基于不同燃料下隧道火災(zāi)模型試驗(yàn)火源熱釋放速率研究

李 琦， 朱 喬， 楊 暢， 王發(fā)豪， 王 雪

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院， 四川 成都 611830)

0 引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，隧道的數(shù)量和長(zhǎng)度逐年遞增，隧道內(nèi)列車(chē)行駛的安全性也越來(lái)越受到人們的重視。隧道內(nèi)列車(chē)事故主要分為碰撞、脫軌、火災(zāi)3類(lèi)[1]。隧道內(nèi)空間狹小，列車(chē)上人員眾多，發(fā)生火災(zāi)時(shí)旅客隨身攜帶的行李極易助長(zhǎng)火災(zāi)的發(fā)展，且車(chē)廂內(nèi)空間有限，火災(zāi)產(chǎn)生的熱量大量聚集且不能及時(shí)排出，短時(shí)間內(nèi)溫度能達(dá)到1 000 ℃，不僅會(huì)損傷隧道結(jié)構(gòu)，造成隧道頂部掉落和塌陷，而且因隧道的煙井效應(yīng)，高溫?zé)煔鈺?huì)迅速沿列車(chē)車(chē)廂縱向蔓延，對(duì)旅客安全構(gòu)成極大威脅。因此，開(kāi)展隧道火災(zāi)方面的研究對(duì)隧道內(nèi)的防災(zāi)減災(zāi)意義重大。其中，火源大小的不同對(duì)于模擬各種火災(zāi)情況下的火源熱釋放速率極為重要。燃料的熱釋放速率即單位時(shí)間內(nèi)消耗的燃料釋放出的熱能量[2]，是表征火災(zāi)發(fā)展的重要參數(shù)，只有確定了熱釋放速率的大小及其變化規(guī)律，才能進(jìn)行火災(zāi)發(fā)展和煙氣流動(dòng)的研究，從而確定隧道內(nèi)的最高溫度及溫度變化范圍和能見(jiàn)度及能見(jiàn)度變化范圍，并以此制定防災(zāi)疏散救援策略。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道火災(zāi)試驗(yàn)中的火源熱釋放速率進(jìn)行過(guò)大量的試驗(yàn)研究。國(guó)內(nèi)方面，張念[2]以93#汽油為燃料，通過(guò)縮尺試驗(yàn)的方式，分別在關(guān)角隧道和太原開(kāi)展了燃燒試驗(yàn)，研究油池面積對(duì)火災(zāi)燃燒特性的影響，得到油池面積越大，火源熱釋放速率越大的結(jié)論；譚銳[3]利用縮比例的油池進(jìn)行了隧道內(nèi)緊急救援站的溫度場(chǎng)研究，但油池的熱釋放速率僅通過(guò)理論計(jì)算得到，并未進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)；王彥富等[4]在全尺寸試驗(yàn)中利用柴油產(chǎn)煙的特性，以此作為火源，進(jìn)行隧道中煙氣逆流距離的研究；李智勝等[5]、楊曉菡[6]、鐘委等[7]、陳長(zhǎng)坤等[8]通過(guò)全尺寸試驗(yàn)、縮尺試驗(yàn)、數(shù)值模擬的方法，分別采用不同的燃料作為火源，通過(guò)改變油池面積來(lái)控制火源功率。國(guó)外方面， Jiang等[9]進(jìn)行的全尺寸試驗(yàn)中，以柴油作為火源，以2個(gè)不同的圓形鋼鍋?zhàn)鳛槿萜鳎玫?種不同的火源規(guī)模，但隧道內(nèi)伴隨著通風(fēng)，會(huì)影響火源熱釋放速率的大小；Shota Takeuchi等[10]在2個(gè)縮尺試驗(yàn)中，以丙烷氣體作為火源，在火災(zāi)試驗(yàn)中直接測(cè)量丙烷氣體的質(zhì)量流量，以丙烷氣體質(zhì)量流量、丙烷氣體較低熱值和燃燒效率的乘積確定其熱釋放速率； Fan等[11]在縮尺試驗(yàn)中，以甲醇為燃料，采用9個(gè)不同面積的正方形和矩形油池控制火源的熱釋放速率，對(duì)隧道拱頂溫度變化進(jìn)行了研究； Miho Seike等[12]在縮尺試驗(yàn)中，以乙醇為燃料，通過(guò)燃燒失重法確定乙醇的熱釋放速率，對(duì)比模擬與試驗(yàn)的HRR曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)二者高度重合；Tasuku Ishikawa等[13]在縮尺試驗(yàn)中，以丙烷和庚烷為燃料，研究了隧道長(zhǎng)度對(duì)火源熱釋放速率的影響，但并未說(shuō)明油池面積過(guò)大時(shí)熱釋放速率的變化規(guī)律。

綜上，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同燃料油池尺寸及熱釋放速率間關(guān)系的系統(tǒng)研究較少，尤其是關(guān)于二者理論關(guān)系的建立更為鮮見(jiàn)，并且對(duì)于不同燃料之間的燃燒特性和熱釋放速率的差異關(guān)注過(guò)少，并不完全明確不同燃料作為火源的不同。因此，本文針對(duì)不同燃料下火源油池尺寸與熱釋放速率的關(guān)系進(jìn)行分析研究。由于火災(zāi)試驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜，燃料種類(lèi)眾多且不易獲取，燃料揮發(fā)速度快，不僅需要設(shè)置至少3個(gè)油池以便擬合出油池面積和熱釋放速率對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)，而且熱釋放速率也難以定量測(cè)量，會(huì)對(duì)最終擬合出的曲線(xiàn)產(chǎn)生較大干擾。所以，本文總結(jié)了大量國(guó)內(nèi)外既有火災(zāi)試驗(yàn)不同燃料的火源熱釋放速率參數(shù)，以此擬合出不同燃料火源油池尺寸和熱釋放速率的關(guān)系，并采用90#汽油進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 國(guó)內(nèi)外既有隧道火災(zāi)模型試驗(yàn)

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)外33起隧道火災(zāi)模型試驗(yàn)火源類(lèi)型進(jìn)行研究分析，其中國(guó)內(nèi)試驗(yàn)16項(xiàng)，國(guó)外試驗(yàn)17項(xiàng)，如表1和表2所示。

由表1和表2可知：

1)國(guó)內(nèi)隧道火災(zāi)模型試驗(yàn)的火源中化石燃料約占56%，醇類(lèi)燃料約占31%；國(guó)外隧道火災(zāi)模型試驗(yàn)的火源中烷烴和化石燃料各占29%，約35%的火源為汽車(chē)、木材、橡膠等真實(shí)燃料。

2)國(guó)內(nèi)隧道火災(zāi)模型試驗(yàn)中全尺寸試驗(yàn)數(shù)占近30%，國(guó)外隧道火災(zāi)模型試驗(yàn)中全尺寸試驗(yàn)數(shù)占近60%。

2 隧道火災(zāi)試驗(yàn)火源熱釋放速率研究

隧道火災(zāi)模型試驗(yàn)中火源燃料主要為醇類(lèi)、烷烴及化石燃料，常用作火源的醇類(lèi)包括甲醇、酒精，烷烴包括正庚烷，化石燃料包括90#汽油、0#柴油、液化石油氣等。火源的熱釋放速率與火源燃料類(lèi)型和油池尺寸大小有密切關(guān)系。前人的研究中，有的學(xué)者為方便試驗(yàn)，將大尺寸火災(zāi)試驗(yàn)的油池折算為方便試驗(yàn)的小尺寸油池；有的學(xué)者為了減小誤差，以便更大程度地模擬火災(zāi)發(fā)生時(shí)造成的影響，直接使用大尺寸油池。本文通過(guò)對(duì)前人所做火災(zāi)試驗(yàn)的大量調(diào)研，搜集了火災(zāi)試驗(yàn)中不同火源燃料、不同油池面積下的實(shí)測(cè)火源熱釋放速率，以及液化石油氣供氣速度對(duì)應(yīng)的熱釋放速率，如表3和表4所示。

表3 不同燃料和油池面積下的火源熱釋放速率

表4 液化石油氣供氣速度對(duì)應(yīng)的熱釋放速率

(1)

(2)

整理得：

(3)

(4)

式(1)—(4)中：f(x)為擬合的回歸曲線(xiàn)；a、b為擬合曲線(xiàn)的一次項(xiàng)系數(shù)與常數(shù)；xi、yi(i=1,2,…，n)為數(shù)據(jù)點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)；M為差方和。

誤差公式也使用最小二乘法求得，擬合曲線(xiàn)獲得的函數(shù)值與實(shí)際值的差值作為縱坐標(biāo)值，求得誤差公式。

2.1 甲醇

甲醇含氧量高、辛烷值高、清潔性好、燃燒速率快，并且可與汽油任意比例融合，在汽柴油中摻加甲醇可以提高燃燒效率[39]，是一種良好的燃料。甲醇的油池面積與熱釋放速率的關(guān)系如圖1所示。

圖1 甲醇的油池面積與熱釋放速率的關(guān)系

由圖1可知： 隨著甲醇油池面積的增大，火源熱釋放速率越大，二者基本呈線(xiàn)性關(guān)系，擬合得到二者關(guān)系表達(dá)式為

Q甲= 405.23A甲。

(5)

誤差公式為

W甲=8×106A甲6-7×106A甲5+2×106A甲4-331 875A甲3+20 956A甲2-432.26A甲+3.733 1。

(6)

式(5)—(6)中：Q甲為甲醇熱釋放速率，kW；A甲為甲醇油池面積，m2；W甲為甲醇熱釋放速率擬合值與實(shí)際值的誤差。

2.2 99%酒精

酒精(乙醇)作為燃料，易點(diǎn)燃，火焰溫度穩(wěn)定，燃燒效率高，無(wú)污染，酒精濃度越高，燃燒時(shí)溫度越高，火焰高度越大，熱釋放速率越大，可與汽油任意比例互溶，應(yīng)用廣泛，在日常生活中常被用作燃料[40]。酒精(乙醇)的油池面積與熱釋放速率的關(guān)系如圖2所示。

圖2 99%酒精的油池面積與熱釋放速率的關(guān)系

由圖2可知： 隨著99%油精油池面積的增大，火源熱釋放速率越大，二者基本呈線(xiàn)性關(guān)系，擬合得到二者關(guān)系表達(dá)式為

Q酒= 425.99A酒。

(7)

誤差公式為

W酒=3×1012A酒6-3×1011A酒5+1010A酒4-2×108A酒3+2×106A酒2-9 351.3A酒+14.605。

(8)

式(7)—(8)中：Q酒為99%酒精熱釋放速率，kW；A酒為99%酒精油池面積，m2；W酒為99%酒精熱釋放速率擬合值與實(shí)際值的誤差。

2.3 正庚烷

正庚烷的成分穩(wěn)定，容易獲取，且成本合理，燃燒時(shí)火焰的形態(tài)穩(wěn)定，池火燃燒獲得的熱釋放速率計(jì)算具備理想的對(duì)照數(shù)據(jù)，并且重復(fù)性高。正庚烷油池火燃燒時(shí)，煙氣擴(kuò)散及收集情形能真實(shí)觀察掌握得到，通常正庚烷是進(jìn)行池火熱釋放速率分析與研究的一種常用燃料[6]。正庚烷的油池面積與熱釋放速率的關(guān)系如圖3所示。

圖3 正庚烷的油池面積與熱釋放速率的關(guān)系

由圖3可知： 隨著正庚烷油池面積的增大，火源熱釋放速率越大，二者基本呈線(xiàn)性關(guān)系，擬合得到二者關(guān)系表達(dá)式為

Q正= 1 649.5A正。

(9)

誤差公式為

W正=-23.732A正6+380.44A正5-2 135.1A正4+5 257.9A正3-

5 684.1A正2+2 117.5A正-17.689。

(10)

式(9)—(10)中：Q正為正庚烷熱釋放速率，kW；A正為正庚烷油池面積，m2；W正為正庚烷熱釋放速率擬合值與實(shí)際值的誤差。

2.4 90#汽油

90#汽油高度易燃。90#汽油的油池面積與熱釋放速率的關(guān)系如圖4所示。

圖4 90#汽油的油池面積與熱釋放速率的關(guān)系

由圖4可知： 隨著90#汽油油池面積的增大，火源熱釋放速率越大，二者基本呈線(xiàn)性關(guān)系，擬合得到二者關(guān)系表達(dá)式為

Q90=1 439.2A90。

(11)

誤差公式為

W90=172.8A906-862.3A905+1 089.3A904+485.7A903-1 500.7A902+547.1A90+7.11。

(12)

式(11)—(12)中：Q90為90#汽油熱釋放速率，kW；A90為90#汽油油池面積，m2；W90為90#汽油熱釋放速率擬合值與實(shí)際值的誤差。

2.5 0#柴油

0#柴油與95#柴油相比，產(chǎn)熱量更高，來(lái)源更廣泛，但燃燒效率低，容易產(chǎn)生大量顆粒塵，因此，可用于隧道火災(zāi)試驗(yàn)中對(duì)煙氣的研究。與酒精池火相比，柴油池火發(fā)展過(guò)程中煙氣層高度更低，柴油池火煙氣層溫度和火焰溫度均低于酒精，燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量濃煙，燃燒效率不高[41]。0#柴油的油池面積與熱釋放速率的關(guān)系如圖5所示。

圖5 0#柴油的油池面積與熱釋放速率的關(guān)系

由圖5可知： 隨著0#柴油油池面積的增大，火源熱釋放速率越大，二者基本呈線(xiàn)性關(guān)系，擬合得到二者關(guān)系表達(dá)式為

Q0= 2 079.9A0。

(13)

誤差公式為

W0=14.195A06-195.5A05+917.08A04-1 534.3A03-40.171A02+1 633.7A0+1.651 6 。

(14)

式(13)—(14)中：Q0為0#柴油熱釋放速率，kW；A0為0#柴油油池面積，m2；W0為0#柴油熱釋放速率擬合值與實(shí)際值的誤差。

2.6 液化石油氣

液化石油氣污染少、產(chǎn)熱量高、易燃、應(yīng)用廣泛。液化石油氣供氣速度與熱釋放速率的關(guān)系如圖6所示。

圖6 液化石油氣供氣速度與熱釋放速率的關(guān)系

由圖6可知： 隨著液化石油氣供氣速度的增大，火源熱釋放速率呈線(xiàn)性增加，擬合得到二者關(guān)系表達(dá)式為

Q液= 31.665v液。

(15)

誤差公式為

W液=-8.1v液3+52.8v液2-109.7v液+72.8。

(16)

式(15)—(16)中：Q液為液化石油氣熱釋放速率，kW；v液為液化石油氣供氣速度，m3/h；W液為液化石油氣熱釋放速率擬合值與實(shí)際值的誤差。

3 不同燃料下火源熱釋放速率對(duì)比

通過(guò)上文獲得的各燃料油池面積和熱釋放速率關(guān)系的擬合公式，將各類(lèi)燃料的熱釋放速率進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。

圖7 不同燃料油池面積與熱釋放速率的關(guān)系

由圖7可知： 1)相同油池面積條件下，0#柴油的熱釋放速率最大，甲醇的熱釋效速率最小，熱釋放速率的大小關(guān)系為0#柴油>正庚烷>90#汽油>99%酒精>甲醇。2)隨著油池面積的增加，五者之間的差異越來(lái)越明顯，當(dāng)油池面積為3 m2時(shí)，0#柴油的熱釋放速率為6 239.7 kW，約為正庚烷的1.26倍、90#汽油的1.45倍、99%酒精的4.88倍、甲醇的5.13倍。

不同燃料縮尺火災(zāi)試驗(yàn)常見(jiàn)的火源熱釋放速率與油池尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表5所示。

表5 火源熱釋放速率與油池尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 火災(zāi)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)原理

油池火熱釋放速率通常采用燃料質(zhì)量損失率來(lái)計(jì)算，通過(guò)油池燃燒試驗(yàn)，測(cè)得質(zhì)量損失率，代入式(17)則可計(jì)算得到火源熱釋放速率。

Q′=ηm′hc。

(17)

式中：Q′為火源熱釋放速率；η為燃燒效率，通常試驗(yàn)中的油池為正方形，取η=0.75；m′為燃料質(zhì)量損失率，常由電子秤測(cè)得；hc為燃料的熱值，汽油一般取為44 000 kJ/kg。

4.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)采用90#汽油作為燃料，油池尺寸分別為11.3 cm×11.3 cm、16.0 cm×16.0 cm、21.6 cm×21.6 cm的正方形(見(jiàn)圖8)。燃料質(zhì)量損失率通過(guò)測(cè)量油池燃料的質(zhì)量隨時(shí)間變化計(jì)算得到，采用電子秤(量程10 kg，精度0.1 g，見(jiàn)圖9)對(duì)油池燃料質(zhì)量變化進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

圖8 試驗(yàn)油池

圖9 試驗(yàn)所用電子秤

本次試驗(yàn)場(chǎng)地?zé)o風(fēng)，溫度為12.9 ℃，濕度為51.5%，油池燃燒穩(wěn)定，燃燒情況如圖10所示。整個(gè)燃燒過(guò)程均采用視頻錄制。

圖10 油池燃燒情況

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

4.3.1 燃料燃燒速率變化規(guī)律

不同油池剩余質(zhì)量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖11所示。

圖11 油池剩余質(zhì)量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

由圖11可知： 1)油池內(nèi)燃料剩余質(zhì)量隨時(shí)間發(fā)展基本呈線(xiàn)性減少，油池面積越大，燃料燃燒速率越快，單位時(shí)間內(nèi)質(zhì)量減少越多； 2)21.6 cm×21.6 cm油池燃燒速率約為16.0 cm×16.0 cm油池的2.4倍、11.3 cm×11.3 cm油池的7.8倍。

4.3.2 質(zhì)量損失率變化規(guī)律

不同油池質(zhì)量損失率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖12所示。

圖12 質(zhì)量損失率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

由圖12可知，油池面積越大，燃料的質(zhì)量損失率越大。

不同油池尺寸對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定階段燃料質(zhì)量損失率及熱釋放速率如表6所示。

表6 不同油池尺寸對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定階段燃料質(zhì)量損失率及熱釋放速率

4.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)式(11)和式(12)可計(jì)算得到90#汽油燃燒熱釋放速率理論修正值，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)中21.6 cm×21.6 cm、16.0 cm×16.0 cm、11.3 cm×11.3 cm 3個(gè)油池尺寸下理論修正熱釋放速率分別為38.08、17.09、4.74 kW，與試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較吻合，理論計(jì)算公式較為可靠。90#汽油燃燒熱釋放速率試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與理論擬合曲線(xiàn)及誤差修正數(shù)值如圖13所示。

圖13 90#汽油燃燒熱釋放速率試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與理論擬合曲線(xiàn)及誤差修正數(shù)值

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外隧道火災(zāi)模型試驗(yàn)所用火源燃料及不同油池面積下不同火源燃料的熱釋放速率相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，并對(duì)90#汽油的油池火進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，最終得出以下結(jié)論。

1)國(guó)內(nèi)隧道火災(zāi)模型試驗(yàn)的火源中化石燃料約占56%，醇類(lèi)燃料約占31%；國(guó)外隧道火災(zāi)模型試驗(yàn)的火源中烷烴和化石燃料各占29%，約35%的火源為汽車(chē)、木材、橡膠等真實(shí)燃料。

2)國(guó)內(nèi)隧道火災(zāi)模型試驗(yàn)中全尺寸試驗(yàn)數(shù)占近30%，國(guó)外隧道火災(zāi)模型試驗(yàn)中全尺寸試驗(yàn)數(shù)占近60%。

3)油池面積越大，燃料燃燒速率、質(zhì)量損失率及熱釋放速率越大，燃料的油池面積與熱釋放速率基本呈線(xiàn)性關(guān)系，理論修正誤差公式基本為6次多項(xiàng)式。

4)相同油池面積條件下，燃料熱釋放速率由大到小依次為0#柴油、正庚烷、90#汽油、99%酒精、甲醇，油池面積越大，五者之間的差異越明顯。當(dāng)油池面積為3 m2時(shí)，0#柴油的熱釋放速率為6 239.7 kW，約為正庚烷的1.26倍、90#汽油的1.45倍、99%酒精的4.88倍、甲醇的5.13倍。

5.2 建議

1)研究隧道火災(zāi)煙氣產(chǎn)煙量及煙氣濃度等參數(shù)時(shí)，宜采用柴油等容易產(chǎn)煙的燃料。若在室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)配備良好的排煙系統(tǒng)。若研究隧道火災(zāi)溫度分布規(guī)律等，可選用燃燒穩(wěn)定的醇類(lèi)和烷烴類(lèi)燃料，試驗(yàn)亦可以配合發(fā)煙物質(zhì)進(jìn)行，可觀察到熱壓下煙氣的擴(kuò)散規(guī)律。

2)在隧道內(nèi)采用混合燃料作為火源時(shí)，由于醇類(lèi)燃料可與其他化石燃料以任意比例互溶，因而可采用甲醇和乙醇等易燃的醇類(lèi)摻配其他燃料配合任意火源熱釋放速率參數(shù)，如甲醇體積占比85%的M85甲醇汽油、甲醇體積占比15%的MH15甲醇柴油、乙醇占比10%的E10乙醇汽油、E10乙醇柴油。

3)因在無(wú)風(fēng)條件下火焰形態(tài)更好，火源能穩(wěn)定燃燒，熱釋放速率也更好測(cè)量，所以，火源熱釋放速率的測(cè)定宜在無(wú)風(fēng)條件下進(jìn)行。