棉花倉庫火災(zāi)蔓延影響因素?cái)?shù)值模擬研究

尹肖瑩,許 強(qiáng),趙江平

(1.西安建筑科技大學(xué) 材料與礦資學(xué)院,陜西 西安 710055;2.中交一航局第四工程有限公司,天津 300456)

棉花是關(guān)系我國國計(jì)民生的重要戰(zhàn)略物資，也是僅次于糧食的第二大農(nóng)作物，是我國農(nóng)村的重要經(jīng)濟(jì)作物，棉花產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中也占有重要地位[1]。然而棉花倉庫的消防安全問題十分嚴(yán)峻，棉花倉庫火災(zāi)事故時有發(fā)生，如2012年12月，上海浦東一棉花倉庫起火，5 h后才被撲滅，現(xiàn)場存放棉花1 500 t，過火面積約250 m2。2015年9月，常州一工廠內(nèi)的棉花倉庫發(fā)生火災(zāi)，倉庫被燒塌，過火面積約300 m2。目前國內(nèi)外的有關(guān)研究主要局限于棉花本身燃燒性能的研究，而從宏觀角度研究棉花倉庫火災(zāi)蔓延影響因素的較少。HAGEN等[2]研究了不同熱通量對棉花陰燃的影響，并通過實(shí)驗(yàn)研究了棉花密度對棉花陰燃的影響，最早提出棉花燃點(diǎn)隨著密度的增加而降低，且隨著密度的增大，燃點(diǎn)趨向于一個固定值；通過實(shí)驗(yàn)最先得出棉花密度在100 kg/m3時燃點(diǎn)為301 ℃～305 ℃，棉花密度在750 kg/m3時燃點(diǎn)約為275 ℃[3]。夏恩亮[4]針對輻射強(qiáng)度和含水率對棉花燃燒特性影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，提出不同含水率棉花發(fā)生陰燃和明火燃燒的最低輻射強(qiáng)度；實(shí)驗(yàn)還分別測得了棉花陰燃和明火燃燒的引燃時間、熱釋放速率、質(zhì)量損失速率以及CO和CO2生成率。包任烈等[5]對不同溫度、不同濕度狀態(tài)的棉花進(jìn)行自燃溫度測定和差熱-熱重分析，得出棉花的自燃溫度為260 ℃～280 ℃。筆者在前人實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究結(jié)論的基礎(chǔ)上，運(yùn)用PyroSim火災(zāi)模擬軟件，從棉花倉庫的不同著火位置著手，選取拐角處著火和倉庫內(nèi)著火這兩個典型的位置，研究不同著火位置、不同防火間距對倉庫內(nèi)棉花火災(zāi)蔓延的影響，以期為棉花倉庫火災(zāi)的預(yù)防和滅火提供依據(jù)。

1 棉花倉庫火災(zāi)模型

1.1 棉花倉庫及火災(zāi)場景

某儲備棉倉庫規(guī)格為：長60 m，寬30.2 m，高8 m，其中包括兩個大棉花垛和4個小棉花垛，棉垛之間的間距為3 m，每個棉垛均由一個個棉花包堆積而成，每個棉花包均按照標(biāo)準(zhǔn)《棉花包裝》(GB6975-2013)中棉包Ⅰ的尺寸，基本尺寸為：長1.4 m，寬0.53 m，高0.7 m，每個棉包平均重225 kg[6]。棉花的壓縮密度約為426.68 kg/m3，棉花比熱為1.4 kJ/(kg·K)，導(dǎo)熱率為0.03 W/(m·K)，棉花的燃燒熱為1.73×103kJ/kg。大棉花垛的尺寸為：長21 m，寬10.6 m，高6.3 m。小棉花垛的尺寸為:長14 m，寬10.6 m，高6.3 m。東西兩側(cè)各設(shè)置一個倉庫大門，大門寬5 m，高3 m。南北側(cè)墻上各設(shè)置兩組窗戶，窗戶尺寸為：寬5 m，高0.8 m，距地面高度為4 m。倉庫平面示意圖如圖1所示。

圖1 倉庫平面示意圖

為研究不同著火位置及棉垛間距對棉花倉庫內(nèi)火災(zāi)燃燒的影響，設(shè)置3種火災(zāi)燃燒工況:①工況一，棉垛間距均為3 m，著火點(diǎn)在倉庫拐角處；②工況二,棉垛間距為3 m，著火點(diǎn)在倉庫中間位置；③工況三,棉垛間距為3.5 m，著火點(diǎn)在倉庫中間位置。在火源位置及各窗口、大門位置從下到上每隔2 m高度設(shè)置熱電偶(1.5 m～7.5 m)，用來測量各個位置處溫度隨時間的變化情況。在倉庫縱向走廊部分，沿縱向方向每隔6 m設(shè)置1個測點(diǎn)，共9個測點(diǎn)，豎直方向每隔3 m設(shè)置1個測點(diǎn)，共3個測點(diǎn)，用來測量各位置處溫度隨時間的變化。在倉庫豎直位置Z=7 m處，設(shè)置溫度切片觀察倉庫內(nèi)該位置處溫度的變化。

1.2 邊界條件的確定

1.2.1 溫度

由于棉花吸濕性較強(qiáng)，因此倉庫內(nèi)需要保持相對穩(wěn)定的溫度，通常情況下，倉庫內(nèi)不存在明顯的因溫度引起的氣流運(yùn)動，故設(shè)定室內(nèi)初始溫度為23 ℃且保持恒定，不考慮溫度對室內(nèi)氣流組織的影響。

1.2.2 通風(fēng)口設(shè)置

筆者在研究倉庫火災(zāi)燃燒過程中，默認(rèn)大門及窗口均處于開啟狀態(tài)，煙氣和室外空氣可以自由通過大門和窗口，不考慮外界風(fēng)速從大門和窗口處吹入影響火災(zāi)燃燒的情況[7]。

1.2.3 火源位置、尺寸及火源功率

兩個火源的位置分別為棉花倉庫的拐角處和棉花倉庫中間處，火源尺寸為1 m×1 m，考慮到最不利的情況，設(shè)置火源為穩(wěn)定火源，功率為4 MW[8]。

1.2.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的劃分對計(jì)算結(jié)果的正確性影響很大，劃分過粗則容易影響計(jì)算結(jié)果的精確性，劃分過細(xì)則會花費(fèi)較多的計(jì)算時間。由于棉花倉庫尺寸較大，考慮到棉花倉庫結(jié)構(gòu)簡單、布置均勻且燃燒物質(zhì)單一，此處采用均勻網(wǎng)格，網(wǎng)格的大小設(shè)置為0.5 m，略小于棉垛最小尺寸0.53 m，可以保證計(jì)算的精確性。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 棉花倉庫內(nèi)著火位置對火災(zāi)的影響

通過數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)棉花倉庫在拐角處發(fā)生燃燒時，棉花倉庫在900 s內(nèi)沒有發(fā)生火焰的大規(guī)模擴(kuò)散現(xiàn)象[9]，工況一的火災(zāi)熱釋放速率曲線如圖2所示，可以看出火焰在明火燃燒后的第100 s時達(dá)到最大熱釋放速率，從初始的4 MW功率增長至最大值10 MW左右，隨后火焰熱釋放速率降低并維持在5 MW。工況一的燃燒速率曲線如圖3所示，可以看出燃燒速率最大值為0.55 kg/s，穩(wěn)定燃燒時基本保持在0.3 kg/s。工況一高度7m處的橫向截面溫度云圖如圖4所示，可以看出倉庫內(nèi)溫度最高的時間大概為燃燒后150 s左右，此時其余棉垛的表面溫度最大值在140 ℃，達(dá)不到棉垛明火燃燒的溫度。火源位置不同高度溫度曲線如圖5所示，可以看出火源位置最高溫度達(dá)到450 ℃，隨著棉垛表層的碳化，各測點(diǎn)溫度迅速下降，并保持在150 ℃左右。根據(jù)HAGEN等對不同棉花壓縮密度的燃點(diǎn)實(shí)驗(yàn)分析可知，棉花密度為100 kg/ m3時的燃點(diǎn)約為301 ℃～305 ℃，棉花密度為750 kg/ m3時的燃點(diǎn)約為275 ℃，而在一定范圍內(nèi)棉花的燃點(diǎn)與壓縮密度成反比。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，棉花倉庫內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)壓縮密度為426.68 kg/ m3，由此可以判斷，此時棉垛的陰燃溫度應(yīng)該在275 ℃～301 ℃之間。從高度7 m處溫度云圖和火源位置不同高度的溫度曲線來看，棉花倉庫周圍棉垛的溫度保持在150 ℃左右，沒有達(dá)到臨界燃點(diǎn)。因此，周圍棉垛沒有發(fā)生燃燒，此時倉庫內(nèi)火災(zāi)沒有進(jìn)一步擴(kuò)散，數(shù)值模擬的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

圖2 工況一熱釋放速率曲線

圖3 工況一燃燒速率曲線

圖4 工況一高度7 m處溫度云圖

圖5 工況一火源位置不同高度溫度曲線

在火災(zāi)的燃燒過程中通常根據(jù)平均溫度的變化而將燃燒過程劃分為5個階段，分別是起火階段、火勢增長階段、轟燃階段、充分發(fā)展階段和火勢衰減階段[10]。當(dāng)著火位置在棉花倉庫中間位置時，距離火源3 m的對面棉垛很快被點(diǎn)燃并且迅速擴(kuò)散，火災(zāi)的發(fā)展明顯分為4個階段(模擬時間內(nèi)不考慮衰減階段)，第一階段為火焰的起火階段，此階段火源的熱釋放速率從0 MW迅速增加到150 MW，燃燒速率從0 kg/s迅速增加到12 kg/s；第二階段為火勢增長階段，此時熱釋放速率和燃燒速率均有所降低，分別保持在75 MW和5 kg/s；第三階段為轟燃階段，最大熱釋放速率和火焰燃燒速率分別增長到250 MW和35 kg/s；第四階段為充分發(fā)展階段，此時火災(zāi)進(jìn)入大范圍穩(wěn)定燃燒階段，此階段火災(zāi)保持著較高的熱釋放速率和燃燒速度，如圖6和圖7所示。由于發(fā)生火災(zāi)時熱氣流上升，倉庫頂部的溫度上升最快，因此在距離頂部最近的7 m高度的平面設(shè)置溫度切片，通過溫度云圖的變化觀察倉庫內(nèi)溫度的分布情況，4個階段的溫度云圖如圖8所示，可以看出在火災(zāi)發(fā)展初期，火源處的對面棉垛溫度很快達(dá)到300 ℃以上，隨之迅速向周圍蔓延，隨著著火范圍的逐漸擴(kuò)大，燃燒產(chǎn)生的溫度也迅速增加，引燃周圍棉垛的溫度已經(jīng)達(dá)到500 ℃以上。隨著火焰的不斷蔓延，距離火源位置最遠(yuǎn)端的棉花垛也逐漸被點(diǎn)燃，火勢進(jìn)一步增大，倉庫內(nèi)溫度始終保持在500 ℃以上，其中在窗口和走廊位置溫度更是接近1 000 ℃的高溫，火災(zāi)逐漸進(jìn)入全面發(fā)展階段。

圖6 工況二熱釋放速率曲線

圖7 工況二燃燒速率曲線

圖8 工況二高度7 m處火災(zāi)發(fā)展四階段的溫度云圖

圖9 工況二各窗口測點(diǎn)溫度曲線

工況二各窗口測點(diǎn)的溫度曲線如圖9所示，可以看出各窗口測點(diǎn)的溫度增長趨勢和火災(zāi)熱釋放速率曲線基本一致，均出現(xiàn)兩次較大的增長，尤其是第二次溫度的急劇上升，使得所有測點(diǎn)的溫度保持在600 ℃以上的高溫。陳愛平等[11]將火焰從開口向外噴射且頂棚以下10 mm 處的熱氣層溫度達(dá)到600 ℃作為轟燃臨界條件，因此可以認(rèn)為在600 s時倉庫里發(fā)生了轟燃現(xiàn)象。然而，各個位置上發(fā)生轟燃的時間卻不相同，位置越高時，由于受火羽流和頂棚射流的影響，溫度增加較快，更容易在短時間內(nèi)發(fā)生轟燃現(xiàn)象。在火災(zāi)發(fā)生100 s和600 s時進(jìn)入棉花倉庫是很危險(xiǎn)的，此時正是火災(zāi)迅速發(fā)生的強(qiáng)盛時期。不同高度溫度變化不同，測點(diǎn)越高的位置溫度升高越快，較低位置的測點(diǎn)在火災(zāi)初期溫度變化不大，在550 s左右時出現(xiàn)溫度的迅速增長，說明此時受頂棚射流的影響，頂部的大量煙氣攜帶熱量已經(jīng)開始進(jìn)入倉庫大約1.5m高度的范圍，此時煙氣攜帶大量的熱量和有毒有害氣體開始對人體產(chǎn)生巨大危害，人員視線受阻，增加了火災(zāi)救援的難度。

2.2 棉花倉庫棉垛間距對火災(zāi)發(fā)展的影響

工況三將對面棉垛與著火點(diǎn)的位置增加到3.5 m[12]，數(shù)值模擬的結(jié)果如圖10～圖12所示?？梢钥闯觯?dāng)著火間距增加0.5 m時，火焰的最大熱釋放速率為15 MW，為間距3 m時的6%，燃燒速率最大值約為0.9 kg/s，僅為間距3 m時的2.5%，可見增加0.5 m的間距對棉花倉庫火災(zāi)的發(fā)展起到了明顯的抑制效果。從高度7 m處的平面溫度云圖還可以看出，當(dāng)火源熱釋放速率最大時對應(yīng)周圍棉垛的表面溫度最大值為170 ℃，沒有達(dá)到棉花著火所需要的溫度。此時僅能夠剛剛點(diǎn)燃對面棉垛，但是沒有足夠的溫度引起棉垛大范圍燃燒，火焰沒有擴(kuò)散。

圖10 工況三熱釋放速率曲線

圖11 工況三燃燒速率曲線

圖12 工況三高度7 m處溫度云圖

3 結(jié)論

筆者對某儲備棉倉庫不同著火位置及不同防火間距情況下火災(zāi)燃燒情況進(jìn)行數(shù)值模擬，并對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)在工況一中，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在拐角處，火源最高溫度達(dá)到450 ℃，然而由于火災(zāi)初期著火位置的棉垛發(fā)生碳化，一定程度上阻礙了棉垛的進(jìn)一步燃燒，當(dāng)溫度下降到150 ℃時，由火源產(chǎn)生的熱輻射已不能夠引燃其他棉垛，因此不易發(fā)生較大范圍的燃燒，此類火災(zāi)若在早期發(fā)現(xiàn)，則很容易撲滅。

(2)在工況二中，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在倉庫中間位置，此時危險(xiǎn)性較大，火災(zāi)的發(fā)展存在兩個明顯的升溫時間節(jié)點(diǎn)，分別為100 s和600 s。著火源能夠在100 s左右點(diǎn)燃距離3 m的棉垛并且火災(zāi)能夠迅速蔓延，在600 s左右倉庫內(nèi)將發(fā)生轟燃，最高溫度將達(dá)到1 000 ℃左右，因此在棉花倉庫火災(zāi)救援時應(yīng)當(dāng)避免在這兩個時間節(jié)點(diǎn)進(jìn)入倉庫。在550 s左右時，倉庫內(nèi)頂部煙氣攜帶大量有害氣體開始從頂棚位置下降到1.5 m高度位置，大大增加了火災(zāi)救援的危險(xiǎn)性，因此，火災(zāi)最佳救援時間應(yīng)當(dāng)在550 s之前。

(3)在工況二中，棉垛與棉垛之間的走廊處和大門口的開口處溫度升高更快，這是由于這些位置的氣流組織相對流動性好，氧氣更容易得到補(bǔ)充，充足的氧氣加劇了燃燒。所以，在進(jìn)行滅火撲救時，首先盡量避免進(jìn)入走廊位置，其次在走廊位置可以設(shè)置水噴淋來抑制火災(zāi)發(fā)展。

(4)在工況三中，增加 0.5 m的間距能夠大大降低火災(zāi)蔓延的風(fēng)險(xiǎn)，火災(zāi)熱釋放速率和燃燒速率的最大值分別降低了94%和97.5%，可見棉垛之間的間距對倉庫火災(zāi)發(fā)展影響很大，棉花倉庫棉垛之間的安全距離應(yīng)當(dāng)設(shè)置為3.5 m。

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