浸油沙層火焰?zhèn)鞑ニ俣妊芯?/h1>
2012-11-15 04:24:36曹文娟杜文鋒
火災(zāi)科學(xué) 2012年4期
曹文娟，杜文鋒
（1.北京市豐臺區(qū)公安消防支隊，北京，100039；2.中國人民武裝警察部隊學(xué)院，河北 廊坊，065000）
0 引言
浸油沙層的火災(zāi)危險性可從兩個方面進行評估。一是火災(zāi)發(fā)生的可能性評估，這可以從浸油沙層閃點和燃點的大小得到反映。關(guān)于這一方面，本文作者已對其進行了實驗研究。結(jié)果表明，沙油質(zhì)量比、沙粒直徑、導(dǎo)熱性能及外界輻射熱都對浸油沙層的閃點和燃點有重要影響。二是火災(zāi)后果評估，這可以從浸油沙層火災(zāi)持續(xù)時間、火災(zāi)蔓延速度和范圍、火災(zāi)熱釋放速率以及火焰高度得到反映。國內(nèi)外關(guān)于火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊难芯恐?，只是從影響泄漏液體火焰?zhèn)鞑サ牟糠忠蛩厝胧謱π孤┛扇家后w在多孔介質(zhì)上的火焰?zhèn)鞑ミM行了研究，并得到了大量有應(yīng)用價值的結(jié)果。如Ishida使用n－癸烷和玻璃球燃料床，通過實驗研究了可燃液體滲透在地面中，燃料床中玻璃球的粒徑、溫度、表面熱傳導(dǎo)和表面點燃角度對于火焰?zhèn)鞑ヌ匦院突鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懀?］。實驗結(jié)果表明燃料供給速率與燃料消耗速率的比值對于火焰?zhèn)鞑ニ俣燃盎鹧娴穆佑泻艽蟮挠绊?。Ishida等人還對滲透高揮發(fā)性可燃液體的溫度高于泄漏的可燃液體閃點的界面上的火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M行了實驗研究［2］。實驗中使用n－辛烷作為燃料，玻璃球作為地面模型。對玻璃球燃料床的溫度、玻璃球的粒徑、玻璃球燃料床的表面傾斜角度、地面的導(dǎo)熱系數(shù)和從燃料泄漏到點燃之前的時間對火焰?zhèn)鞑ヌ匦院突鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊戇M行了詳細(xì)研究。Takeno and Hirano［3，4］研究了火焰在玻璃球燃料床上的傳播與玻璃球的粒徑及燃料粘度的關(guān)系。Suzuki［5－7］研究了在滲透燃料的沙子中相反的氣流對火焰?zhèn)鞑サ挠绊憽akeno［4］研究了燃料床中燃料厚度的變化對火焰蔓延的影響。Takeuchi［8］對于滲漏在多孔介質(zhì)上的可燃液體的燃燒特性進行了研究。Kong［9－11］擴展了 Takeuchi.的研究，使用滲透甲醇的沙子作為多孔介質(zhì)更進一步研究了其燃燒行為，并且對不同類型的多孔介質(zhì)中的燃料的特性對于非擴散火焰的影響進行了研究。
但是沙層的物理性質(zhì)對浸油沙層的著火特性有何影響呢？顯然，前面的研究無法回答這些問題。而定量地研究浸油沙層的閃點、燃點、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊葏?shù)，不僅能夠回答前面提出的問題，而且可以為評價泄露油品的火災(zāi)危險性，抑制泄漏油品火災(zāi)的發(fā)生、蔓延，建立浸油沙層的燃燒模型提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)，進而擴展火災(zāi)模擬軟件的適用范圍。
火焰?zhèn)鞑サ臒崂碚撜J(rèn)為火焰能在混氣中傳播是由于火焰中化學(xué)反應(yīng)放出的熱量傳播到新鮮冷混氣中，使冷混氣溫度升高，化學(xué)反應(yīng)加速的結(jié)果［12］。在浸油沙層表面的火焰?zhèn)鞑ナ怯推氛舭l(fā)的蒸汽的燃燒，使得火焰得以傳播，因此油品的蒸發(fā)速率直接影響著浸油沙層表面的火焰?zhèn)鞑ニ俣?。可燃液體的蒸發(fā)速度或燃燒速度的表達式見公式。
其中，Gl是蒸發(fā)速度或燃燒速度，g／（m2·s）；f指燃燒熱ΔHC中傳回到液體表面的百分?jǐn)?shù)；QE指單位面積的液面上外界熱源的加熱速率，kW／m2；Ql指單位面積液面的熱損失速率，kW／m2；LV液體的蒸發(fā)熱，kJ／g。
由公式可知，可燃液體的蒸發(fā)速度受外界輻射熱通量的影響，進而影響可燃液體的火焰?zhèn)鞑ニ俣??；鹧嬖诼舆^程中，其外界熱輻射主要來自火焰的熱輻射，而且火焰的熱輻射是控制火焰柱底部傳熱的主要方式。雖然火焰的熱輻射對加熱燃料床表面有影響，但是目前對于它們之間的影響并沒有特別詳細(xì)的闡述。而且在大量燃料泄漏到地面上之后，火焰的熱輻射在很大程度上影響著火焰蔓延。
增大燃燒盤的寬度，一方面火焰寬度增大，對未燃區(qū)域的熱輻射增強；另一方面燃燒熱回傳到液體表面的熱量發(fā)生了變化，而且，增大盤寬使沙層表面的擴散損失增大。多種因素使浸油沙層中液體的蒸發(fā)速度發(fā)生了變化，因此，有必要研究燃燒盤的寬度對火焰蔓延特性的影響。
可燃液體泄漏到多孔介質(zhì)上，其火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粌H與外界輻射熱通量有關(guān)，而且與沙層中的含油量也有關(guān)，改變沙油質(zhì)量比，沙層中含油量發(fā)生變化，蒸發(fā)速率也隨之發(fā)生變化。但是從目前查閱到的相關(guān)資料來看，并沒有研究沙油質(zhì)量比、燃燒盤的寬度及外界熱輻射對浸油沙層火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?，因此，本章研究了這三個方面對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊憽?/p>
1 火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象的影響因素
泄漏燃料表面的火焰?zhèn)鞑ニ俣仁艿皆S多重要因素的影響，這些因素都在很大程度上影響火焰?zhèn)鞑シ绞郊盎鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣?。這些影響因素包括：液體燃料的閃點、燃點，地面的溫度，地面的形狀和點燃角度，沙粒直徑，由氣體流動引起的對流，地面的熱特性，火焰蔓延方向等。在本研究中使用0柴油（閃點74℃）作為液體燃料，沙子燃料床作為地面模型。通過實驗研究了沙油質(zhì)量比、燃燒盤的寬度以及在燃燒盤的一端施加輻射熱對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊憽?/p>
2 實驗描述
實驗裝置示意圖如圖1所示。實驗中選取三種尺寸的盤子，長深相同，即長100cm，深2cm，寬分別為5cm、10cm及15cm；沙油質(zhì)量比為3∶1、5∶1和8∶1；沙粒直徑為0.45mm～0.9mm。用電子天平按一定比例稱重沙子與柴油，然后將沙子與柴油混合均勻，置于盤子中，抹平表面，在盤子的一側(cè)貼有刻度。從燃燒盤20cm處開始每隔10cm放置一個熱電偶，熱電偶位于沙層表面下5mm處，共放置8個，在盤子5cm處用耐火隔板將其與盤子的其他部分隔開，然后在此處放入蘸有柴油的脫脂棉，引燃脫脂棉，待整個沙面覆蓋火焰10s后，移去隔板，同時使用攝像機拍攝火焰蔓延的全過程，然后計算火傳播延速度。
圖1 測量火焰?zhèn)鞑ピO(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup for the flame propagation process
3 實驗結(jié)果及討論
3.1 沙油質(zhì)量比對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>
3.1.1 沙油質(zhì)量比與火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊年P(guān)系
（1）實驗結(jié)果
固定盤寬5cm，改變沙油質(zhì)量比，火焰?zhèn)鞑r間與距離的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知，火焰?zhèn)鞑サ酵晃恢锰?，沙油質(zhì)量比為8∶1時，需要的時間最長；沙油質(zhì)量比為5∶1時，需要的時間最短；而沙油質(zhì)量比為3∶1時的曲線幾乎與沙油質(zhì)量比為5∶1時的曲線重合。
圖2 火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x與時間關(guān)系圖Fig.2 Flame propagation distance versus time.Beads diameter：0.45mm～0.9mm；width of steel tray：5cm
圖3 火焰在每一段上的火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c沙油質(zhì)量比的關(guān)系Fig.3 Effect of the mass ratio between sand and disel oil on the flame propagation rate in each section
為了計算火焰?zhèn)鞑ニ俣?，以熱電偶放置的位置為?zhǔn)，將燃燒盤10cm～100cm分割為九段，每段長10cm，每段的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊钠骄等鐖D3所示，圖中橫坐標(biāo)20指10cm～20cm處的沙層，30指20cm～30cm處的沙層，依此類推。從圖3中可以看出，沙油質(zhì)量比為3∶1和5∶1時，在50cm之前，火焰?zhèn)鞑サ淖畛?，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^大，隨著燃燒的進行，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷杂邢陆?，之后火焰?zhèn)鞑ニ俣融呌诔?shù)；而沙油質(zhì)量比為8∶1時，只有10cm～20cm處的火焰?zhèn)鞑ニ俣容^大，其他位置處的火焰?zhèn)鞑ニ俣然颈３植蛔儭?/p>
計算整個火焰?zhèn)鞑ミ^程中火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊钠骄?，繪制于圖4中。沙油質(zhì)量比為5∶1時，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊钠骄底畲螅瑸?.25cm／min，與沙油質(zhì)量比為3∶1時的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊钠骄?.14cm／min相差較小，但是其火焰?zhèn)鞑ニ俣葞缀跏巧秤唾|(zhì)量比為8∶1時火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊钠骄?.64cm／min的2倍。
（2）實驗現(xiàn)象分析討論
圖4 沙油質(zhì)量比與火焰?zhèn)鞑ニ俣汝P(guān)系Fig.4 Effect of the mass ratio between sand and disel oil on the flame propagation rate
沙油質(zhì)量比為3∶1時，把沙油混合物放入盤中后，表面是油面，此時的火焰?zhèn)鞑ニ俣葢?yīng)該很接近油池的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，但是其火焰?zhèn)鞑ニ俣葏s遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于純柴油的火焰?zhèn)鞑ニ俣?2.2cm／min，而且實驗結(jié)果表明，其火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c沙油質(zhì)量比為5∶1時的火焰?zhèn)鞑ニ俣认嗖钌跣?，且小于沙油質(zhì)量比為5∶1時的火焰?zhèn)鞑ニ俣?。這可能是由于在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，燃燒區(qū)域溫度高于火焰前方未燃區(qū)域的溫度，當(dāng)沙油質(zhì)量比為3∶1時，沙油混合物表面有約2mm厚的油面，在加熱的最初，它們的熱量傳遞方式是熱對流和熱傳導(dǎo)的共同作用，但是很快就在沙油混合物表面出現(xiàn)了油面變沙面的現(xiàn)象，其導(dǎo)熱方式變?yōu)闊醾鲗?dǎo)為主；而沙油質(zhì)量比為5∶1時，沙油混合物表面是沙面，熱量傳遞的主要方式是熱傳導(dǎo)。當(dāng)沙油混合物中含油量較多時，由于沙子的導(dǎo)熱系數(shù)為1.87W／m·k大于柴油的導(dǎo)熱系數(shù)0.12W／m·k，因此沙油質(zhì)量比較大時其導(dǎo)熱性能較高，導(dǎo)致沙油質(zhì)量比為5∶1時的火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥谏秤唾|(zhì)量比為3∶1時的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，當(dāng)沙油質(zhì)量比為3∶1時，火焰前沿傳到之處與未燃區(qū)域之間30cm范圍內(nèi)，燃燒盤的沙油混合物表面已由最初的油面變?yōu)樯趁?。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是由于在燃燒過程中，沙層的存在成為火焰?zhèn)鞑サ臒粜??；鹧嬖趥鞑ミ^程中由毛細(xì)效應(yīng)引起的燈芯作用的示意圖如圖5所示。由于燈芯效應(yīng)，形成了火焰前沿前面未燃區(qū)域30cm范圍內(nèi)出現(xiàn)油面變沙面的現(xiàn)象。
對于圖3中的實驗結(jié)果，火焰?zhèn)鞑サ脑缙?，火焰速度較快，之后火焰?zhèn)鞑シ€(wěn)定的現(xiàn)象也可以通過火焰在傳播過程中由毛細(xì)效應(yīng)引起的燈芯作用解釋。在火焰?zhèn)鞑サ脑缙陔A段，如圖5（a）所示，在火焰柱下面的滲漏液體消耗，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快。然而，隨著火焰的傳播、火焰柱的增大，如圖5（b）所示，浸濕的燃料層減少，因此火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?。此外，由于大量的燃料供給燃料床表面，后部的火焰柱逐漸消失。當(dāng)由于毛細(xì)上升作用使得表面燃料供給量等于燃料消耗量時，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸優(yōu)榉€(wěn)定傳播。
圖5 火焰?zhèn)鞑ミ^程中毛細(xì)效應(yīng)引起的燈芯作用示意圖Fig.5 Schematic diagram of fuel supply by capillary rise effect to bead
3.1.2 沙油質(zhì)量比對沙層表面溫度的影響
沙油質(zhì)量比為5∶1，盤寬為5cm時，整個火焰?zhèn)鞑ミ^程中每個熱電偶處沙層表面的溫度變化曲線如圖6所示。從圖中可見，每一個熱電偶處沙層表面的溫度變化趨勢相同，火焰前沿傳到時沙層表面的溫度相差很小，而且沙層表面的最高溫度也很接近。將第二個熱電偶處，不同沙油質(zhì)量比下整個火焰?zhèn)鞑ミ^程中沙層表面的溫度變化曲線繪制于圖7，從圖中也可以看出沙油質(zhì)量比為5∶1時整個過程用時最短；隨著沙油質(zhì)量比的增加，沙層表面的最高溫度下降；而且火焰前沿傳到熱電偶處時沙層表面的溫度同樣隨沙油質(zhì)量比的增大而降低。
將盤寬5cm，沙油質(zhì)量比為3∶1、5∶1及8∶1的整個火焰?zhèn)鞑ミ^程中，火焰前沿傳播到每個熱電偶處沙層表面的溫度以及每一個熱電偶處沙層表面可以達到的最高溫度繪制于圖8和圖9中。從圖中可知，火焰?zhèn)鞑サ恼麄€過程中，在每一種沙油質(zhì)量比下，火焰前沿傳到每一個熱電偶處沙層表面的溫度相差很小，可近似認(rèn)為溫度不變，但此溫度隨著沙油質(zhì)量比的增加而降低；熱電偶處沙層表面的最高溫度同樣遵循此規(guī)律。沙油質(zhì)量比為3∶1、5∶1及8∶1時，火焰前沿傳到每一個熱電偶處沙層表面的平均溫度依次為49.6℃、44.0℃和24.3℃，在每一個熱電偶處可以達到的最高溫度的平均值依次為405.1℃、382℃和315.9℃。
溫度變化的這一結(jié)果，進一步證實了火焰?zhèn)鞑サ臒崂碚??；鹧鎮(zhèn)鞯綍r，沙層表面的溫度越高火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇?。沙層中油的含量越大，沙層表面能夠達到的最高溫度越高，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱蟆?/p>
3.2 燃燒盤的寬度對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>
3.2.1 燃燒盤寬度與火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊年P(guān)系
固定沙油質(zhì)量比為5∶1，燃燒盤的寬度分別為5cm、10cm及15cm，整個火焰?zhèn)鞑ミ^程中火焰?zhèn)鞑r間與燃燒盤寬度的關(guān)系如圖10所示。由圖可知，火焰?zhèn)鞑サ酵晃恢锰帲P寬5cm時，需要的時間最長；盤寬10cm時，需要的時間最短。
圖6 整個火焰?zhèn)鞑ミ^程中各個熱電偶處沙層表面的溫度曲線（沙油比為5∶1，盤寬5cm）Fig.6 Temperature of the sand surface（measured by the thermocouples）.The mass ratio between sand and disel oil is 5∶1，and the width of steel tray is 5cm
圖7 整個火焰?zhèn)鞑ミ^程中第二個熱電偶處沙層表面的溫度曲線（盤寬5cm）Fig.7 Temperature of the sand suface at the second thermocouple.The width of steel tray is 5cm
圖8 每火焰前沿傳到一個熱電偶放置處沙層表面的溫度與沙油質(zhì)量比之間的關(guān)系Fig.8 Effect of the mass ratio between sand and disel oil on the temperature of the sand suface when the flame front arrived at the locations of thermocouples.The width of steel tray is 5cm
火焰?zhèn)鞑ミ^程中，燃燒盤越寬，火焰的高度及寬度越大，火焰對前面浸油沙層的輻射熱通量越大，則火焰?zhèn)鞑サ酵晃恢锰幩璧臅r間應(yīng)該越短，但是實驗結(jié)果顯示，隨著燃燒盤寬度的增加，火焰?zhèn)鞑サ酵晃恢锰幩璧臅r間先減小后增加。燃燒盤越寬，雖然火焰對浸油沙層的輻射熱量增大，單位時間內(nèi)蒸發(fā)出的油蒸氣變多，但是盤寬增大，擴散損失隨之增大。在盤寬10cm時，通過火焰的輻射熱傳到沙層的熱量比擴散損失的熱量大得多，因此，浸油沙層得到的熱量多，從而火焰?zhèn)鞑サ酵晃恢锰幩璧臅r間最短。在盤寬15cm時，雖然通過火焰的輻射熱傳到沙層的熱量較大，但是其與擴散損失的差較小，也就是浸油沙層獲得的凈熱量小，因此火焰?zhèn)鞑サ酵晃恢锰幩璧臅r間比盤寬10cm所用時間長。而且在實驗過程中還發(fā)現(xiàn)燃燒盤寬15cm時其火焰柱的高度比燃燒盤寬10cm時火焰柱的高度低。
圖9 每一個熱電偶放置處沙層表面的最高溫度與沙油質(zhì)量比之間的關(guān)系Fig.9 Effect of the mass ratio between sand and disel oil on the highest temperature of the sand suface（measured by the thermocouples）.The width of steel tray is 5cm
圖10 火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x與時間關(guān)系圖Fig.10 Flame propagation distance versus time.The mass ratio between sand and disel oil is 5∶1
圖11 盤子寬度與火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊年P(guān)系Fig.11 Relationship between the width of steel tray and the flame propagation speed
取各段火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊钠骄?，結(jié)果如圖11所示，盤寬10cm時的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲螅鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣葹?.32cm／min；盤寬15cm時的火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?.98cm／min；盤寬5cm時的火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?.25cm／min。隨著盤子寬度的增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊钠骄迪仍龃蠛鬁p小。
3.2.2 燃燒盤寬度對沙層表面溫度的影響
燃燒盤的寬度不同，整個火焰?zhèn)鞑ミ^程中沙層表面溫度的變化趨勢相同，如圖12所示，此圖是不同寬度的燃燒盤，第二個熱電偶處沙層表面的溫度變化曲線。
圖12 整個火焰?zhèn)鞑ミ^程中第二個熱電偶處沙層表面的溫度曲線（沙油比5∶1）Fig.12 Temperature of the sand surface at the second thermocouple in the flame propagation process.The mass ratio between sand and disel oil is 5∶1
為了便于比較，將火焰前沿傳播到每個熱電偶處沙層表面的溫度以及每一個熱電偶處沙層表面可以達到的最高溫度繪制于圖13和圖14中。盤子的寬度分別為5cm、10cm和15cm時，在每一種寬度下，火焰前沿傳到每一個熱電偶處沙層表面的溫度差很小，可近似認(rèn)為溫度不變；但此溫度隨著盤子寬度的增加而升高。在圖13中，熱電偶放置在80cm及90cm處時，其溫度突變，可能是由于實驗過程中確定火焰是否傳到熱電偶處，計時的長短造成的，也可能是由于火焰?zhèn)鞯饺紵P的末端，浸油沙層變短，熱損失相對于火焰?zhèn)鞯饺紵P中間時的熱損失大造成的。燃燒盤寬度的增加，對熱電偶處沙層表面的最高溫度影響較小，其溫度范圍為380℃～400℃，如圖14所示。
火焰前沿傳到時沙層表面的溫度與盤寬的關(guān)系進一步證明了隨盤寬增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍龃?，之后稍有降低。但是沙層表面的最高溫度與盤寬無關(guān)，只與沙油質(zhì)量比有關(guān)。
圖13 火焰前沿傳到每一個熱電偶放置處沙層表面的溫度與盤寬之間的關(guān)系Fig.13 Relationship between the width of steel tray and the temperature of the sand surface on the arrival of the flame front at the locations of thermocouples.The mass ratio between sand and disel oil is 5∶1
3.3 輻射熱通量對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>
本實驗裝置示意圖如圖15所示。采用電爐子作為輻射熱源，電爐子的功率分別為1kW和2kW。首先，將功率為1kW的電爐子放置在燃燒盤的一端，用耐火材料將電爐子墊起，使電爐子的爐面與底面水平面間的夾角為45°，在電爐底面水平向前約12cm處放置輻射熱流計，也就是放置燃燒盤后，燃燒盤中緊挨著電爐一端的10cm處，測得此處穩(wěn)定時的輻射熱通量值為3.0kW／m2。然后在同一位置放置功率為2kW的電爐，輻射熱流計的位置不變，測得這種情況下穩(wěn)定時的輻射熱通量值為5.0kW／m2。實驗過程中，先將裝有沙油混合物的寬5cm燃燒盤放在規(guī)定位置處，從燃燒盤一端20cm處開始每隔10cm放置一個熱電偶，共放置8個熱電偶，熱電偶位于沙層表面下5mm處。然后將熱量穩(wěn)定的電爐子放在預(yù)先設(shè)計好的位置處，實驗開始5分鐘左右，用點火器在燃燒盤10cm處手動點火，火焰?zhèn)鞑サ?00cm處實驗結(jié)束。
圖14 每一個熱電偶放置處沙層表面的最高溫度與盤寬之間的關(guān)系Fig.14 Relationship between the width of steel tray and he highest temperature of the sand suface（measured by the thermocouples）.The mass ratio between sand and disel oil 5∶1
圖15 施加輻射熱通量測量火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊氖疽鈭DFig.15 Schematic diagram of the experimental apparatus for the effect of the radiation heat flux on the flame propagation rate
固定沙油質(zhì)量比為5∶1，沙子粒徑為0.45mm～0.9mm，改變輻射熱通量，實驗結(jié)果如圖16所示。隨著輻射熱通量的增加，浸油沙層表面的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?。由于實驗過程中只在燃燒盤的一端施加輻射熱，也就是固定燃燒盤中某一點處的輻射熱通量不變，因此，在施加輻射熱一端的火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@大于沒有施加輻射熱一端的火焰?zhèn)鞑ニ俣?。每一種輻射熱通量下，在燃燒盤10cm到50cm之間，隨輻射熱通量的降低，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u減??；由于輻射熱源加熱不到50cm后的沙層，所以這三種情況下的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€重合。
圖16 輻射熱通量對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懀ūP寬5cm）Fig.16 Effect of the radiation heat flux on the flame propagation rate.The width of steel tray is 5cm
4 結(jié)論及展望
4.1 結(jié)論
通過實驗研究得到如下結(jié)論：
（1）浸油沙層中含油量較多時，火焰蔓延初期，火焰蔓延速度較大，之后火焰蔓延速度趨于常數(shù)；而浸油沙層中含油量較少時，整個火焰蔓延過程中，火焰蔓延速度為常數(shù)。
（2）浸油沙層的火焰蔓延速度隨沙油質(zhì)量比的增大而減小。
（3）在本實驗條件下，火焰的蔓延速度隨燃燒盤寬度的增加先增大后減小。
（4）火焰蔓延速度隨輻射熱通量的增加而增大。
4.2 進一步展望
本文僅對沙油質(zhì)量比、燃燒盤的寬度及外界熱輻射對浸油沙層火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊戇M行了簡單的實驗研究。由于實驗條件的局限性，只是針對三種不同沙油質(zhì)量比進行了實驗，對于實驗中沙油比為3∶1時表面出現(xiàn)油面，其火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊陀谏秤捅葹?∶1時的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，只是進行了定性的分析，沒有做進一步的量化深入研究，應(yīng)進一步改變不同沙油質(zhì)量比，燃燒盤的寬度以及沙層的導(dǎo)熱性能研究浸油沙層的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
實驗過程中，選用鋼制燃燒盤，燃燒盤沒有經(jīng)過絕熱處理，也沒有考慮火焰蔓延過程中其底面及側(cè)面與外界的熱損失，而且鑒定火焰?zhèn)鞑サ矫恳粋€熱電偶處時可能有誤差，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫彩峭ㄟ^時間距離公式粗劣的計算了火焰?zhèn)鞑サ钠骄俣?，?yīng)進一步改進實驗設(shè)備，更精確的測量火焰?zhèn)鞑ニ俣?。在輻射熱源對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊憣嶒炑芯恐校皇抢秒姞t在燃燒盤的某一點處施加了固定的輻射熱通量，應(yīng)該制作一個能夠在燃燒盤上方均勻施加輻射熱的輻射熱源，測量整個燃燒盤在輻射熱源加熱下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，能夠比較準(zhǔn)確表征實際火災(zāi)過程中，燃料泄漏之后在不同輻射熱量、不同介質(zhì)中的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，更加精確的評價泄漏燃料的火災(zāi)危險性。
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曹文娟，杜文鋒
（1.北京市豐臺區(qū)公安消防支隊，北京，100039；2.中國人民武裝警察部隊學(xué)院，河北 廊坊，065000）
0 引言
浸油沙層的火災(zāi)危險性可從兩個方面進行評估。一是火災(zāi)發(fā)生的可能性評估，這可以從浸油沙層閃點和燃點的大小得到反映。關(guān)于這一方面，本文作者已對其進行了實驗研究。結(jié)果表明，沙油質(zhì)量比、沙粒直徑、導(dǎo)熱性能及外界輻射熱都對浸油沙層的閃點和燃點有重要影響。二是火災(zāi)后果評估，這可以從浸油沙層火災(zāi)持續(xù)時間、火災(zāi)蔓延速度和范圍、火災(zāi)熱釋放速率以及火焰高度得到反映。國內(nèi)外關(guān)于火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊难芯恐?，只是從影響泄漏液體火焰?zhèn)鞑サ牟糠忠蛩厝胧謱π孤┛扇家后w在多孔介質(zhì)上的火焰?zhèn)鞑ミM行了研究，并得到了大量有應(yīng)用價值的結(jié)果。如Ishida使用n－癸烷和玻璃球燃料床，通過實驗研究了可燃液體滲透在地面中，燃料床中玻璃球的粒徑、溫度、表面熱傳導(dǎo)和表面點燃角度對于火焰?zhèn)鞑ヌ匦院突鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懀?］。實驗結(jié)果表明燃料供給速率與燃料消耗速率的比值對于火焰?zhèn)鞑ニ俣燃盎鹧娴穆佑泻艽蟮挠绊?。Ishida等人還對滲透高揮發(fā)性可燃液體的溫度高于泄漏的可燃液體閃點的界面上的火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M行了實驗研究［2］。實驗中使用n－辛烷作為燃料，玻璃球作為地面模型。對玻璃球燃料床的溫度、玻璃球的粒徑、玻璃球燃料床的表面傾斜角度、地面的導(dǎo)熱系數(shù)和從燃料泄漏到點燃之前的時間對火焰?zhèn)鞑ヌ匦院突鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊戇M行了詳細(xì)研究。Takeno and Hirano［3，4］研究了火焰在玻璃球燃料床上的傳播與玻璃球的粒徑及燃料粘度的關(guān)系。Suzuki［5－7］研究了在滲透燃料的沙子中相反的氣流對火焰?zhèn)鞑サ挠绊憽akeno［4］研究了燃料床中燃料厚度的變化對火焰蔓延的影響。Takeuchi［8］對于滲漏在多孔介質(zhì)上的可燃液體的燃燒特性進行了研究。Kong［9－11］擴展了 Takeuchi.的研究，使用滲透甲醇的沙子作為多孔介質(zhì)更進一步研究了其燃燒行為，并且對不同類型的多孔介質(zhì)中的燃料的特性對于非擴散火焰的影響進行了研究。
但是沙層的物理性質(zhì)對浸油沙層的著火特性有何影響呢？顯然，前面的研究無法回答這些問題。而定量地研究浸油沙層的閃點、燃點、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊葏?shù)，不僅能夠回答前面提出的問題，而且可以為評價泄露油品的火災(zāi)危險性，抑制泄漏油品火災(zāi)的發(fā)生、蔓延，建立浸油沙層的燃燒模型提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)，進而擴展火災(zāi)模擬軟件的適用范圍。
火焰?zhèn)鞑サ臒崂碚撜J(rèn)為火焰能在混氣中傳播是由于火焰中化學(xué)反應(yīng)放出的熱量傳播到新鮮冷混氣中，使冷混氣溫度升高，化學(xué)反應(yīng)加速的結(jié)果［12］。在浸油沙層表面的火焰?zhèn)鞑ナ怯推氛舭l(fā)的蒸汽的燃燒，使得火焰得以傳播，因此油品的蒸發(fā)速率直接影響著浸油沙層表面的火焰?zhèn)鞑ニ俣?。可燃液體的蒸發(fā)速度或燃燒速度的表達式見公式。
其中，Gl是蒸發(fā)速度或燃燒速度，g／（m2·s）；f指燃燒熱ΔHC中傳回到液體表面的百分?jǐn)?shù)；QE指單位面積的液面上外界熱源的加熱速率，kW／m2；Ql指單位面積液面的熱損失速率，kW／m2；LV液體的蒸發(fā)熱，kJ／g。
由公式可知，可燃液體的蒸發(fā)速度受外界輻射熱通量的影響，進而影響可燃液體的火焰?zhèn)鞑ニ俣??；鹧嬖诼舆^程中，其外界熱輻射主要來自火焰的熱輻射，而且火焰的熱輻射是控制火焰柱底部傳熱的主要方式。雖然火焰的熱輻射對加熱燃料床表面有影響，但是目前對于它們之間的影響并沒有特別詳細(xì)的闡述。而且在大量燃料泄漏到地面上之后，火焰的熱輻射在很大程度上影響著火焰蔓延。
增大燃燒盤的寬度，一方面火焰寬度增大，對未燃區(qū)域的熱輻射增強；另一方面燃燒熱回傳到液體表面的熱量發(fā)生了變化，而且，增大盤寬使沙層表面的擴散損失增大。多種因素使浸油沙層中液體的蒸發(fā)速度發(fā)生了變化，因此，有必要研究燃燒盤的寬度對火焰蔓延特性的影響。
可燃液體泄漏到多孔介質(zhì)上，其火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粌H與外界輻射熱通量有關(guān)，而且與沙層中的含油量也有關(guān)，改變沙油質(zhì)量比，沙層中含油量發(fā)生變化，蒸發(fā)速率也隨之發(fā)生變化。但是從目前查閱到的相關(guān)資料來看，并沒有研究沙油質(zhì)量比、燃燒盤的寬度及外界熱輻射對浸油沙層火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?，因此，本章研究了這三個方面對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊憽?/p>
1 火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象的影響因素
泄漏燃料表面的火焰?zhèn)鞑ニ俣仁艿皆S多重要因素的影響，這些因素都在很大程度上影響火焰?zhèn)鞑シ绞郊盎鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣?。這些影響因素包括：液體燃料的閃點、燃點，地面的溫度，地面的形狀和點燃角度，沙粒直徑，由氣體流動引起的對流，地面的熱特性，火焰蔓延方向等。在本研究中使用0柴油（閃點74℃）作為液體燃料，沙子燃料床作為地面模型。通過實驗研究了沙油質(zhì)量比、燃燒盤的寬度以及在燃燒盤的一端施加輻射熱對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊憽?/p>
2 實驗描述
實驗裝置示意圖如圖1所示。實驗中選取三種尺寸的盤子，長深相同，即長100cm，深2cm，寬分別為5cm、10cm及15cm；沙油質(zhì)量比為3∶1、5∶1和8∶1；沙粒直徑為0.45mm～0.9mm。用電子天平按一定比例稱重沙子與柴油，然后將沙子與柴油混合均勻，置于盤子中，抹平表面，在盤子的一側(cè)貼有刻度。從燃燒盤20cm處開始每隔10cm放置一個熱電偶，熱電偶位于沙層表面下5mm處，共放置8個，在盤子5cm處用耐火隔板將其與盤子的其他部分隔開，然后在此處放入蘸有柴油的脫脂棉，引燃脫脂棉，待整個沙面覆蓋火焰10s后，移去隔板，同時使用攝像機拍攝火焰蔓延的全過程，然后計算火傳播延速度。
圖1 測量火焰?zhèn)鞑ピO(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup for the flame propagation process
3 實驗結(jié)果及討論
3.1 沙油質(zhì)量比對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>
3.1.1 沙油質(zhì)量比與火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊年P(guān)系
（1）實驗結(jié)果
固定盤寬5cm，改變沙油質(zhì)量比，火焰?zhèn)鞑r間與距離的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知，火焰?zhèn)鞑サ酵晃恢锰?，沙油質(zhì)量比為8∶1時，需要的時間最長；沙油質(zhì)量比為5∶1時，需要的時間最短；而沙油質(zhì)量比為3∶1時的曲線幾乎與沙油質(zhì)量比為5∶1時的曲線重合。
圖2 火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x與時間關(guān)系圖Fig.2 Flame propagation distance versus time.Beads diameter：0.45mm～0.9mm；width of steel tray：5cm
圖3 火焰在每一段上的火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c沙油質(zhì)量比的關(guān)系Fig.3 Effect of the mass ratio between sand and disel oil on the flame propagation rate in each section
為了計算火焰?zhèn)鞑ニ俣?，以熱電偶放置的位置為?zhǔn)，將燃燒盤10cm～100cm分割為九段，每段長10cm，每段的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊钠骄等鐖D3所示，圖中橫坐標(biāo)20指10cm～20cm處的沙層，30指20cm～30cm處的沙層，依此類推。從圖3中可以看出，沙油質(zhì)量比為3∶1和5∶1時，在50cm之前，火焰?zhèn)鞑サ淖畛?，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^大，隨著燃燒的進行，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷杂邢陆?，之后火焰?zhèn)鞑ニ俣融呌诔?shù)；而沙油質(zhì)量比為8∶1時，只有10cm～20cm處的火焰?zhèn)鞑ニ俣容^大，其他位置處的火焰?zhèn)鞑ニ俣然颈３植蛔儭?/p>
計算整個火焰?zhèn)鞑ミ^程中火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊钠骄?，繪制于圖4中。沙油質(zhì)量比為5∶1時，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊钠骄底畲螅瑸?.25cm／min，與沙油質(zhì)量比為3∶1時的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊钠骄?.14cm／min相差較小，但是其火焰?zhèn)鞑ニ俣葞缀跏巧秤唾|(zhì)量比為8∶1時火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊钠骄?.64cm／min的2倍。
（2）實驗現(xiàn)象分析討論
圖4 沙油質(zhì)量比與火焰?zhèn)鞑ニ俣汝P(guān)系Fig.4 Effect of the mass ratio between sand and disel oil on the flame propagation rate
沙油質(zhì)量比為3∶1時，把沙油混合物放入盤中后，表面是油面，此時的火焰?zhèn)鞑ニ俣葢?yīng)該很接近油池的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，但是其火焰?zhèn)鞑ニ俣葏s遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于純柴油的火焰?zhèn)鞑ニ俣?2.2cm／min，而且實驗結(jié)果表明，其火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c沙油質(zhì)量比為5∶1時的火焰?zhèn)鞑ニ俣认嗖钌跣?，且小于沙油質(zhì)量比為5∶1時的火焰?zhèn)鞑ニ俣?。這可能是由于在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，燃燒區(qū)域溫度高于火焰前方未燃區(qū)域的溫度，當(dāng)沙油質(zhì)量比為3∶1時，沙油混合物表面有約2mm厚的油面，在加熱的最初，它們的熱量傳遞方式是熱對流和熱傳導(dǎo)的共同作用，但是很快就在沙油混合物表面出現(xiàn)了油面變沙面的現(xiàn)象，其導(dǎo)熱方式變?yōu)闊醾鲗?dǎo)為主；而沙油質(zhì)量比為5∶1時，沙油混合物表面是沙面，熱量傳遞的主要方式是熱傳導(dǎo)。當(dāng)沙油混合物中含油量較多時，由于沙子的導(dǎo)熱系數(shù)為1.87W／m·k大于柴油的導(dǎo)熱系數(shù)0.12W／m·k，因此沙油質(zhì)量比較大時其導(dǎo)熱性能較高，導(dǎo)致沙油質(zhì)量比為5∶1時的火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥谏秤唾|(zhì)量比為3∶1時的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，當(dāng)沙油質(zhì)量比為3∶1時，火焰前沿傳到之處與未燃區(qū)域之間30cm范圍內(nèi)，燃燒盤的沙油混合物表面已由最初的油面變?yōu)樯趁?。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是由于在燃燒過程中，沙層的存在成為火焰?zhèn)鞑サ臒粜??；鹧嬖趥鞑ミ^程中由毛細(xì)效應(yīng)引起的燈芯作用的示意圖如圖5所示。由于燈芯效應(yīng)，形成了火焰前沿前面未燃區(qū)域30cm范圍內(nèi)出現(xiàn)油面變沙面的現(xiàn)象。
對于圖3中的實驗結(jié)果，火焰?zhèn)鞑サ脑缙?，火焰速度較快，之后火焰?zhèn)鞑シ€(wěn)定的現(xiàn)象也可以通過火焰在傳播過程中由毛細(xì)效應(yīng)引起的燈芯作用解釋。在火焰?zhèn)鞑サ脑缙陔A段，如圖5（a）所示，在火焰柱下面的滲漏液體消耗，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快。然而，隨著火焰的傳播、火焰柱的增大，如圖5（b）所示，浸濕的燃料層減少，因此火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?。此外，由于大量的燃料供給燃料床表面，后部的火焰柱逐漸消失。當(dāng)由于毛細(xì)上升作用使得表面燃料供給量等于燃料消耗量時，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸優(yōu)榉€(wěn)定傳播。
圖5 火焰?zhèn)鞑ミ^程中毛細(xì)效應(yīng)引起的燈芯作用示意圖Fig.5 Schematic diagram of fuel supply by capillary rise effect to bead
3.1.2 沙油質(zhì)量比對沙層表面溫度的影響
沙油質(zhì)量比為5∶1，盤寬為5cm時，整個火焰?zhèn)鞑ミ^程中每個熱電偶處沙層表面的溫度變化曲線如圖6所示。從圖中可見，每一個熱電偶處沙層表面的溫度變化趨勢相同，火焰前沿傳到時沙層表面的溫度相差很小，而且沙層表面的最高溫度也很接近。將第二個熱電偶處，不同沙油質(zhì)量比下整個火焰?zhèn)鞑ミ^程中沙層表面的溫度變化曲線繪制于圖7，從圖中也可以看出沙油質(zhì)量比為5∶1時整個過程用時最短；隨著沙油質(zhì)量比的增加，沙層表面的最高溫度下降；而且火焰前沿傳到熱電偶處時沙層表面的溫度同樣隨沙油質(zhì)量比的增大而降低。
將盤寬5cm，沙油質(zhì)量比為3∶1、5∶1及8∶1的整個火焰?zhèn)鞑ミ^程中，火焰前沿傳播到每個熱電偶處沙層表面的溫度以及每一個熱電偶處沙層表面可以達到的最高溫度繪制于圖8和圖9中。從圖中可知，火焰?zhèn)鞑サ恼麄€過程中，在每一種沙油質(zhì)量比下，火焰前沿傳到每一個熱電偶處沙層表面的溫度相差很小，可近似認(rèn)為溫度不變，但此溫度隨著沙油質(zhì)量比的增加而降低；熱電偶處沙層表面的最高溫度同樣遵循此規(guī)律。沙油質(zhì)量比為3∶1、5∶1及8∶1時，火焰前沿傳到每一個熱電偶處沙層表面的平均溫度依次為49.6℃、44.0℃和24.3℃，在每一個熱電偶處可以達到的最高溫度的平均值依次為405.1℃、382℃和315.9℃。
溫度變化的這一結(jié)果，進一步證實了火焰?zhèn)鞑サ臒崂碚??；鹧鎮(zhèn)鞯綍r，沙層表面的溫度越高火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇?。沙層中油的含量越大，沙層表面能夠達到的最高溫度越高，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱蟆?/p>
3.2 燃燒盤的寬度對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>
3.2.1 燃燒盤寬度與火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊年P(guān)系
固定沙油質(zhì)量比為5∶1，燃燒盤的寬度分別為5cm、10cm及15cm，整個火焰?zhèn)鞑ミ^程中火焰?zhèn)鞑r間與燃燒盤寬度的關(guān)系如圖10所示。由圖可知，火焰?zhèn)鞑サ酵晃恢锰帲P寬5cm時，需要的時間最長；盤寬10cm時，需要的時間最短。
圖6 整個火焰?zhèn)鞑ミ^程中各個熱電偶處沙層表面的溫度曲線（沙油比為5∶1，盤寬5cm）Fig.6 Temperature of the sand surface（measured by the thermocouples）.The mass ratio between sand and disel oil is 5∶1，and the width of steel tray is 5cm
圖7 整個火焰?zhèn)鞑ミ^程中第二個熱電偶處沙層表面的溫度曲線（盤寬5cm）Fig.7 Temperature of the sand suface at the second thermocouple.The width of steel tray is 5cm
圖8 每火焰前沿傳到一個熱電偶放置處沙層表面的溫度與沙油質(zhì)量比之間的關(guān)系Fig.8 Effect of the mass ratio between sand and disel oil on the temperature of the sand suface when the flame front arrived at the locations of thermocouples.The width of steel tray is 5cm
火焰?zhèn)鞑ミ^程中，燃燒盤越寬，火焰的高度及寬度越大，火焰對前面浸油沙層的輻射熱通量越大，則火焰?zhèn)鞑サ酵晃恢锰幩璧臅r間應(yīng)該越短，但是實驗結(jié)果顯示，隨著燃燒盤寬度的增加，火焰?zhèn)鞑サ酵晃恢锰幩璧臅r間先減小后增加。燃燒盤越寬，雖然火焰對浸油沙層的輻射熱量增大，單位時間內(nèi)蒸發(fā)出的油蒸氣變多，但是盤寬增大，擴散損失隨之增大。在盤寬10cm時，通過火焰的輻射熱傳到沙層的熱量比擴散損失的熱量大得多，因此，浸油沙層得到的熱量多，從而火焰?zhèn)鞑サ酵晃恢锰幩璧臅r間最短。在盤寬15cm時，雖然通過火焰的輻射熱傳到沙層的熱量較大，但是其與擴散損失的差較小，也就是浸油沙層獲得的凈熱量小，因此火焰?zhèn)鞑サ酵晃恢锰幩璧臅r間比盤寬10cm所用時間長。而且在實驗過程中還發(fā)現(xiàn)燃燒盤寬15cm時其火焰柱的高度比燃燒盤寬10cm時火焰柱的高度低。
圖9 每一個熱電偶放置處沙層表面的最高溫度與沙油質(zhì)量比之間的關(guān)系Fig.9 Effect of the mass ratio between sand and disel oil on the highest temperature of the sand suface（measured by the thermocouples）.The width of steel tray is 5cm
圖10 火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x與時間關(guān)系圖Fig.10 Flame propagation distance versus time.The mass ratio between sand and disel oil is 5∶1
圖11 盤子寬度與火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊年P(guān)系Fig.11 Relationship between the width of steel tray and the flame propagation speed
取各段火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊钠骄?，結(jié)果如圖11所示，盤寬10cm時的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲螅鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣葹?.32cm／min；盤寬15cm時的火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?.98cm／min；盤寬5cm時的火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?.25cm／min。隨著盤子寬度的增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊钠骄迪仍龃蠛鬁p小。
3.2.2 燃燒盤寬度對沙層表面溫度的影響
燃燒盤的寬度不同，整個火焰?zhèn)鞑ミ^程中沙層表面溫度的變化趨勢相同，如圖12所示，此圖是不同寬度的燃燒盤，第二個熱電偶處沙層表面的溫度變化曲線。
圖12 整個火焰?zhèn)鞑ミ^程中第二個熱電偶處沙層表面的溫度曲線（沙油比5∶1）Fig.12 Temperature of the sand surface at the second thermocouple in the flame propagation process.The mass ratio between sand and disel oil is 5∶1
為了便于比較，將火焰前沿傳播到每個熱電偶處沙層表面的溫度以及每一個熱電偶處沙層表面可以達到的最高溫度繪制于圖13和圖14中。盤子的寬度分別為5cm、10cm和15cm時，在每一種寬度下，火焰前沿傳到每一個熱電偶處沙層表面的溫度差很小，可近似認(rèn)為溫度不變；但此溫度隨著盤子寬度的增加而升高。在圖13中，熱電偶放置在80cm及90cm處時，其溫度突變，可能是由于實驗過程中確定火焰是否傳到熱電偶處，計時的長短造成的，也可能是由于火焰?zhèn)鞯饺紵P的末端，浸油沙層變短，熱損失相對于火焰?zhèn)鞯饺紵P中間時的熱損失大造成的。燃燒盤寬度的增加，對熱電偶處沙層表面的最高溫度影響較小，其溫度范圍為380℃～400℃，如圖14所示。
火焰前沿傳到時沙層表面的溫度與盤寬的關(guān)系進一步證明了隨盤寬增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍龃?，之后稍有降低。但是沙層表面的最高溫度與盤寬無關(guān)，只與沙油質(zhì)量比有關(guān)。
圖13 火焰前沿傳到每一個熱電偶放置處沙層表面的溫度與盤寬之間的關(guān)系Fig.13 Relationship between the width of steel tray and the temperature of the sand surface on the arrival of the flame front at the locations of thermocouples.The mass ratio between sand and disel oil is 5∶1
3.3 輻射熱通量對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>
本實驗裝置示意圖如圖15所示。采用電爐子作為輻射熱源，電爐子的功率分別為1kW和2kW。首先，將功率為1kW的電爐子放置在燃燒盤的一端，用耐火材料將電爐子墊起，使電爐子的爐面與底面水平面間的夾角為45°，在電爐底面水平向前約12cm處放置輻射熱流計，也就是放置燃燒盤后，燃燒盤中緊挨著電爐一端的10cm處，測得此處穩(wěn)定時的輻射熱通量值為3.0kW／m2。然后在同一位置放置功率為2kW的電爐，輻射熱流計的位置不變，測得這種情況下穩(wěn)定時的輻射熱通量值為5.0kW／m2。實驗過程中，先將裝有沙油混合物的寬5cm燃燒盤放在規(guī)定位置處，從燃燒盤一端20cm處開始每隔10cm放置一個熱電偶，共放置8個熱電偶，熱電偶位于沙層表面下5mm處。然后將熱量穩(wěn)定的電爐子放在預(yù)先設(shè)計好的位置處，實驗開始5分鐘左右，用點火器在燃燒盤10cm處手動點火，火焰?zhèn)鞑サ?00cm處實驗結(jié)束。
圖14 每一個熱電偶放置處沙層表面的最高溫度與盤寬之間的關(guān)系Fig.14 Relationship between the width of steel tray and he highest temperature of the sand suface（measured by the thermocouples）.The mass ratio between sand and disel oil 5∶1
圖15 施加輻射熱通量測量火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊氖疽鈭DFig.15 Schematic diagram of the experimental apparatus for the effect of the radiation heat flux on the flame propagation rate
固定沙油質(zhì)量比為5∶1，沙子粒徑為0.45mm～0.9mm，改變輻射熱通量，實驗結(jié)果如圖16所示。隨著輻射熱通量的增加，浸油沙層表面的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?。由于實驗過程中只在燃燒盤的一端施加輻射熱，也就是固定燃燒盤中某一點處的輻射熱通量不變，因此，在施加輻射熱一端的火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@大于沒有施加輻射熱一端的火焰?zhèn)鞑ニ俣?。每一種輻射熱通量下，在燃燒盤10cm到50cm之間，隨輻射熱通量的降低，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u減??；由于輻射熱源加熱不到50cm后的沙層，所以這三種情況下的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€重合。
圖16 輻射熱通量對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懀ūP寬5cm）Fig.16 Effect of the radiation heat flux on the flame propagation rate.The width of steel tray is 5cm
4 結(jié)論及展望
4.1 結(jié)論
通過實驗研究得到如下結(jié)論：
（1）浸油沙層中含油量較多時，火焰蔓延初期，火焰蔓延速度較大，之后火焰蔓延速度趨于常數(shù)；而浸油沙層中含油量較少時，整個火焰蔓延過程中，火焰蔓延速度為常數(shù)。
（2）浸油沙層的火焰蔓延速度隨沙油質(zhì)量比的增大而減小。
（3）在本實驗條件下，火焰的蔓延速度隨燃燒盤寬度的增加先增大后減小。
（4）火焰蔓延速度隨輻射熱通量的增加而增大。
4.2 進一步展望
本文僅對沙油質(zhì)量比、燃燒盤的寬度及外界熱輻射對浸油沙層火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊戇M行了簡單的實驗研究。由于實驗條件的局限性，只是針對三種不同沙油質(zhì)量比進行了實驗，對于實驗中沙油比為3∶1時表面出現(xiàn)油面，其火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊陀谏秤捅葹?∶1時的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，只是進行了定性的分析，沒有做進一步的量化深入研究，應(yīng)進一步改變不同沙油質(zhì)量比，燃燒盤的寬度以及沙層的導(dǎo)熱性能研究浸油沙層的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
實驗過程中，選用鋼制燃燒盤，燃燒盤沒有經(jīng)過絕熱處理，也沒有考慮火焰蔓延過程中其底面及側(cè)面與外界的熱損失，而且鑒定火焰?zhèn)鞑サ矫恳粋€熱電偶處時可能有誤差，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫彩峭ㄟ^時間距離公式粗劣的計算了火焰?zhèn)鞑サ钠骄俣?，?yīng)進一步改進實驗設(shè)備，更精確的測量火焰?zhèn)鞑ニ俣?。在輻射熱源對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊憣嶒炑芯恐校皇抢秒姞t在燃燒盤的某一點處施加了固定的輻射熱通量，應(yīng)該制作一個能夠在燃燒盤上方均勻施加輻射熱的輻射熱源，測量整個燃燒盤在輻射熱源加熱下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，能夠比較準(zhǔn)確表征實際火災(zāi)過程中，燃料泄漏之后在不同輻射熱量、不同介質(zhì)中的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，更加精確的評價泄漏燃料的火災(zāi)危險性。
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