艦船燃油火災的燃燒速率間接測量實驗研究

張光輝, 夏子潮, 浦金云, 李 昂

(海軍工程大學 動力工程學院, 湖北 武漢 430033)

實驗室安全與環保

艦船燃油火災的燃燒速率間接測量實驗研究

張光輝, 夏子潮, 浦金云, 李 昂

(海軍工程大學 動力工程學院, 湖北 武漢 430033)

采用連通器原理,推導了間接測量燃油火災燃燒速率轉化公式,構建了間接測量系統。根據4種實驗工況測量了直徑40 cm油池燃燒過程中的實時質量變化規律和燃燒速率變化規律,并用理論公式進行驗證。測量結果不受燃燒環境變化影響,測量方法可應用于中大尺度火災實驗研究,解決熱釋放速率實時測量的難題,為有效計算火災的火焰高度、火焰直徑、對外輻射熱量及空氣卷吸量等參數指標提供了技術支撐。

燃燒速率； 間接測量； 燃油火災

火災是艦船生命力的主要威脅,不僅破壞艦船的結構、裝置和設備,而且會對艦員的生命造成傷害[1]。定量研究艦船火災發生原因、蔓延規律和危險度是確保艦船安全使用的重要理論基礎；解決這些理論問題首先需測量燃燒物質的熱釋放速率(heat release rate,HRR)。熱釋放速率是指可燃物燃燒時單位時間內釋放的熱量,是表征火災特性最基本、最重要的參數,決定了火焰高度、火焰直徑、對外輻射熱量及空氣卷吸量[2-3]。熱釋放速率常用的測試方法有失重法、耗氧法和絕熱箱法。這3種方法對于測量小尺度燃油燃燒熱釋放速率比較方便和精確,但是不適用于中大尺度油池火[4]。主要問題是測量平臺搭建困難、經濟性差，且測量精度較低。本文構建了適用于中大尺度油池火燃燒速率間接測量實驗平臺,并進行了驗證實驗研究。通過該實驗研究可以直接計算出熱釋放速率的動態情況,為火災產生的熱輻射、煙氣濃度等特性參數計算提供技術支撐,解決船舶、化工等消防設計實驗驗證,以及消防訓練操演、決策應用等問題[5-8]。

1 熱釋放速率實驗原理和系統組成

1.1 實驗原理

實驗原理如圖1所示,假設中大尺度油池的表面積為S。油池下部為水層,水層上是一定厚度的正庚烷。橫截面積為s的敞口小容器置于電子天平上的升降臺表面,電子天平的數據傳輸到采集系統終端,采用不銹鋼引壓管(入口距油池燃油表面h)將中大尺度油池與敞口小容器底部相連,形成自由流動的連通器系統。當中大尺度油池的正庚烷開始燃燒后,油面不斷下降,同時敞口小容器中的水位也會持續下降。

圖1 間接測量系統原理

則,初始時刻的壓力平衡關系式為

ρ1gh1+ρ2gh2=ρ0gh0

經過Δt時間后,壓力平衡關系式為

實驗過程中,油池中正庚烷的質量變化量為

敞口小容器中水的質量變化量為

故

因此,只需要測量與中大尺度油池火相連通的外部小容器的質量變化,就能得到中大尺度油池燃料的燃燒速率,且測量值與燃燒過程中油池水溫和油溫升高引起的密度變化無關。

1.2 系統組成

該油池火燃燒速率測量驗證系統包括3部分：油池火燃燒測量系統、外接小容器測量系統和數據采集系統。油池火燃燒系統如圖2所示,用于測量油池火的真實燃燒速率,包括不銹鋼油盤(直徑

40 cm,深度10 cm,中心底部孔直徑20 mm)；電子天平(量程64 kg,精度0.1 g)。

圖2 油池火燃燒測量系統

外接小容器測量系統如圖3所示,用于測量與油池連接的敞口小容器的質量損失速率,包括不銹鋼小容器(直徑10 cm和5 cm,高度7 cm,中心底部孔直徑12 mm)；空壓管(長度5 m,外徑12 mm,內徑8 mm)；電子天平(量程36.2 kg,精度0.1g)。

圖3 外接稱重系統

數據采集系統(見圖4)用于實時記錄油池和敞口小容器的質量變化、測量燃燒前后油池水層溫度的變化、記錄實驗過程圖像,包括單反相機(Nikon D200)、熱電偶及采集器(1 mm熱電偶)、USB串口線、數據采集軟件和筆記本計算機。

圖4 數據采集系統

2 實驗方法

2.1 實驗工況

本實驗共有4組驗證實驗工況,如表1所示。實驗使用直徑為10 cm敞口小容器。燃油為正庚烷,燃料層初始厚度控制在1.0～1.2 cm,底部水層厚度約為5.5 cm,燃燒時間約250 s。

表1 實驗驗證工況

2.2 實驗步驟

(2) 測試稱重系統,確保電子天平工作正常;

(3) 向大油池中加入約5.5 cm厚度水層;

(4) 調節小容器下方的手動升降平臺,使小容器中水層厚度大致在5.5 cm左右;

(5) 等待一段時間,直到油池與小容器的質量不變,系統達到穩定;

(6) 電子天平全部調零,數據采集系統開始啟動;

(7) 向大油池中迅速加入1 000 g左右正庚烷;

總之，高校作為人才培養的重要陣地，必須緊跟時代發展的步伐，迎接大數據時代發展帶來的機遇和挑戰。加快高校學生管理信息化建設的步伐，才能在充分發揮大數據價值的基礎上，促進高校學生管理信息化數據分析能力的不斷提升，為培養符合社會發展需求的綜合型應用人才奠定堅實的基礎。

(8) 等待2個電子天平的示數重新平衡后,點燃油池;

(9) 采集2個天平的數據;

(10) 油池火熄滅后,等待電子天平數據到達穩定后停止采集數據;

(11) 測量水層溫度;

(12) 分析數據,準備下一次實驗。

3 實驗結果

3.1 工況1的實驗結果

實驗工況1。圖5和圖6給出了油池火及小容器質量及失重速率隨時間的變化規律。小容器的失重速率已經通過公式換算成油池的失重速率。工況1中油池快速注油之后,沒有等待系統達到穩定,直接點火。從圖6可以看到,小容器需要比較長的時間才能響應油池中質量的減小,但是2者在穩態燃燒段符合得很好。

圖5 油池與小容器的實時質量

圖6 油池與小容器的實時燃燒速率

3.2 工況2的實驗結果

實驗工況2。圖7和圖8給出了油池火及小容器重量及失重速率隨時間的變化規律。當油池點火后,小容器下的電子天平需大約50 s響應到油池火的燃燒。圖8表明,兩者在穩定段具有較好的吻合性。小容器稱重數據計算得到的油池火燃燒速率在400～ 500 s有較小的波動,可能原因是由于管路略微漏水。

圖7 油池與小容器的實時質量

圖8 油池與小容器的實時燃燒速率

3.3 工況3的實驗結果

實驗工況3。圖9和圖10給出了油池火及小容器重量及失重速率隨時間的變化規律。可以看到,油池從注油到達穩定需要約100 s。點火后,小容器失重速率曲線滯后于油池火失重速率曲線約30 s。油池點火后約130 s達到穩態燃燒。實驗結果表明,油池真實失重速率和使用小容器失重速率得到的油池失重速率吻合得非常好。另外,測量表明油池水層表面溫度從點火前的23 ℃升高為45 ℃。這說明燃燒過程中油池水層溫度及水的密度發生了顯著變化,但是本文的測量燃燒速率方法給出了可靠的結果。

圖10 油池與小容器的實時燃燒速率

3.4 工況4的實驗結果

實驗工況4。圖11和圖12給出了油池火及小容器重量及失重速率隨時間的變化規律,2組燃燒速率曲線吻合得很好。

圖11 油池與小容器的實時質量

圖12 油池與小容器的實時燃燒速率

4 實驗分析

在火災研究中,一般最關注穩態段的平均燃燒速率[9]。表2給出了4種工況下油池火穩態段的燃燒速率結果。結果表明,各個工況下2個燃燒速率曲線的穩態區間基本重合,油池火的穩態燃燒速率具有很好的重復性,平均值為4.60 ± 0.22 g/s。小容器數據計算得到的油池火燃燒速率為4.54 ± 0.22 g/s。2種測量方法得到的油池火穩態段失重速率最大誤差小于3%。因此,本文提出測試方法可以應用于中大尺度油池火燃燒速率的間接測量,具有較高的精度。

表2 穩定段燃燒速率結果比較

5 結論

在實驗的基礎上,得出以下研究結果:

(1) 發展了一種基于連通器原理的油池火燃燒速率間接測量系統。理論分析表明,油池燃燒速率和外部小容器失重速率成正比,比例系數只是兩種容器表面積之比。油池燃燒過程中的水溫和油溫升高對測量結果沒有影響。

(2) 小容器失重速率與油池真實燃燒速率存在一定的時間滯后,滯后時間約30 s。

(3) 油池穩態段的真實燃燒速率與利用小容器失重速率換算得到的燃燒速率非常接近,最大相對誤差小于3%。

)

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Experimental study on indirect measurement of burning velocity for ship oil fire

Zhang Guanghui, Xia Zichao, Pu Jinyun, Li Ang

(College of Power Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

The principle of the connected devices is used to derivate the transformation formula of indirect measurement for the burning velocity of oil fire and set up an indirect measurement system. Based on 4 kinds of experimental working conditions,the changing laws of the real time mass and the burning velocity in the burning process in a 40cm diameter oil pool are measured and the theoretical formulae is used to prove the laws. The measurement results are not affected by the burning environment and the measurement methods can be used for the experimental research on medium and large fires so as to solve the problem of real time measurement of the heat releasing rate and provide technical support for the parameters of effective calculation of the flame height,flame diameter,external radiation heat,the air entrainment,etc.

burning velocity; indirect measurement; oil fire

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.065

2016-10-11 修改日期：2016-12-06

國家自然科學基金項目(51206157)

張光輝(1979—),男,湖北大悟,博士,講師,主要研究方向為船舶消防技術與工程研究

E-mail：41964730@qq.com

浦金云(1961—),男,江蘇江陰,博士,教授,主要研究方向為艦艇安全工程與技術.

E-mail：zghshining@sina.com

X928.1

A

1002-4956(2017)4-0257-05