水平開(kāi)口有限空間油池火燃燒特性分析

陳兵，張世奇，時(shí)訓(xùn)先，黎昌海，陸守香

1 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京100012

2 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230027

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，海上貿(mào)易作為低成本的貿(mào)易方式受到廣泛重視，航運(yùn)業(yè)迎來(lái)大發(fā)展時(shí)期。船舶作為大型運(yùn)輸工具，內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)施設(shè)備密集且可燃物眾多。而火災(zāi)作為船舶常見(jiàn)的災(zāi)害事故，處置難度極大，且外部救援力量難以到達(dá)，嚴(yán)重威脅著船舶安全。

船舶艙室內(nèi)部空間是典型的有限空間，火災(zāi)發(fā)生時(shí)室內(nèi)外氣體通過(guò)開(kāi)口進(jìn)行交換，決定了可供燃燒的氧氣量和流出的煙氣量，因而對(duì)火災(zāi)發(fā)展過(guò)程和撲救方法起決定性的影響。Kawagoe［1］通過(guò)研究地上建筑內(nèi)木垛火的燃燒特性，總結(jié)提出了通風(fēng)因子的定義，即在一定通風(fēng)因子范圍內(nèi)，燃燒速率與空氣流入速率成正比。Thomas 等［2-3］和Babrauskas 等［4-6］利用通風(fēng)因子對(duì)艙室火災(zāi)燃燒速率進(jìn)行了表征。

但是，不同于一般的有限空間，船舶艙室往往通過(guò)頂部的水平開(kāi)口與外界環(huán)境連通，導(dǎo)致其火災(zāi)特性與常見(jiàn)的垂直開(kāi)口情況（門(mén)、窗等）不同，因此吸引了眾多研究者的注意并開(kāi)展了相關(guān)研究。Jansson 等［7］和Takeda［8］改變艙室開(kāi)口位置，將開(kāi)口設(shè)置在了艙室頂部中央，研究表明，在該條件下固體火的燃燒始終較為穩(wěn)定，但燃燒速率低于開(kāi)放空間同樣尺寸的固體火災(zāi)。在一個(gè)正方體的模擬艙內(nèi)，Wakatsuki［9］將唯一與外界相通的開(kāi)口設(shè)置在了艙室頂部中央，油池火燃燒實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)開(kāi)口尺寸較小時(shí)，O2濃度下降快，火焰熄滅時(shí)燃料尚未耗盡；隨著艙室頂部水平開(kāi)口尺寸的增大，火焰持續(xù)燃燒，直至燃料完全燃盡。Morehart 等［10-11］針對(duì)頂棚有開(kāi)口的有限空間內(nèi)氣體擴(kuò)散火焰的燃燒規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)O2的體積濃度在14%～16%（火源直徑為0.50～0.089 m）范圍內(nèi)時(shí)，火焰會(huì)因?yàn)槿毖醵詣?dòng)熄滅。在黎昌海［12］、胡靖等［13］和Utiskul 等［14］開(kāi)展的有限空間火災(zāi)實(shí)驗(yàn)中，也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的火焰自熄滅現(xiàn)象。

為了解釋有限空間內(nèi)的火災(zāi)自熄滅現(xiàn)象，Nikitin［15］，Quintiere 和Rangwala［16］建立了基于火焰周邊環(huán)境溫度、起火空間內(nèi)O2濃度和外界熱傳遞的火焰自熄滅臨界條件。Utiskul 等［17-18］計(jì)算了燃燒速率數(shù)值與O2濃度和空間環(huán)境熱反饋的關(guān)系，結(jié)果顯示與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的一致性較好。李強(qiáng)［19］和李田成［20］對(duì)有限空間內(nèi)的火場(chǎng)溫度分布、煙氣流動(dòng)規(guī)律和燃燒特性進(jìn)行了研究，描述了頂部開(kāi)口處氣體流動(dòng)模式對(duì)艙內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響。李杰等［21］系統(tǒng)分析了不同載荷條件下船舶火災(zāi)的特殊性。

從以上研究結(jié)果可以看出，前人主要關(guān)注的是頂部開(kāi)口有限空間內(nèi)的火焰蔓延過(guò)程，并描述了火焰因缺氧而導(dǎo)致的自熄滅現(xiàn)象。但在頂部水平開(kāi)口位置、開(kāi)口尺寸等因素發(fā)生改變后，有關(guān)其對(duì)艙室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展模式、燃料質(zhì)量損失速率的影響方面，研究尚不充分，對(duì)有限空間火災(zāi)燃燒特性的認(rèn)識(shí)并不全面。因此，本文將針對(duì)船舶頂部水平開(kāi)口有限空間火災(zāi)發(fā)展過(guò)程、特點(diǎn)和演變規(guī)律進(jìn)行研究，以指導(dǎo)船舶防火設(shè)計(jì)及火災(zāi)撲救工作的有效實(shí)施，減少并控制火災(zāi)事故。

1 研究方案

本文利用頂部開(kāi)口船舶艙室模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)艙尺寸為1 m×1 m×0.75 m（長(zhǎng)×寬×高），其中一側(cè)為光學(xué)玻璃，以便觀察，其他側(cè)面則由鐵板制成，并進(jìn)行絕熱處理。水平開(kāi)口位于頂部一角，呈正方形。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用的開(kāi)口面積從大到小分別為900，625，400，225，100和25 cm2。

圖1 顯示了實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)火源及測(cè)試設(shè)備在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的布置情況。庚烷油池放置在實(shí)驗(yàn)艙底部中央位置處，實(shí)驗(yàn)分別使用了油池直徑D=10，14 和20 cm 這3 種尺寸的圓形油池。為便于控制燃燒過(guò)程并進(jìn)行穩(wěn)定性分析，使用了組分單一、燃燒穩(wěn)定的正庚烷（濃度為98%）作為燃料。油池內(nèi)庚烷的初始厚度為1.3 cm，燃燒過(guò)程中沒(méi)有補(bǔ)充燃料。油池下方放置有一電子秤，測(cè)量范圍為6 kg，測(cè)量精度為0.01 g，可實(shí)時(shí)測(cè)量燃燒過(guò)程中燃料的質(zhì)量變化。為測(cè)量火焰底部附近的氣體組分及其濃度，將氣體濃度檢測(cè)儀的探頭放置到了距油池邊緣0.15 m 位置。通過(guò)調(diào)整開(kāi)口尺寸和油池直徑，實(shí)驗(yàn)工況和結(jié)果如表1 所示。表中，各數(shù)值均為重復(fù)性實(shí)驗(yàn)中得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 火焰熄滅模式

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在不同的開(kāi)口面積和火源條件（不同油池直徑）下，火焰出現(xiàn)了2 種熄滅模式。本文將因O2濃度不足而導(dǎo)致的火焰熄滅稱為“缺氧熄滅”模式，將燃料完全燃燒后造成的火焰熄滅稱為“燃料耗盡熄滅”模式。

2.1.1 “缺氧熄滅”模式

圖2 顯示了火焰“缺氧熄滅”模式下開(kāi)口面積對(duì)油池火燃料消耗量的影響。圖中，Av為水平開(kāi)口面積，mb，ext/m0為燃料消耗率，即火焰熄滅時(shí)通過(guò)燃燒消耗掉的燃料質(zhì)量與初始燃料質(zhì)量之比。燃料消耗率的大小表示燃燒消耗的燃料量。在本文實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)火焰熄滅時(shí)，3 種面積油池火的燃料消耗率在0.35～0.5 范圍內(nèi)，大部分的燃料沒(méi)有燃燒。由圖2 可以看出，在相同火源大小條件下，雖然開(kāi)口面積顯著增大，但燃燒消耗的燃料總量相對(duì)穩(wěn)定，并沒(méi)有明顯增多。D=10 cm 油池火的燃料消耗率在0.3～0.4 范圍內(nèi)變化，D=14 cm 油池火的燃料消耗率從0.15 增加到了0.2。可見(jiàn)在“缺氧熄滅”模式下，火焰熄滅時(shí)油池內(nèi)仍剩余有大量的燃料，增大開(kāi)口面積不會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)規(guī)模明顯變大，且在同樣的實(shí)驗(yàn)艙室尺寸條件下，火源尺寸的影響比較微小。另外需要注意的是，對(duì)于相同尺寸油池，在完全相同的工況下，僅改變初始燃料質(zhì)量，燃料消耗率也會(huì)隨之改變。因?yàn)樵谙嗤墓r下，可以消耗的燃料是一定的，初始燃料多，則燃料消耗率變小；初始燃料少，則燃料消耗率變大。

圖1 實(shí)驗(yàn)布置示意圖及試驗(yàn)臺(tái)實(shí)景圖Fig.1 Schematic diagram of experimental arrangement and experimental setup

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Table 1 Experimental results

圖2 “缺氧熄滅”模式下的燃料消耗率Fig.2 Fuel consumption rate under“oxygen-lack extinguishing”mode

實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，浮力作用會(huì)使煙氣羽流上升，在撞擊艙室頂棚后沿頂棚延展并形成頂棚射流。射流遇到豎直壁面后向下發(fā)展，形成具有一定厚度的煙氣層。隨著燃燒的進(jìn)行和煙氣的逐漸增多，煙氣層不斷變厚，其下邊沿持續(xù)下降。圖3 給出了燃燒過(guò)程中火焰底部附近O2，CO 和CO2等氣體濃度的變化過(guò)程。在D=14 cm 油池火實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)Av=25 cm2時(shí)，點(diǎn)火初期艙室內(nèi)的火災(zāi)煙氣向上流動(dòng)，火源根部附近的氣體濃度未發(fā)生明顯變化。點(diǎn)火20 s 后，火災(zāi)煙氣撞擊實(shí)驗(yàn)艙室頂棚后下降，艙室底部的O2濃度開(kāi)始下降，CO 和CO2的濃度逐漸升高。火焰熄滅時(shí)，空氣中O2濃度降至13.2%，CO的體積濃度達(dá)610×10-6以上。結(jié)果表明，在水平開(kāi)口有限空間火災(zāi)中，煙氣在燃燒的中、后期會(huì)沉降到艙室底部，并被卷吸進(jìn)入火焰參與燃燒。

圖3 火焰根部氣體濃度變化過(guò)程（D=14 cm，Av=25 cm2）Fig.3 Variation of gas volume concentration near the flame root（D=14 cm，Av=25 cm2）

本文研究中，在“缺氧熄滅”模式下，隨著水平開(kāi)口面積的增大，火焰熄滅時(shí)O2濃度從12.8%增加到了16%，但當(dāng)氧氣濃度超過(guò)16%后，火焰將能維持燃燒直至燃料耗盡，火焰熄滅模式變成“燃料耗盡熄滅”模式。

2.1.2 “燃料耗盡熄滅”模式

圖4 氣體濃度隨燃燒時(shí)間的變化過(guò)程（D=10 cm，Av=900 cm2）Fig.4 Variation of gas volume concentration with buring time（D=10 cm，Av=900 cm2）

圖4 給出了D=10 cm，Av=900 cm2工況下，火源根部附近氣體組分濃度的變化過(guò)程。在燃燒初始階段，O2，CO2和CO 的濃度幾乎不變，但在點(diǎn)火25 s 后空氣中CO 和CO2濃度開(kāi)始上升，O2濃度隨之下降，其后保持在16.5%以上直至火焰熄滅。與“燃料耗盡熄滅”模式下的O2濃度變化情況相比，在“缺氧熄滅”模式下，O2濃度隨著燃燒的持續(xù)不斷下降，直至火焰因O2濃度不足而熄滅。

2.2 火焰形態(tài)特征

圖5 “缺氧熄滅”模式下的火焰形態(tài)（Av=225 cm2）Fig.5 Behavior of flame under“oxygen-lack extinguishing”mode（Av=225 cm2）

圖6 “燃料耗盡熄滅”模式下的火焰形態(tài)（Av=900 cm2）Fig.6 Behavior of flame under“fuel-lack extinguishing”mode（Av=900 cm2）

“缺氧熄滅”模式和“燃料耗盡熄滅”模式下的火焰形態(tài)特點(diǎn)鮮明，圖5 和圖6 分別給出了Av=225 和900 cm2條件下D=10 cm 油池的火焰形態(tài)變化過(guò)程。在“缺氧熄滅”模式下，燃燒初期火焰明亮，至穩(wěn)定燃燒階段火焰開(kāi)始呈現(xiàn)出周期性的收縮和膨脹的蘑菇形狀，火焰高度出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)；之后，火焰出現(xiàn)明顯的渦旋，形成螺旋上升型火焰，最終脫離火源，在該形態(tài)下，火焰高度波動(dòng)較小且根部火焰面大小幾乎保持不變，但沿油池中心線有輕微的左右彎曲擺動(dòng)；而在燃燒末期，火焰難以保持在整個(gè)油池面上燃燒，開(kāi)始逐漸脫離油池向上運(yùn)動(dòng)，然后在油池的上方熄滅。在“燃料耗盡熄滅”模式下，在整個(gè)燃燒過(guò)程中火焰始終保持細(xì)長(zhǎng)形態(tài)，清晰可見(jiàn)，直至燃料完全耗盡，且火焰一直在油池表面燃燒。

2.3 燃燒速率

圖7 顯示了D=10 cm 油池火在不同水平開(kāi)口面積條件下燃燒速率的變化。由圖可以看出，燃燒速率與火焰形態(tài)有很強(qiáng)的相關(guān)性，D=10 cm 油池火的燃燒速率在整個(gè)燃燒過(guò)程中波動(dòng)較小。

圖7 不同水平開(kāi)口面積對(duì)油池火燃燒速率的影響（D=10 cm）Fig.7 The influence of different ceiling opening size on burning rate of pool fire（D=10 cm）

在“缺氧熄滅”模式下，燃燒速率經(jīng)歷了快速增長(zhǎng)、維持穩(wěn)定和不斷減小的過(guò)程。隨著水平開(kāi)口面積的增大，穩(wěn)定燃燒階段的質(zhì)量損失速率較為穩(wěn)定，且與開(kāi)放空間中同樣尺寸庚烷油池火的燃燒速率基本一致。可以得出結(jié)論，當(dāng)油池直徑不大時(shí)，盡管由于空間結(jié)構(gòu)的影響導(dǎo)致氧氣濃度減小，但質(zhì)量損失速率并未受到明顯影響；但對(duì)于尺寸更大的油池，有限空間的影響十分明顯，其燃燒速率相比開(kāi)放空間燃燒的幅值大幅減小。

在“燃料耗盡熄滅”模式下，在經(jīng)歷了快速增長(zhǎng)和平穩(wěn)燃燒階段后，燃燒速率再次迅速升高并形成第2 次穩(wěn)定燃燒狀態(tài)。根據(jù)Chen 等［22-23］的研究結(jié)果，可知這2 個(gè)階段分別為過(guò)渡階段和沸騰燃燒階段，其標(biāo)志著油池內(nèi)的燃料出現(xiàn)了整體沸騰現(xiàn)象，此時(shí)質(zhì)量損失速率是穩(wěn)定燃燒時(shí)值的1.5 倍。

但是，在燃燒初期，2 種熄滅模式燃燒速率的變化曲線差異并不明顯，這表明在燃燒初期，艙室內(nèi)的O2含量可以維持池火燃燒處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，相比開(kāi)口面積，火源尺寸對(duì)燃燒速率的影響更明顯。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)改變頂部開(kāi)口面積和油池尺寸，開(kāi)展了頂部開(kāi)口有限空間油池火實(shí)驗(yàn)，并對(duì)火焰熄滅模式、火焰形態(tài)以及燃燒速率等燃燒特性進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

1）基于火焰熄滅的原因，可以將頂部開(kāi)口有限空間火災(zāi)燃燒過(guò)程分為“缺氧熄滅”和“燃料耗盡熄滅”2 種模式。在“缺氧熄滅”模式下，火焰熄滅時(shí)燃料有剩余，僅有部分燃料被消耗掉，且在給定的艙室結(jié)構(gòu)中，隨著油池火尺寸的增大，燃料消耗率減小。火焰在燃燒過(guò)程中卷吸著含氧量不斷降低的煙氣混合物，當(dāng)O2濃度大于16.5%時(shí)，火焰能夠維持燃燒直至燃料耗盡。

2）火焰形態(tài)受火源尺寸和開(kāi)口面積大小的共同作用。在“缺氧熄滅”模式下，火焰明顯呈現(xiàn)出收縮和膨脹的現(xiàn)象；在“燃料耗盡熄滅”模式下，火焰在整個(gè)燃燒過(guò)程中都維持著較為穩(wěn)定的形態(tài)，直至燃料耗盡。

3）在“缺氧熄滅”模式下，相比開(kāi)口面積，火源大小對(duì)燃燒速率的影響更為顯著。在“燃料耗盡熄滅”模式下，由于燃料達(dá)到沸騰燃燒狀態(tài)，火焰燃燒速率再次出現(xiàn)快速增長(zhǎng)和穩(wěn)定燃燒過(guò)程。另外，當(dāng)火源尺寸較小時(shí)，相比開(kāi)放空間的自由燃燒，火災(zāi)在有限空間內(nèi)的燃燒速率并未明顯減小，盡管此時(shí)有可能會(huì)發(fā)生自熄滅現(xiàn)象。