，確定火災(zāi)事故的影響區(qū)域，可以為槽罐車火災(zāi)事故的預(yù)防、控制提供參考。

1 火災(zāi)場景分析

對易燃液體的公路運(yùn)輸，通常采用槽罐車運(yùn)輸?shù)姆绞健２酃捃嚨幕馂?zāi)和工廠中儲罐的火災(zāi)都可以看作是開放空間中的易燃液體火災(zāi)[2]。然而，槽罐車火災(zāi)有大型儲罐火災(zāi)不具備的特殊特性。由于易燃液體的固有性質(zhì)，生產(chǎn)、儲存、使用這些物質(zhì)的企業(yè)一般都會在選址過程將工廠建在周圍人員較少的偏遠(yuǎn)地區(qū)，并且通過設(shè)置防火堤、增加安全距離等方式對儲罐火災(zāi)的風(fēng)險進(jìn)行有效控制。和工廠內(nèi)固定的儲罐相比，在對易燃液體進(jìn)行運(yùn)輸時，槽罐車的路線受公路路網(wǎng)的限制，有時會非常接近甚至穿過居民的活動區(qū)域[3]。槽罐車發(fā)生火災(zāi)事故時周圍的人員和財產(chǎn)分布狀況是無法預(yù)測的。

導(dǎo)致槽罐車火災(zāi)事故的原因是多方面的。首先，易燃液體閃點(diǎn)低，容易被點(diǎn)燃，在運(yùn)輸和裝卸過程中，易產(chǎn)生靜電積聚，產(chǎn)生電火花。其次，槽罐車本身重心較高，罐內(nèi)液體在汽車轉(zhuǎn)彎、剎車時會發(fā)生晃動，影響車輛穩(wěn)定性。再加上運(yùn)輸線路較長，車輛較多，多變的天氣和路面狀況使槽罐車容易發(fā)生交通事故，與其它車輛相撞或側(cè)翻，導(dǎo)致易燃液體泄漏、濺灑。車上人員和裝卸人員缺乏安全意識、違規(guī)操作，在遇到液體泄漏或著火的情況時也無法進(jìn)行正確及時的應(yīng)急處置，加大了槽罐車火災(zāi)事故的嚴(yán)重程度。

起火原因和環(huán)境的不同，可以導(dǎo)致不同種類的池火災(zāi)。如果易燃液體被碰撞導(dǎo)致的電火花點(diǎn)燃，產(chǎn)生的巨大熱量會使易燃液體上方的空氣迅速膨脹，巨大的壓力會破壞槽罐車罐體，繼而使燃燒暴露于開放環(huán)境之內(nèi)，形成罐內(nèi)池火災(zāi)。當(dāng)槽罐車發(fā)生側(cè)翻時，易燃液體會從罐體破損處泄漏濺灑出去。泄漏后的液體受到地形或障礙物的限制形成液池。當(dāng)液池遇點(diǎn)火源被引燃時，就形成了罐外池火。這兩種場景都是開放空間環(huán)境中的池火災(zāi)，液池在燃燒時可以得到充足的空氣供應(yīng)，燃燒產(chǎn)生的煙氣可以自由擴(kuò)散，熱輻射是造成人員損傷的首要機(jī)制。

2 火災(zāi)模型的建立

2.1 計算場景

罐體內(nèi)直接起火和泄漏后形成液池起火是槽罐車火災(zāi)的兩種基本形式。罐體內(nèi)直接起火的情況下，液池面積受罐體體積和截面積的限制，且有罐壁的阻擋作用，燃燒的表面距地面有一定高度。泄漏形成的液池是非受限的，液池面積受泄漏量、地面種類以及地形的限制，同時還與起火時間有關(guān)。本文假設(shè)槽罐車內(nèi)的易燃液體是庚烷，分別在無風(fēng)和有風(fēng)的條件下對罐內(nèi)火災(zāi)和罐外火災(zāi)這兩種場景進(jìn)行模擬：

場景一，罐內(nèi)火災(zāi)：槽罐車內(nèi)部的庚烷由于碰撞、電火花等原因被引燃，著火后罐頂被直接掀翻，庚烷暴露在空氣中，形成油罐全面積池火。由于燃燒的主體是罐體內(nèi)的庚烷，車頭以及支撐槽罐的車架對火災(zāi)特性相關(guān)參數(shù)影響較小，模擬中只對罐體建模，液池面積相當(dāng)于罐內(nèi)液體的上表面面積。

場景二，罐外火災(zāi)：槽罐車行駛過程中出現(xiàn)交通事故，發(fā)生側(cè)翻，罐體破裂，罐內(nèi)庚烷泄漏后沿地面擴(kuò)散，形成液池。精確地確定起火時液池面積在實際運(yùn)用中有困難，根據(jù)不同資料中的公式非受限液池面積的變動范圍很大，考慮實際情景中地形的限制，假定液池面積達(dá)到100m2時，遇引火源被點(diǎn)燃。

2.2 火源設(shè)定

FDS可以通過為燃燒表面指定一個固定的單位面積熱釋放速率來設(shè)定火源。

庚烷的單位面積熱釋放速率可以由下式確定[4]

q——單位面積熱釋放速率

Δhc——燃燒熱，kJ/kg

mf——液體的最大燃燒速率，kg/(m2·s)

k——火焰的吸收衰減系數(shù)，m-1

β——平均光線長度校正系數(shù)

D——燃燒表面的直徑，m

相關(guān)文獻(xiàn)給出的庚烷相關(guān)參數(shù)如表1所示[5]

表1 庚烷的燃燒特性參數(shù)

對于非圓形的燃燒表面，D可以由當(dāng)量直徑代替，場景一與場景二的直徑分別為3.91m和11.28m。計算得出的場景一與場景二的單位面積熱釋放速率為4423.6kW/m2和4484.4kW/m2。

2.3 FDS模擬相關(guān)參數(shù)確定

FDS模擬中需要設(shè)定模擬區(qū)域，網(wǎng)格數(shù)，物體大小、位置，材料屬性等相關(guān)參數(shù)，還需要對各個物體和網(wǎng)格設(shè)定邊界條件。無風(fēng)條件下，除地面外其它5個邊界都設(shè)為OPEN。通過設(shè)置邊界條件可以模擬出風(fēng)速不為0的場景。本文中，根據(jù)某市年平均風(fēng)速，設(shè)定風(fēng)速為2.9m/s，方向恒定。兩種場景的FDS參數(shù)設(shè)定如表2。模擬時間均為120s。

表2 不同火災(zāi)場景下的FDS參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 火焰幾何參數(shù)

FDS模擬得到的火焰高度及由經(jīng)驗公式得出的火焰高度如表3[6-7]。開放空間中的大尺寸易燃液體火災(zāi)與普通穩(wěn)態(tài)燃燒不同，它的火焰會呈現(xiàn)周期性地波動。在FDS模擬中也可以觀察到火焰的抖動現(xiàn)象。利用火焰中心位置的單位體積熱釋放率切片文件判斷火焰高度，可以看出，無風(fēng)時，罐外池火的底部直徑更大，火焰高度也更高。將火焰形狀等效為圓柱體，罐外池火的體積約為罐內(nèi)池火的18倍。

表3 火焰高度

3.2 火場溫度

圖1和圖2分別為罐內(nèi)火災(zāi)和罐外火災(zāi)的火焰溫度切片文件。無風(fēng)時罐內(nèi)池火和罐外池火的最高溫度分別為965℃和1000℃，兩者差別不大。高溫集中在火焰的1/3處，燃料表面部分由于氧氣濃度較低，導(dǎo)致不完全燃燒，因此溫度相對較低。而火焰上部，由于大尺寸池火燃燒的紊流現(xiàn)象，導(dǎo)致了高溫區(qū)不連續(xù)。在火焰直徑較大的罐外池火災(zāi)中這種現(xiàn)象更為明顯。

圖1 罐內(nèi)火災(zāi)火焰溫度

圖2 罐外火災(zāi)火焰溫度

以人眼的特征高度為基準(zhǔn)將熱電偶分別布置在高為1.5m的順風(fēng)和逆風(fēng)位置，同一方向測點(diǎn)間間隔為1m。模擬結(jié)果表明測點(diǎn)的溫度基本隨與火源距離的增大而減小。其中，罐外池火測得的最高溫度是418.2℃，而罐內(nèi)池火由于罐壁的遮擋作用，溫度隨距離呈現(xiàn)先上升后下降的現(xiàn)象，測點(diǎn)的最高溫度為76.1℃。

3.3 火災(zāi)輻射

圖3和圖4顯示的是水平方向上目標(biāo)點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度的數(shù)值模擬結(jié)果以及經(jīng)驗公式計算結(jié)果[8-9]。可以看出，隨著距離增加，目標(biāo)處所受熱輻射迅速減小，無風(fēng)狀況下，模擬結(jié)果與經(jīng)驗公式能夠較好的相符。罐外池火對周圍的熱輻射要明顯高于罐內(nèi)池火。罐內(nèi)火災(zāi)中熱輻射最大值沒有出現(xiàn)在距儲罐最近的測點(diǎn)上，這主要是罐壁上沿部分的遮擋作用導(dǎo)致的，這與溫度上出現(xiàn)的先升高后下降現(xiàn)象也表現(xiàn)一致。

圖3 罐內(nèi)火災(zāi)情境中的熱輻射強(qiáng)度

圖4 罐外火災(zāi)情景中的熱輻射強(qiáng)度

從上下風(fēng)向與無風(fēng)狀況的對比可知，有風(fēng)時，各測點(diǎn)所受輻射強(qiáng)度相比無風(fēng)時有所都提高。下風(fēng)方向和上風(fēng)方向相比，測得的最大輻射強(qiáng)度有了顯著的提高，罐內(nèi)火災(zāi)中，上下風(fēng)向測得最大輻射強(qiáng)度相差了20kW/m2，在罐外火災(zāi)中，更是達(dá)到了60kW/m2。隨著水平方向上與火源中心距離的增長，上下風(fēng)向相同距離測得的熱輻射強(qiáng)度的差距逐漸減小，并且與無風(fēng)情況下的熱輻射強(qiáng)度基本一致，證明風(fēng)速對火焰的熱輻射傳播的影響作用隨水平距離的增加而減小，在相對遠(yuǎn)的距離上這種影響已經(jīng)很微小。

3.4 安全距離

大尺寸開放空間的易燃液體池火的首要傷害機(jī)制就是熱輻射。熱輻射可以造成設(shè)備損壞，引起人員傷亡，不同熱輻射造成的損害如表4所示[10]。如果以表4內(nèi)所示的熱通量準(zhǔn)則作為判斷標(biāo)準(zhǔn)來確定槽罐車火災(zāi)的影響范圍，那么從FDS模擬結(jié)果可以得出如表5所示的死亡（37.5kW/m2）、重傷（25kW/m2）、輕傷（12.5kW/m2）半徑。

表4 不同熱輻射造成的傷害和損失

表5 槽罐車火災(zāi)影響范圍

從模擬結(jié)果可以看出，罐外火災(zāi)比罐內(nèi)火災(zāi)的破壞范圍更大，有風(fēng)時的影響范圍比無風(fēng)時的影響范圍更大。危害最小的情況是無風(fēng)時的罐內(nèi)池火，其產(chǎn)生的熱輻射只會在一定水平范圍內(nèi)引起人的輕傷，而影響最大的是罐外池火造成的對下風(fēng)方向目標(biāo)的傷害，在一定范圍內(nèi)已經(jīng)可以造成人員死亡。造成這種情況的原因主要是，雖然易燃液體的總量一致，但泄漏導(dǎo)致易燃液體的表面積增大，產(chǎn)生的池火火焰直徑就更大，總輻射量就隨之增大。以人的特征高度1.5m進(jìn)行分析，罐外火災(zāi)發(fā)生在高度相當(dāng)于0m的地面上，而罐內(nèi)火災(zāi)發(fā)生時燃燒面的高度在2m左右，由于火焰的熱量是伴隨著熱煙羽向上運(yùn)動的，因此位于火源面以下受到罐壁遮擋的人體的熱量明顯少于暴露在火羽流側(cè)旁的熱量，這種效果在有風(fēng)的時候更為明顯。因此，在槽罐車火災(zāi)事故現(xiàn)場中要特別注意下風(fēng)方向人員的防護(hù)。

4 結(jié)論

通過對不同事故場景下的槽罐車火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）槽罐車火災(zāi)產(chǎn)生的熱輻射對周邊人員的生命安全構(gòu)成威脅，和工廠內(nèi)儲罐火災(zāi)相比，它發(fā)生的原因、時間、地點(diǎn)更加具有不確定性，火災(zāi)類型更加多樣。

（2）對比熱通量傷害準(zhǔn)則，側(cè)翻、泄漏、濺灑導(dǎo)致的罐外火災(zāi)的影響范圍比罐內(nèi)火災(zāi)的影響范圍更大；有風(fēng)時下風(fēng)向目標(biāo)處的熱輻射有明顯的增加。

（3）在人體特征高度1.5m處，溫度、熱輻射強(qiáng)度隨與火源中心距離的增加而增加；無風(fēng)情況下，由于罐壁的遮擋效應(yīng)，和距離罐壁較遠(yuǎn)處相比，在靠近罐壁有減小的現(xiàn)象。

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