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)量和長度逐年遞增，隧道內(nèi)列車行駛的安全性也越來越受到人們的重視。隧道內(nèi)列車事故主要分為碰撞、脫軌、火災(zāi)3類[1]。隧道內(nèi)空間狹小，列車上人員眾多，發(fā)生火災(zāi)時(shí)旅客隨身攜帶的行李極易助長火災(zāi)的發(fā)展，且車廂內(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)迅速沿列車車廂縱向蔓延，對(duì)旅客安全構(gòu)成極大威脅。因此，開展隧道火災(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度及能見度變化范圍，并以此制定防災(zāi)疏散救援策略。

國內(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)行過大量的試驗(yàn)研究。國內(nèi)方面，張念[2]以93#汽油為燃料，通過縮尺試驗(yàn)的方式，分別在關(guān)角隧道和太原開展了燃燒試驗(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研究，但油池的熱釋放速率僅通過理論計(jì)算得到，并未進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測；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]、陳長坤等[8]通過全尺寸試驗(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，通過改變油池面積來控制火源功率。國外方面， 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??；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，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，研究了隧道長度對(duì)火源熱釋放速率的影響，但并未說明油池面積過大時(shí)熱釋放速率的變化規(guī)律。

綜上，目前國內(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，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)過程復(fù)雜，燃料種類眾多且不易獲取，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，而且熱釋放速率也難以定量測量，會(huì)對(duì)最終擬合出的曲線產(chǎn)生較大干擾。所以，本文總結(jié)了大量國內(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 國內(nèi)外既有隧道火災(zāi)模型試驗(yàn)

本文針對(duì)國內(nèi)外33起隧道火災(zāi)模型試驗(yàn)火源類型進(jìn)行研究分析，其中國內(nèi)試驗(yàn)16項(xiàng)，國外試驗(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%，醇類燃料約占31%；國外隧道火災(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、木材、橡膠等真實(shí)燃料。

2)國內(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、烷烴及化石燃料，常用作火源的醇類包括甲醇、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；a、b為擬合曲線的一次項(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)量損失率來計(jì)算，通過油池燃燒試驗(yàn)，測得質(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(見圖8)。燃料質(zhì)量損失率通過測量油池燃料的質(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，見圖9)對(duì)油池燃料質(zhì)量變化進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。

圖8 試驗(yàn)油池

圖9 試驗(yàn)所用電子秤

本次試驗(yàn)場地?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)間變化曲線如圖11所示。

圖11 油池剩余質(zhì)量隨時(shí)間變化曲線

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)間變化曲線如圖12所示。

圖12 質(zhì)量損失率隨時(shí)間變化曲線

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)測值與理論擬合曲線及誤差修正數(shù)值如圖13所示。

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

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

通過對(duì)國內(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%，醇類燃料約占31%；國外隧道火災(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、木材、橡膠等真實(shí)燃料。

2)國內(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)定的醇類和烷烴類燃料，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量，所以，火源熱釋放速率的測定宜在無風(fēng)條件下進(jìn)行。