受限空間內小尺度油池火行為實驗

劉全義, 朱 博, 鄧 力, 胡 林

(中國民用航空飛行學院民航安全工程學院， 廣漢 618307)

隨著城市化進程的加快，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蔓延快的特點，滅火撲救極其困難。在布滿線路的受限空間內，容易因為電線老化、短路等發(fā)生火災，對人民生命財產(chǎn)安全造成危害。研究油池火燃燒特性，縮減火災報警時間意義重大。

油池火火災具有燃燒迅速、易擴散蔓延的特點，為提高火災探測器的預警能力，研究人員對油池火燃燒特性做了大量研究。王志剛[1]在隧道內進行了柴油池火燃燒特性實驗研究，測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)當風速約為0.3 m/s時，油池火燃燒速率和CO產(chǎn)量均達到最大值。蔡昕等[2]進行汽油和正庚烷油池火在常壓與低壓環(huán)境下的燃燒特性對照實驗，得出隨著壓力的減小火焰高度和火焰面積不斷增加，火焰高度與壓強呈冪函數(shù)關系。許曉元等[3]通過進行不同尺寸油盤食用油池火燃燒特性實驗，得到油池溫度上升曲線近似二次函數(shù)，并通過計算得出在不同尺寸油盤下油池火對應的熱釋放速率。Koji等[4]進行潤滑油池火實驗，研究室內的氣體溫度、煙氣濃度等燃燒特性對電路故障的影響。Tian等[5]研究自然通風和機械通風條件下甲醇池火災燃速的變化規(guī)律，得出在自然通風條件下，對流傳熱對燃燒速率有顯著影響。趙威風[6]利用實驗與數(shù)值模擬的方法，得出狹長空間內可燃物燃燒特性的變化規(guī)律，結果表明：在不同油盤直徑下各斷面處無量綱溫升與高斯分布的相似性很高。蔣新生等[7]進行了小尺度航空煤油池火燃燒特性實驗，發(fā)現(xiàn)瞬時燃燒速率是關于時間的函數(shù)且可分成五個階段，而初期是對火災最有效的防控?？椎门蟮萚8]通過小尺度沸溢火災試驗進行了原油燃燒速率特性研究，得出燃燒過程可以分成預燃—準穩(wěn)態(tài)燃燒—沸溢燃燒—火焰熄滅4個燃燒階段，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驗平臺，得到油池火的質量損失速率隨環(huán)境溫度升高而加大且環(huán)境溫度越高，池火進入沸溢噴濺階段所需時間越短，引燃周圍油盤的風險性就越高。周志輝[10]進行了Jet-A航空煤油和正庚烷油池火實驗，得出質量燃燒速率正比于壓力的2/3次方，質量燃燒速率主要通過火焰對油池表面的熱反饋決定，對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的特性，得出汽油火焰高度最高，且三種燃料在120 s以后達到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)。孫浩[12]設計出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，燃燒階段會隨著環(huán)形油池內外徑的增大而逐漸增多。王學輝[13]進行了兩種典型的混合液體的池火燃燒特性實驗，得出共沸液體的燃燒過程與單組份液體類似，燃燒過程中混合液體的物理化學性質穩(wěn)定，揮發(fā)出的混合液體蒸汽組成也是恒定的?？等獎賉14]進行了小尺度非穩(wěn)態(tài)油池火實驗研究，得出非穩(wěn)態(tài)燃燒過程可以分成預燃—穩(wěn)定燃燒—沸騰燃燒—衰減熄滅4個燃燒過程。孫志友等[15]通過在風速為零的條件下進行煤油池火的燃燒特性實驗，發(fā)現(xiàn)存在較高油池壁面時會導致油池火的燃燒速率較理論值更低。童琳[16]搭建了有風條件池火實驗平臺，得出在無風條件下油池火燃燒速率隨油池尺寸的增大而增大，在有風條件下不同直徑的油池火燃燒速率隨風速的增加而單調遞增。蔡賓斌[17]搭建了流淌火與油池火燃燒特性實驗平臺，使用汽油進行燃燒實驗作對照，得出結論：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，質量損失速率越小。雖然上述研究人員對單種油池火燃燒速率等特性進行了大量研究工作，但沒有對多種典型液體燃料進行油池火燃燒特性對比分析。因此需要對不同液體燃料進行油池火燃燒特性對比分析，為火災探測器識別液體火災提供數(shù)據(jù)支撐。

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

1 實驗設置

設計并搭建受限空間內小尺度油池火燃燒特性實驗平臺，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。實驗艙尺寸為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的架子上進行燃燒實驗。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并依次進行編號為T1～T6，其中T1熱電偶距油池5 cm，T6熱電偶距頂部35 cm。

圖1 實驗平臺Fig.1 Experimental platform

實驗采用三種等質量(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)，采用電火花點燃方式。由于航空煤油不易被點燃，故用少量正庚烷作為引燃劑。液體燃料被點燃后開始測量，采集可燃物燃燒煙氣成分濃度以及火焰溫度。為減小誤差，在每組試驗完成后，打開通風和艙門排出空間內熱煙氣，每組試驗間隔10 min，待油盤溫度、環(huán)境溫度與大氣濃度恢復到初始條件后，進行重復試驗，每組試驗重復3次，對相關測量數(shù)據(jù)取平均值。

2 結果與討論

2.1 燃燒溫度分布

受限空間內一旦發(fā)生火災，由于空間不易與外界交換的特點，在短時間內將會積聚大量熱量、煙氣顆粒以及有毒有害氣體等，對人的生命財產(chǎn)安全造成嚴重危害。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到800 ℃，間歇火焰區(qū)約為320 ℃?，F(xiàn)使用六根間距為10 cm、精度為0.01 ℃的K形熱電偶對正庚烷、環(huán)己烷和航空煤油的燃燒火焰溫度進行測量，結果如圖2所示。由于火焰一直處于抖動狀態(tài)，使得溫度的測量存在一定誤差，因此，將火焰溫度隨時間的變化曲線進行平滑處理，作出三種燃料火焰溫度隨時間變化趨勢的曲線。

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)己烷燃燒時溫度變化為迅速增長—緩慢增長—緩慢降低過程，航空煤油為迅速增長—緩慢降低—較迅速降低過程。外焰主要集中在高度為35～45 cm處，相對油池高度為55 cm的T6熱電偶溫度均低于T5，因為T6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。而在曲線中部存在一段相對水平的線段，是因為頂棚會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)定時期。取油池溫度降至室溫為終點，取正庚烷與環(huán)己烷燃燒時間為600 s，由于航空煤油燃燒穩(wěn)定持續(xù)時間長，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 ℃。結合實驗現(xiàn)象，航空煤油在油池火燃燒中會產(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，導致煙氣層熱量散失較慢，與火焰溫度差較低。說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

對三種燃料油池火煙氣溫度進行擬合，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間擬合關系式；T6為6號熱電偶溫度；t為時間。

2.2 溫度變化率

結合溫度變化與溫度變化率，溫度隨時間變化為先快速升高、緩慢變化到最后快速降低過程，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

在整個燃燒過程中，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時溫度達到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)展期時間占比均接近9.8%，隨著燃燒時間增加，燃燒進入穩(wěn)定期，正庚烷和環(huán)己烷穩(wěn)定期時間占比30%左右，航空煤油穩(wěn)定期時間占比超過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；發(fā)展期溫度變化率如圖5所示，正庚烷在t=13 s時，變化率最大為20.5 ℃/s，環(huán)己烷在t=10 s時，變化率最大為22.0 ℃/s，航空煤油在t=16 s時，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號與5號熱電偶溫度變化率接近6號，遠大于其余三根熱電偶，航空煤油4號與5號溫度變化率小于6號而接近其余三根，是因為航空煤油煙量大，煙氣層熱量積累較多，使得煙氣溫度變化較快，說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、氫兩種元素構成，燃燒過程中會消耗受限空間內的O2釋放CO、CO2等有害氣體，在受限空間內成年人所允許的最大CO含量為0.005%，吸入過多后會產(chǎn)生中毒癥狀。對氣體濃度變化曲線進行平滑處理得到結果如圖6所示，煙氣成分的變化可作為判斷受限空間內是否發(fā)生火災的依據(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O2消耗量增加，CO和CO2生成量增加；在穩(wěn)定期結束前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，且生成量最高點也為253 s左右；航空煤油燃燒CO濃度最高達到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含量達到0.005%，將會對人產(chǎn)生危害。由此可見，結合溫度變化率與煙氣成分可判斷受限空間內是否發(fā)生火災并分析出處于何種階段。

3 結論

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

(1)油池火最高溫度超過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0.005%，對人體有害，三種燃料O2、CO2與CO濃度變化曲線在t=253 s附近到達最高點。

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)生火災處于何種階段以及燃燒物種類，為提高火災預警準確率提供數(shù)據(jù)支撐。