室外油池火燃燒特性實驗研究與數(shù)值模擬

劉偉，李越

中國礦業(yè)大學(xué)(北京)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083

可燃性油品在裝卸、儲運過程中可能泄漏，當(dāng)油品泄漏到地面后受地形限制，將在某一限定區(qū)域內(nèi)積聚，若遇到火源將引發(fā)油池火災(zāi)，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失[1]。因此，有必要對油池火開展深入全面的研究，以準(zhǔn)確認識其致災(zāi)機理。

近幾十年來，油池火災(zāi)被廣泛地研究。在研究內(nèi)容上，主要包括基本燃燒特性、溫度場和熱輻射場。孔得朋等[2]為探討不同直徑及初始油層厚度對沸溢火災(zāi)燃燒速率的影響，進行了小尺度沸溢油池火災(zāi)燃燒速率特性實驗研究，并在此基礎(chǔ)上建立了沸溢強度模型。吳向君等[3]在封閉空間開展了油池火實驗，研究不同羽流模型的適用性。陳陣等[4]對油池火經(jīng)典熱輻射模型的適用性進行了總結(jié)分析。在研究思路上，主要從實驗環(huán)境和燃油兩個方面設(shè)置實驗工況。張培紅等[5]進行了不同通風(fēng)條件下柴油池火實驗，對比分析不同通風(fēng)條件下燃燒及引燃特性。張云杰等[6]通過不同尺寸油池火災(zāi)實驗，主要研究了臨界參數(shù)。在研究方式上，主要有全尺寸實驗研究、小尺寸實驗研究和數(shù)值模擬三種?？等獎賉7]開展了小尺度油池火實驗，對其非穩(wěn)態(tài)燃燒特性和熱力學(xué)過程進行了細致的研究。Sikanen等[8]使用FDS研究了火焰對液體燃料表面輻射和對流熱反饋問題。周健楠等[9]用FDS對丙烷儲罐罐內(nèi)池火災(zāi)進行數(shù)值模擬，確定其熱輻射分布規(guī)律及煙氣影響范圍，進而分析了事故后果。然而，油池火研究還不夠多樣、大尺寸實驗研究不夠充分[10]、火羽流外側(cè)溫度研究還不夠系統(tǒng)、數(shù)值模擬不夠準(zhǔn)確。

針對以上研究現(xiàn)狀和問題，本文選擇低硫原油、高硫原油和重石腦油在室外開放空間進行不同燃燒面積的自由燃燒實驗，并將實驗得到的燃燒速率自定義輸入FDS中，對每組實驗進行模擬。首先，通過比較各實驗燃燒速率變化曲線，探究不同種類油料在不同燃燒面積時各燃燒階段的變化特征與聯(lián)系；其次，依據(jù)油盤正上方溫度測量數(shù)據(jù)，分析在不同燃燒階段油盤中心線和外側(cè)溫度分布及其變化機理，并與FDS的模擬結(jié)果進行比較；再次，選擇典型的輻射模型對測點接收熱輻射通量進行計算，將其與模擬值和實驗值進行對比，分析適用性；最后，對于大功率油池火災(zāi)，確定其“安全距離-時間”臨界曲線，得到距火源中心不同位置處人員可以暴露的時間。通過實驗和數(shù)值模擬研究，從燃燒速率、火羽流溫度和測點接收熱輻射通量三個方面認識油池火災(zāi)的燃燒特性，為科學(xué)防治提供理論基礎(chǔ)。

1 實驗設(shè)置與模擬

1.1 實驗設(shè)置

選擇低硫原油、高硫原油和重石腦油在室外開放空間進行自由燃燒實驗，實驗編號和燃料的基本性質(zhì)見表1。

為降低自然風(fēng)對池火影響，在油盤來風(fēng)向和垂直于風(fēng)向搭建擋風(fēng)板，燃燒過程中燃燒區(qū)未出現(xiàn)明顯的風(fēng)流。實驗選用的單個油盤內(nèi)部長、寬、高分別為0.841 m、0.595 m、0.13 m，油盤數(shù)量按照2、4、6遞增，油盤面積依次為1 m2、2 m2、3 m2；在其中一個油盤底部布置天平，記錄質(zhì)量隨時間的變化；在與油盤上邊沿相同高度水平距火源中心2.5 m、4.5 m、6.5 m處布置輻射熱流計，記錄熱輻射通量隨時間的變化；在油盤正上方距地面0.5 m處布置一束熱電偶，間距為0.3 m，對于Test1—Test5和Test8，熱電偶樹布置在油盤中心位置，記錄火羽流內(nèi)部溫度隨時間的變化；對于Test6和Test7熱電偶樹布置在油盤外側(cè)，記錄火羽流外部溫度隨時間的變化。實驗裝置布置如圖1所示。

表1 實驗編號和油料的基本性質(zhì)

圖1 實驗布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental arrangement

1.2 模擬簡介

本文依據(jù)實驗環(huán)境，確定模擬區(qū)域的長、寬、高分別為9 m、5 m、5 m，經(jīng)計算和網(wǎng)格獨立性驗證之后，選用0.15 m×0.15 m×0.15 m的方形網(wǎng)格。網(wǎng)格四周和頂部的邊界條件設(shè)置為開放，網(wǎng)格底部設(shè)置為0.5 m厚水泥，環(huán)境溫度為295 K，立體角數(shù)設(shè)定為800，煙灰產(chǎn)率0.1。油盤擺放、熱電偶和熱輻射計布置與實驗情況保持一致。

在FDS中，定義燃燒反應(yīng)的方式有兩種：一種是指定單位面積熱釋放速率，另一種是指定燃燒熱與其他熱參數(shù)。這兩種情況下，燃燒模型都可被使用，本文選擇前者，將實驗得到的燃燒速率曲線自定義輸入到FDS中，選用LES湍流模型進行數(shù)值模擬。FDS技術(shù)參考指南[11]中詳細地介紹了FDS的求解原理。其中，能量守恒方程如下：

2 結(jié)果分析與討論

2.1 燃燒速率

燃燒速率作為油池火的基本參數(shù)，是研究燃燒特性的基礎(chǔ)。低硫原油、高硫原油和重石腦油在油盤面積分別為1 m2、2 m2、3 m2時，燃燒速率隨時間的變化曲線如圖2所示。文獻[12]已經(jīng)簡要提及本文各實驗燃燒速率隨時間的變化規(guī)律，本文將對其變化機理進行詳細討論。

由圖2(a)(b)可知，低硫原油和高硫原油的燃燒過程均可以劃分為三個燃燒階段，即初期發(fā)展階段、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒階段和衰減熄滅階段。在燃燒的初期發(fā)展階段，燃燒速率近似線性趨勢增大，迅速達到峰值，且油盤面積越大，這種趨勢越明顯，燃燒速率峰值越早到達。由此可知，在防治原油池火災(zāi)時，應(yīng)著重控制燃燒面積，避免形成過大的原油燃燒面積，以最大程度減小池火災(zāi)帶來的危害。燃燒速率達到峰值之后，在一定范圍內(nèi)保持較小波動趨勢，稱之為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒階段。由低硫原油和高硫原油燃燒速率變化曲線可以看出其穩(wěn)定燃

圖2 燃燒速率隨時間的變化Fig.2 Change of combustion rate with time

燒階段持續(xù)時間很短，這主要是因為原油是多組分混合物，沒有固定的沸點，燃料不能以恒定的速率吸熱蒸發(fā)。在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒階段之后燃燒速率呈快速下降趨勢，直至燃燒結(jié)束，此過程為衰減熄滅階段。在整個燃燒過程中并未出現(xiàn)明顯的多個穩(wěn)定燃燒階段，此現(xiàn)象與隧道內(nèi)小尺寸原油池火的燃燒速率出現(xiàn)多個穩(wěn)定燃燒階段顯著不同[12]。一方面是因為本論文所進行的實驗油盤面積較大，屬于大尺寸油池火燃燒，原油升溫迅速，多組分的沸騰蒸發(fā)過程發(fā)生在短時間內(nèi)，彼此分界不明顯，基本呈現(xiàn)出一個準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒階段，并且隨著油盤面積的增大這種現(xiàn)象更為明顯；另一方面是由于燃燒環(huán)境的影響，隧道屬于狹長的受限空間，燃燒過程中會受到氧氣濃度和空氣流動等多重因素的影響。

由圖2(c)可以看出，在重石腦油燃燒的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段燃燒速率迅速增至最大，考慮本文所進行的實驗油料厚度均為0.01 m，綜合實驗現(xiàn)場觀察到油池壁出現(xiàn)的氣泡和火焰高度的變化特征，可以斷定此階段為沸騰燃燒階段。在沸騰燃燒階段油池壁產(chǎn)生了沸騰現(xiàn)象，液面和池壁的燃料大量氣化，致使燃料蒸氣在短時間內(nèi)迅速增加，燃燒速率快速增大。該結(jié)果與康泉勝等[13]對油池火沸騰燃燒階段研究時出現(xiàn)的現(xiàn)象類似，這說明油池火的沸騰燃燒與油品性質(zhì)和厚度關(guān)系緊密。

在整個燃燒過程中每個實驗燃燒速率均出現(xiàn)小幅度的波動。這一方面是由于環(huán)境對稱重系統(tǒng)的影響；另一方面是因為原油屬于多組分油品，燃燒時產(chǎn)生的燃料蒸氣不是單一組分，不利于燃燒速率的穩(wěn)定。在整個燃燒過程中出現(xiàn)的燃燒速率波動，一定程度上影響著火焰脈動和跳躍現(xiàn)象的產(chǎn)生，這種影響在火羽流溫度和測點接收熱輻射通量隨時間變化的趨勢上都有體現(xiàn)。

比較圖2可知，低硫原油和高硫原油燃燒速率的變化趨勢相似，相同油盤面積下燃燒速率相近，這說明硫元素的存在對燃燒速率幾乎沒有影響。而同等條件下重石腦油燃燒速率遠遠大于低硫原油和高硫原油，其燃燒更為劇烈。

2.2 火羽流溫度

火羽流是火災(zāi)的初始基本形態(tài)，可分為連續(xù)火焰區(qū)、間歇火焰區(qū)和浮力羽流區(qū)，溫度是其重要參數(shù)[14]。本文對各測點穩(wěn)定燃燒階段的溫度數(shù)據(jù)求平均，得到火羽流溫度垂直分布，如圖3所示。

圖3 火羽流溫度隨高度的變化Fig.3 Variation of plume temperature with height

由圖3(a)可知，油盤中心溫度隨高度的增加呈先增大后減小的變化趨勢。這主要是在靠近液面區(qū)域燃料蒸氣濃度比較高，而氧氣濃度不足以使可燃蒸氣完全燃燒，溫度相對較低。隨著高度的增加，由于體積膨脹和浮升力的作用燃料蒸氣向上流動，與此同時羽流不斷地卷吸新鮮空氣，在某一高度燃料蒸氣與氧氣的比值幾乎達到當(dāng)量比，在此區(qū)域燃燒最為劇烈，溫度達到最高；當(dāng)高度進一步增加時，燃料蒸氣濃度相對較小，不能進行劇烈燃燒，溫度趨于變低。對于同一種燃油，油盤面積越大，火羽流溫度越高。對比三種實驗油料可以看出，重石腦油火羽流溫度高于低硫原油和高硫原油，這主要是因為重石腦油屬于原油蒸餾或石油二次加工切取相應(yīng)餾分而得，以生產(chǎn)高辛烷值汽油為目的，熱值更高，燃燒更為劇烈，一旦發(fā)生重石腦油池火災(zāi)，會造成更大的危害。

由圖3(b)可以看出，火羽流外部溫度隨高度的增加而降低，且這種下降呈現(xiàn)出先急后緩的趨勢。這主要是在靠近液面區(qū)域燃料蒸氣充足，并且火羽流外側(cè)有充足的氧氣供給，為充分燃燒提供了條件，這與火羽流中心溫度的變化機理相印證。通過對比低硫原油和高硫原油火羽流外部溫度變化曲線，也能說明兩種原油中硫元素的差異對溫度影響較小。

由以上分析可知，低硫原油、高硫原油和重石腦油的火羽流在油盤中心垂直方向溫度的變化趨勢相似，而對于相同面積的池火，重石腦油燃燒時溫度更高，產(chǎn)生的威脅更大。以重石腦油油盤面積1 m2(Test3)為例，通過FDS對其模擬得到不同燃燒時間段溫度切片，如圖4(a)所示。對于低硫原油和高硫原油的大尺寸油池火，其火羽流外側(cè)垂直方向溫度的變化情況相似，與含硫量相關(guān)性不大。本節(jié)以高硫原油油盤面積3 m2(Test7)為例，通過FDS對其模擬得到不行燃燒時間段溫度切片，如圖4(b)所示。

由圖4可以直觀地看出，火羽流溫度在垂直方向上呈不連續(xù)分布，這說明其不是連續(xù)的火焰柱。從溫度的空間分布特征來看，油盤中心線區(qū)域的溫度是整個火羽流溫度最高的部分，基本呈現(xiàn)出自下而上先增加后減小的變化，而火羽流外部垂直方向的溫度自下而上逐漸減小。從溫度的大小來看，重石腦油油盤面積為1 m2時，油盤的中心線溫度達400 ℃～900 ℃，而單個油盤中心線溫度也達 300 ℃～600 ℃；高硫原油油盤面積為3 m2時，火羽流外側(cè)溫度距地面0.5 m處大約750 ℃，隨高度的上升逐漸下降到200 ℃左右。從火羽流區(qū)域來看，在連續(xù)火焰區(qū)高溫趨于集中，在間歇火焰區(qū)和浮力羽流區(qū)徑向溫度的變化較大。由此可知，溫度的模擬結(jié)果基本與實驗測量結(jié)果一致。

由圖4(a)可知，重石腦油燃燒在沸騰燃燒階段火羽流的高度和寬度達到最大，這說明在此階段燃燒最為劇烈，產(chǎn)生的危害最大，應(yīng)采取措施避免形成薄層重石腦油池火。由圖4(b)可知，對于大尺寸油池火，在其燃燒的三個階段中，火羽流外側(cè)溫度始終很高，影響范圍很大，有直接灼傷附近人員、引燃周圍物體的危險，應(yīng)該采取措施避免形成大面積油池火。

圖4 不同燃燒階段溫度切片F(xiàn)ig.4 Temperature slices at different combustion stages

2.3 測點接收熱輻射通量

對于大尺寸油池火，無風(fēng)或者較小風(fēng)速時只有少量熱氣往下風(fēng)向傳遞，即熱對流相對較弱，熱輻射是主要的傳熱方式。本節(jié)根據(jù)大型開放空間碳氫化合物火災(zāi)危險性計算公式[15]得到輻射模型計算值，并與FDS模擬值和實驗測量值相比較，如圖5所示。

圖5 測點接收熱輻射通量比較Fig.5 Comparison of heat radiation flux received at measuring points

由圖5可知，在靠近火源位置時點源模型和圓柱模型的計算值偏大，模擬值與測量值幾乎相等；隨著離火源距離的增大，點源模型和圓柱模型計算值與測量值逐漸接近，在距火源較遠的位置計算值、模擬值和測量值基本保持一致。這主要是因為點源模型將火焰看作一個對外輻射為各向同性的點，距離火源越近，這種假設(shè)的局限性越大；圓柱模型認為火焰表面均勻向外產(chǎn)生熱輻射，雖然可以將火焰輻射通量分為羽流底部發(fā)光區(qū)域和上方煙羽流兩部分進行計算，但距離火源很近時，計算結(jié)果仍較測量值偏高。

通過對圖5橫向和縱向比較可知，油盤等效直徑越大，測點接受的熱輻射通量越大；燃燒面積相同時，低硫原油和高硫原油相同位置接收的熱輻射通量相差不大，而重石腦油遠遠高于兩者，這種變化趨勢與前文燃燒速率和火羽流溫度的變化特征在本質(zhì)上相一致。從火源功率來看，當(dāng)火源功率在0.747 0～1.910 8 MW時，模擬值與實驗值幾乎相等，而點源模型和圓柱模型遠遠高于實驗值；火源功率在2.270 4～6.918 8 MW時，F(xiàn)DS的模擬結(jié)果相對于測量值偏小，點源模型計算值高出測量值很多，而圓柱模型計算結(jié)果與實驗值的逐漸靠近，這主要是因為FDS模擬時，室外燃燒環(huán)境存在瞬時變化，而邊界條件設(shè)置不能與其完全保持一致。

總體來看，通過將實驗燃燒速率曲線輸入到FDS中，對測點接收熱輻射通量的模擬是比較準(zhǔn)確的，這為不同場景大尺寸油池火災(zāi)的研究提供了可靠的選擇。同時，也驗證了圓柱模型對于大功率油池火災(zāi)不同位置接收熱輻射通量計算的科學(xué)性。本文在此研究基礎(chǔ)上，以Test8為例，基于熱通量-時間準(zhǔn)則、聯(lián)立圓柱模型方程和比率方程[16-17]，確定其“安全距離-時間”臨界曲線，如圖6所示。

通過“安全距離-時間”臨界曲線可以直觀地看出在距火源中心不同位置處人員可以暴露的時間，這對于科學(xué)地預(yù)防次生災(zāi)害發(fā)生和消防救援意義重大。

3 結(jié) 論

本文通過對室外開放空間油池火的實驗研究與數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

(1) 低硫原油和高硫原油的燃燒過程均出現(xiàn)三個燃燒階段。在燃燒初期發(fā)展階段，燃燒速率近似線性趨勢增大，穩(wěn)定燃燒階段不明顯，且未出現(xiàn)明顯的多個穩(wěn)定燃燒階段，重石腦油出現(xiàn)沸騰燃燒現(xiàn)象。

(2) 油盤中心溫度隨高度的增加先增大后減小，火羽流外部溫度隨高度的增加而減小，且下降趨勢先急后緩。在連續(xù)火焰區(qū)高溫集中，在間歇火焰區(qū)和浮力羽流區(qū)溫度變化較大。

(3) 將實驗得到的燃燒速率曲線自定義到FDS中，可以實現(xiàn)對測點接收熱輻射通量的準(zhǔn)確模擬。火源功率越大，圓柱模型的計算值與實驗值越接近。

(4) 同等條件下，重石腦油產(chǎn)生的危害大于低硫原油和高硫原油，大尺寸油池火產(chǎn)生的危險遠遠大于小尺寸油池火。

(5) 對于大功率原油池火災(zāi)，可以確定“安全距離-時間”臨界曲線，以直觀地掌握距火源中心不同位置處人員可以暴露的時間。