受限空間內(nèi)小尺度油池火行為實(shí)驗(yàn)

劉全義, 朱 博, 鄧 力, 胡 林

(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院民航安全工程學(xué)院， 廣漢 618307)

隨著城市化進(jìn)程的加快，住宅樓、隧道和地鐵等受限空間逐漸增多，油池火具有易燃、熱釋放速率高與火勢(shì)蔓延快的特點(diǎn)，滅火撲救極其困難。在布滿線路的受限空間內(nèi)，容易因?yàn)殡娋€老化、短路等發(fā)生火災(zāi)，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成危害。研究油池火燃燒特性，縮減火災(zāi)報(bào)警時(shí)間意義重大。

油池火火災(zāi)具有燃燒迅速、易擴(kuò)散蔓延的特點(diǎn)，為提高火災(zāi)探測(cè)器的預(yù)警能力，研究人員對(duì)油池火燃燒特性做了大量研究。王志剛[1]在隧道內(nèi)進(jìn)行了柴油池火燃燒特性實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)量和分析不同直徑和柴油深度池火燃燒速率、CO產(chǎn)量以及溫度分布，發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速約為0.3 m/s時(shí)，油池火燃燒速率和CO產(chǎn)量均達(dá)到最大值。蔡昕等[2]進(jìn)行汽油和正庚烷油池火在常壓與低壓環(huán)境下的燃燒特性對(duì)照實(shí)驗(yàn)，得出隨著壓力的減小火焰高度和火焰面積不斷增加，火焰高度與壓強(qiáng)呈冪函數(shù)關(guān)系。許曉元等[3]通過(guò)進(jìn)行不同尺寸油盤食用油池火燃燒特性實(shí)驗(yàn)，得到油池溫度上升曲線近似二次函數(shù)，并通過(guò)計(jì)算得出在不同尺寸油盤下油池火對(duì)應(yīng)的熱釋放速率。Koji等[4]進(jìn)行潤(rùn)滑油池火實(shí)驗(yàn)，研究室內(nèi)的氣體溫度、煙氣濃度等燃燒特性對(duì)電路故障的影響。Tian等[5]研究自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)條件下甲醇池火災(zāi)燃速的變化規(guī)律，得出在自然通風(fēng)條件下，對(duì)流傳熱對(duì)燃燒速率有顯著影響。趙威風(fēng)[6]利用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法，得出狹長(zhǎng)空間內(nèi)可燃物燃燒特性的變化規(guī)律，結(jié)果表明：在不同油盤直徑下各斷面處無(wú)量綱溫升與高斯分布的相似性很高。蔣新生等[7]進(jìn)行了小尺度航空煤油池火燃燒特性實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)燃燒速率是關(guān)于時(shí)間的函數(shù)且可分成五個(gè)階段，而初期是對(duì)火災(zāi)最有效的防控。孔得朋等[8]通過(guò)小尺度沸溢火災(zāi)試驗(yàn)進(jìn)行了原油燃燒速率特性研究，得出燃燒過(guò)程可以分成預(yù)燃—準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒—沸溢燃燒—火焰熄滅4個(gè)燃燒階段，隨著油盤直徑的不斷增大，穩(wěn)定燃燒速率與沸溢燃燒速率也不斷增大。張怡[9]搭建小尺寸的油池火燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，得到油池火的質(zhì)量損失速率隨環(huán)境溫度升高而加大且環(huán)境溫度越高，池火進(jìn)入沸溢噴濺階段所需時(shí)間越短，引燃周圍油盤的風(fēng)險(xiǎn)性就越高。周志輝[10]進(jìn)行了Jet-A航空煤油和正庚烷油池火實(shí)驗(yàn)，得出質(zhì)量燃燒速率正比于壓力的2/3次方，質(zhì)量燃燒速率主要通過(guò)火焰對(duì)油池表面的熱反饋決定，對(duì)流熱反饋是燃料氣化蒸發(fā)的主要原因。蘇琳等[11]研究了汽油、柴油和乙醇三種液體燃料自由燃燒時(shí)的特性，得出汽油火焰高度最高，且三種燃料在120 s以后達(dá)到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)。孫浩[12]設(shè)計(jì)出5種不同特征尺寸的環(huán)形燃燒器，提出在10 mm燃料厚度下，燃燒階段會(huì)隨著環(huán)形油池內(nèi)外徑的增大而逐漸增多。王學(xué)輝[13]進(jìn)行了兩種典型的混合液體的池火燃燒特性實(shí)驗(yàn)，得出共沸液體的燃燒過(guò)程與單組份液體類似，燃燒過(guò)程中混合液體的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，揮發(fā)出的混合液體蒸汽組成也是恒定的。康泉?jiǎng)賉14]進(jìn)行了小尺度非穩(wěn)態(tài)油池火實(shí)驗(yàn)研究，得出非穩(wěn)態(tài)燃燒過(guò)程可以分成預(yù)燃—穩(wěn)定燃燒—沸騰燃燒—衰減熄滅4個(gè)燃燒過(guò)程。孫志友等[15]通過(guò)在風(fēng)速為零的條件下進(jìn)行煤油池火的燃燒特性實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)存在較高油池壁面時(shí)會(huì)導(dǎo)致油池火的燃燒速率較理論值更低。童琳[16]搭建了有風(fēng)條件池火實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，得出在無(wú)風(fēng)條件下油池火燃燒速率隨油池尺寸的增大而增大，在有風(fēng)條件下不同直徑的油池火燃燒速率隨風(fēng)速的增加而單調(diào)遞增。蔡賓斌[17]搭建了流淌火與油池火燃燒特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使用汽油進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)作對(duì)照，得出結(jié)論：流淌火比油池火的火焰高度低，溫度范圍小，且隨著斜面角度的增加，質(zhì)量損失速率越小。雖然上述研究人員對(duì)單種油池火燃燒速率等特性進(jìn)行了大量研究工作，但沒有對(duì)多種典型液體燃料進(jìn)行油池火燃燒特性對(duì)比分析。因此需要對(duì)不同液體燃料進(jìn)行油池火燃燒特性對(duì)比分析，為火災(zāi)探測(cè)器識(shí)別液體火災(zāi)提供數(shù)據(jù)支撐。

在密閉實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行正庚烷、環(huán)己烷和航空煤油燃燒試驗(yàn)，研究三種典型液體燃燒燃料的溫度變化率、燃燒過(guò)程及其生成氣體濃度等火場(chǎng)特性參數(shù)，以期為分析火災(zāi)的燃燒過(guò)程提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

設(shè)計(jì)并搭建受限空間內(nèi)小尺度油池火燃燒特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示。主要由受限空間、煙氣分析儀(OPTIMA7)和K形熱電偶組成。實(shí)驗(yàn)艙尺寸為2.7 m×4.16 m×2 m，且處于常溫、常壓環(huán)境。采用直徑為0.2 m、高為0.1 m的油盆，置于高為1 m的架子上進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)。煙氣分析儀探頭置于距油盆中心70 cm，地面高度140 cm的立桿處，連接數(shù)據(jù)線采集可燃物燃燒產(chǎn)物中的煙氣成分濃度。在距油池上方5 cm處布置6支直徑為1 mm、測(cè)溫范圍在-50～1 200 ℃的K形熱電偶采集可燃物燃燒火焰及煙氣層的溫度，根據(jù)距離油池底部高度，從下而上熱電偶間隔10 cm并依次進(jìn)行編號(hào)為T1～T6，其中T1熱電偶距油池5 cm，T6熱電偶距頂部35 cm。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Experimental platform

實(shí)驗(yàn)采用三種等質(zhì)量(100 g)的典型液體燃料，分別為航空煤油(JET A-1)、正庚烷(≥99%，0.683 g/cm3)及環(huán)己烷(≥99.5%，0.778 g/cm3)，采用電火花點(diǎn)燃方式。由于航空煤油不易被點(diǎn)燃，故用少量正庚烷作為引燃劑。液體燃料被點(diǎn)燃后開始測(cè)量，采集可燃物燃燒煙氣成分濃度以及火焰溫度。為減小誤差，在每組試驗(yàn)完成后，打開通風(fēng)和艙門排出空間內(nèi)熱煙氣，每組試驗(yàn)間隔10 min，待油盤溫度、環(huán)境溫度與大氣濃度恢復(fù)到初始條件后，進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，對(duì)相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃燒溫度分布

受限空間內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)，由于空間不易與外界交換的特點(diǎn)，在短時(shí)間內(nèi)將會(huì)積聚大量熱量、煙氣顆粒以及有毒有害氣體等，對(duì)人的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重危害。Drysdale[18]研究了油池火燃燒特性，得出油池表面附近溫度能夠達(dá)到800 ℃，間歇火焰區(qū)約為320 ℃。現(xiàn)使用六根間距為10 cm、精度為0.01 ℃的K形熱電偶對(duì)正庚烷、環(huán)己烷和航空煤油的燃燒火焰溫度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖2所示。由于火焰一直處于抖動(dòng)狀態(tài)，使得溫度的測(cè)量存在一定誤差，因此，將火焰溫度隨時(shí)間的變化曲線進(jìn)行平滑處理，作出三種燃料火焰溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)的曲線。

圖2 油池火溫度變化曲線Fig.2 Temporal evolution of pool fire burning temperature

從圖2可知，正庚烷與環(huán)己烷燃燒時(shí)溫度變化為迅速增長(zhǎng)—緩慢增長(zhǎng)—緩慢降低過(guò)程，航空煤油為迅速增長(zhǎng)—緩慢降低—較迅速降低過(guò)程。外焰主要集中在高度為35～45 cm處，相對(duì)油池高度為55 cm的T6熱電偶溫度均低于T5，因?yàn)門6熱電偶布置接近受限空間頂部，可將T6溫度視為煙氣溫度，在軸線上火焰溫度具有從焰心到外焰逐漸升高、外焰到煙氣層逐漸降低的特點(diǎn)。而在曲線中部存在一段相對(duì)水平的線段，是因?yàn)轫斉飼?huì)累積一定厚度的熱煙氣層，熱量散失慢，使得T6溫度存在一段較穩(wěn)定時(shí)期。取油池溫度降至室溫為終點(diǎn)，取正庚烷與環(huán)己烷燃燒時(shí)間為600 s，由于航空煤油燃燒穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，取1 000 s。三種燃料地火焰、煙氣、最高溫度如圖3所示。由圖3可知，三種燃料中正庚烷的火焰最高溫度達(dá)到738 ℃，環(huán)己烷的最低為704 ℃。煙氣最高溫度均小于火焰最高溫度，正庚烷燃燒的煙氣溫度最高為670 ℃，環(huán)己烷的最低為627 ℃，航空煤油煙氣與火焰最高溫度差最小且為50 ℃。結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，航空煤油在油池火燃燒中會(huì)產(chǎn)生大量黑煙，煙量多且向上蔓延速率低于正庚烷與環(huán)己烷，導(dǎo)致煙氣層熱量散失較慢，與火焰溫度差較低。說(shuō)明不同液體油池火燃燒產(chǎn)生的煙量及煙氣層蔓延速率不一致。

圖3 火焰及煙氣最高溫度Fig.3 Flame maximum and smoke maximum temperature

對(duì)三種燃料油池火煙氣溫度進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)油池火煙氣溫度較好地滿足高斯分布，擬合公式為

(1)

(2)

(3)

式中：fhep、fcyc、favi為三種燃料油池火煙氣溫度與時(shí)間擬合關(guān)系式；T6為6號(hào)熱電偶溫度；t為時(shí)間。

2.2 溫度變化率

結(jié)合溫度變化與溫度變化率，溫度隨時(shí)間變化為先快速升高、緩慢變化到最后快速降低過(guò)程，發(fā)現(xiàn)可將燃燒階段分為發(fā)展期—穩(wěn)定期—熄滅期，如圖4所示。

圖4 燃燒階段Fig.4 Combustion stages

在整個(gè)燃燒過(guò)程中，正庚烷發(fā)展期溫度急劇升高至638 ℃(t=57 s)，穩(wěn)定期溫度緩慢升高，在t=262 s時(shí)溫度達(dá)到665 ℃，熄滅期溫度變化曲線滿足反比例函數(shù)分布；環(huán)己烷溫度的曲線變化與正庚烷相似；航空煤油溫度急劇增至651 ℃(t=101 s)，穩(wěn)定期在增至最高溫度714 ℃(t=263 s)后緩慢降低，熄滅期溫度曲線也滿足反比例函數(shù)分布。由圖4可知，三種燃料的發(fā)展期時(shí)間占比均接近9.8%，隨著燃燒時(shí)間增加，燃燒進(jìn)入穩(wěn)定期，正庚烷和環(huán)己烷穩(wěn)定期時(shí)間占比30%左右，航空煤油穩(wěn)定期時(shí)間占比超過(guò)50%，熄滅期三種燃料溫度變化率曲線比較相似，為先增大后減小至零的趨勢(shì)；發(fā)展期溫度變化率如圖5所示，正庚烷在t=13 s時(shí)，變化率最大為20.5 ℃/s，環(huán)己烷在t=10 s時(shí)，變化率最大為22.0 ℃/s，航空煤油在t=16 s時(shí)，變化率最大為17.2 ℃/s；可以看出環(huán)己烷溫度變化率最大，發(fā)展期溫度升高的最快。每種燃料的煙氣溫度變化率均大于火焰溫度變化率，且溫度變化率隨著高度降低而降低。正庚烷與環(huán)己烷4號(hào)與5號(hào)熱電偶溫度變化率接近6號(hào)，遠(yuǎn)大于其余三根熱電偶，航空煤油4號(hào)與5號(hào)溫度變化率小于6號(hào)而接近其余三根，是因?yàn)楹娇彰河蜔熈看螅瑹煔鈱訜崃糠e累較多，使得煙氣溫度變化較快，說(shuō)明不同燃料煙氣層溫度變化率不同。由此可見可以根據(jù)溫度變化率與溫度判斷出受限空間燃燒處于何種階段。

圖5 發(fā)展期溫度變化率Fig.5 Temperature change rate in development stage

2.3 煙氣濃度分析

燃料主要由碳、氫兩種元素構(gòu)成，燃燒過(guò)程中會(huì)消耗受限空間內(nèi)的O2釋放CO、CO2等有害氣體，在受限空間內(nèi)成年人所允許的最大CO含量為0.005%，吸入過(guò)多后會(huì)產(chǎn)生中毒癥狀。對(duì)氣體濃度變化曲線進(jìn)行平滑處理得到結(jié)果如圖6所示，煙氣成分的變化可作為判斷受限空間內(nèi)是否發(fā)生火災(zāi)的依據(jù)。

圖6 煙氣成分濃度變化圖Fig.6 Change of smoke component concentration

由圖6可知，油池火出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象后，受限空間內(nèi)O2消耗量增加，CO和CO2生成量增加；在穩(wěn)定期結(jié)束前O2消耗量保持一定速率升高，航空煤油O2消耗量最小，正庚烷和環(huán)己烷較高，都為1.4%，且三種燃料O2消耗量最高點(diǎn)都處于253 s左右；正庚烷與環(huán)己烷CO2生成量曲線比較相似，三種燃料CO2生成量都不高，且生成量最高點(diǎn)也為253 s左右；航空煤油燃燒CO濃度最高達(dá)到0.008 7%，正庚烷燃燒CO生成量為0.002 1%,明顯小于環(huán)己烷燃燒產(chǎn)生的CO生成量(0.005%)。由此可見，航空煤油與環(huán)己烷燃燒后CO含量達(dá)到0.005%，將會(huì)對(duì)人產(chǎn)生危害。由此可見，結(jié)合溫度變化率與煙氣成分可判斷受限空間內(nèi)是否發(fā)生火災(zāi)并分析出處于何種階段。

3 結(jié)論

通過(guò)研究受限空間內(nèi)油池火燃燒火焰溫度變化以及煙氣成分濃度變化規(guī)律可得出如下結(jié)論。

(1)油池火最高溫度超過(guò)700 ℃，溫度隨高度降低而降低，煙氣溫度變化曲線滿足高斯分布。

(2)根據(jù)溫度曲線的變化將燃燒分為3個(gè)階段:發(fā)展期—穩(wěn)定期—熄滅期，在發(fā)展期溫度變化最快，變化率最高可達(dá)22.0 ℃/s，發(fā)展期占比均接近9.8%，穩(wěn)定期航空煤油占比最高且超過(guò)50%，熄滅期溫度變化曲線滿足反比例函數(shù)分布。

(3)航空煤油與環(huán)己烷燃燒后CO含量超過(guò)0.005%，對(duì)人體有害，三種燃料O2、CO2與CO濃度變化曲線在t=253 s附近到達(dá)最高點(diǎn)。

因此，根據(jù)燃燒溫度變化以及煙氣成分濃度變化可以判斷受限空間發(fā)生火災(zāi)處于何種階段以及燃燒物種類，為提高火災(zāi)預(yù)警準(zhǔn)確率提供數(shù)據(jù)支撐。