不同通風條件下柴油池火的實驗研究*

張培紅，張 怡，張云栗

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

0　引言

通風對油池火災燃燒特性及火災蔓延的影響是各種因素耦合作用的結果[1]。Blinov和Khudiakov[2]認為通風速度對油池火燃燒特性的影響，受油池直徑和燃料種類、性質的影響：當風速在0～25 m/s范圍內增加時，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速的增大而改變，基本保持在一個恒定的值；Carvel等[3]發現，隧道大尺度油池火的熱釋放速率，隨風速的增加而增大，小尺度油池火的熱釋放速率，卻可能隨風速的增大而減小；胡隆華等[4]認為大尺度油池火，迎風面和背風面的溫度增長速率為常數；美國FM 的Tamanini進行了大尺寸火災實驗，分析了環境溫度、濕度和通風條件對火災發展的影響[5]；加拿大的Keshavarz等建立了池火輻射模型，分析了北極地區通風條件、溫度、地表反射率等因素對池火發展的影響[6]；莊磊[7]利用油池火的雙區域輻射模型，分析了通風條件下池火的熱傳遞規律；童琳等[8]進行了有風條件下航空煤油池火特性的研究；楊暉等[9-14]分別利用計算機模擬、全尺寸實驗和模型試驗方法，針對中庭建筑、地鐵車站、隧道等不同結構形式，進行了通風條件下火災蔓延規律的研究，對防火排煙系統性能化設計提供了技術支持；顏峻[15]認為池火的熱輻射受到火焰參數、環境參數、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以上已有研究成果，大多是基于單火源進行的，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象，在斷面平均風速分別為0，0.2，0.5，1 m/s的條件下進行火災實驗，分析不同通風條件下，柴油池火的火焰溫度、熱輻射以及噴濺現象等燃燒特性和引燃目標火源并導致火災蔓延的熱傳遞規律，實驗間溫度平均保持在10.5±1 ℃，濕度約為43%±5%。

1　實驗模型的搭建

本實驗模型主體尺寸為6 m × 1.5 m × 2 m，尺寸為1 m×1 m的通風口位于實驗模型的末端。實驗采用2個直徑為205 mm的不銹鋼圓盆，其中主燃燒盆位于實驗模型中心位置，以200 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側，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，一方面對油盆起到防護作用；另一方面，用以模擬實際油罐下部沉淀有水墊層并可能引發的油池火噴濺現象。水墊層的厚度對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1.5 m高度處布置4#、6#熱電偶，以監測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#熱流計用以測試火焰熱輻射強度，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，用來測試輔油盆接收到的熱輻射，5#、6#熱流計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，實驗布置見圖1。

圖1　實驗模型和測點布置Fig.1　Test modeland measurement point lay out

2　不同通風條件下池火的燃燒特性

2.1　通風對質量損失速率的影響

在點火后120 s開啟排煙風機進行實驗，得到不同實驗模型斷面平均風速條件下柴油燃燒的質量損失速率，如圖2所示。

圖2　不同風速下柴油的質量損失速率Fig.2　Mass loss rate under various wind velocity

由圖2可見，在火災的初起階段，各工況柴油的質量損失速率均較小。燃燒進行到130 s以后，柴油池火進入充分發展階段，其質量損失速率呈現快速增長趨勢。并且，在無風環境中，柴油池火的質量損失速率大于風速為0.2，0.5 m/s下的質量損失速率，但小于1 m/s下的質量損失速率。無風條件下，200 s左右池火熄滅，而風速為0.2，0.5，1 m/s時柴油池火的熄滅時間分別為210，254，237 s。無風和1 m/s條件下，柴油池火進入充分發展階段的時間要早于0.2，0.5 m/s的情況。說明當風速從無風增加到0.5 m/s的時候，風速的增加造成的對流換熱損失的影響更大，因此池火進入充分發展階段的時間較晚，但火災持續的時間增長，這個現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?？梢钥闯觯?.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，無風環境中柴油燃燒最不完全。

圖3　不同風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分析不同風速條件下火焰高度和形態得到：當風速增加到1 m/s時，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，促進了柴油的熱解。隨著燃料接受到的熱反饋的增加，池火的沸溢和噴濺現象加劇，這也是造成1 m/s情況下柴油池火質量損失速率增加和火勢蔓延加劇的重要原因之一。同時，1 m/s的通風為燃燒區域卷吸了更多的新鮮空氣，1 m/s通風對燃燒的促進作用大于對流換熱損失帶來的負面影響。

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

圖5　火焰高度發展Fig.5　Flame heightevolution

2.2　通風對火焰溫度的影響

不同風速條件下，火源正上方20 mm處10#測點火焰溫度最高，如圖6所示。由圖6可以看出，無風條件下，柴油池火火焰溫度在45 s左右即達到最高值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，這是因為密閉空間的無風環境無法滿足燃料完全燃燒對氧氣的需求。在0.2 m/s風速條件下，雖然火災旺盛階段持續時間較長，但期間池火火焰的最高溫度平均僅為550℃左右；當風速增大到0.5 m/s時，火焰在50 s以后達到最高值700℃以上，旺盛階段火焰平均溫度達650℃左右，這是因為隨著風速的增大，卷吸進來大量的新鮮空氣，滿足了燃料完全充分燃燒的需要。然而，當風速繼續增大到1 m/s時，火焰與外界環境之間的對流熱損失增強，超過了氧氣供應條件改善對火災的促進作用，導致旺盛階段火焰最高溫度降低，僅為600℃左右。

圖6　不同風速條件下池火火焰溫度發展Fig.6　Flame temperature at various wind velocity

2.3　通風對熱輻射的影響

實驗過程中，得到不同風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，無風環境中，火焰的熱輻射通量比通風環境中的熱輻射通量小，風速0.2 m/s下的熱輻射通量最大值只能達到2.5 kW/m2，風速為0.5，1 m/s時，熱輻射通量最大值能達到3.5 kW/m2，0.5 m/s條件下火焰輻射熱通量達到峰值的時間更早。這是因為一方面，0.5 m/s通風對燃燒的促進作用比對流換熱損失的作用更顯著；另一方面，通風加強了火焰與周圍環境的熱交換，噴濺現象加劇，并伴隨著火焰劇烈的擾動。因此，0.5 m/s條件下火焰的溫度更高，火焰輻射熱通量達到峰值的時間更早，這樣的通風條件對于火勢的控制是非常不利的。

3　通風條件對池火引燃特性的影響

采用2個直徑均為205 mm的油盤，改變2個油盤之間的間距，進行油池火災的引燃實驗。從實驗現象觀察發現，在0.2，0.5 m/s的通風環境中，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；當風速增大到1 m/s時，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。

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

圖8　不同風速條件下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間。應提高通風條件下油盤池火之間的安全間距，防止火勢的擴大和蔓延。

4　結論

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

2)0.5 m/s風速情況下，柴油燃燒的最充分，旺盛階段火焰平均溫度最高，火焰熱輻射達到峰值的時間提前，說明0.5 m/s通風對燃燒的促進作用占據主導地位，0.5 m/s風速對本實驗條件下柴油池火的控制不利。

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

4)φ205 mm柴油池火能夠被引燃的臨界熱輻射值為5 kW/m2，并且需持續一段時間后才能夠被引燃，石油化工及危險化學品行業在火災防控和應急救援過程中，考慮熱輻射通量在時間上的累積效應，應通過優化控制通風排煙方案等措施，實現對火場熱輻射的屏蔽和衰減作用，防止罐區火災爆炸事故多米諾效應的發生。

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