基于貨物集裝箱的受限空間轟燃火災(zāi)行為研究

高佳鑫,黃志祥,陳 斌,趙悠霖

(1.深圳市城市公共安全技術(shù)研究院有限公司 消防安全研究所,廣東 深圳 518000;2.鹽田國(guó)際集裝箱碼頭有限公司 安全保安部,廣東 深圳 518000;3.深圳市消防救援支隊(duì) 防火監(jiān)督處,廣東 深圳 518000;4.廣東省消防救援總隊(duì) 法制與社會(huì)消防工作處,廣東 廣州 510000)

集裝箱作為海路、公路、鐵路運(yùn)輸中專門(mén)用于周轉(zhuǎn)運(yùn)輸?shù)慕饘偃萜?是一種特殊的受限空間。集裝箱火災(zāi)對(duì)堆場(chǎng)的危害程度因可燃物種類及數(shù)量、集裝箱位置、外部環(huán)境因素、集裝箱尺寸等因素不同而存在較大差異,受時(shí)間、成本等因素限制,難以全部采用全尺寸實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行論證分析[1-2]。近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及火災(zāi)動(dòng)力學(xué)的不斷發(fā)展,火災(zāi)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)得到的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,該方法能較好的預(yù)測(cè)火災(zāi)的發(fā)生及發(fā)展過(guò)程,具有較好的可靠性與經(jīng)濟(jì)性[3]?；馂?zāi)中轟燃現(xiàn)象的發(fā)生標(biāo)志著受限空間火災(zāi)由局部燃燒向全面燃燒轉(zhuǎn)變,不僅容易造成群死群傷,對(duì)自身的結(jié)構(gòu)安全也會(huì)造成嚴(yán)重威脅。因此,通過(guò)模擬,分析導(dǎo)致轟燃發(fā)生的臨界條件及轟燃后火勢(shì)發(fā)展的態(tài)勢(shì)對(duì)集裝箱火災(zāi)防治具有重要的意義,可為集裝箱類安全管理和滅火救援提供理論指導(dǎo)。

研究者們通過(guò)理論研究、數(shù)值模擬、實(shí)體實(shí)驗(yàn)等方式對(duì)受限空間的轟燃理論進(jìn)行了大量研究,BENGT等[4]根據(jù)熱力學(xué)理論,在尺寸為 2.90 m×3.73 m×2.70 m 的全尺寸房間中開(kāi)展了一系列火災(zāi)轟燃實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)引發(fā)轟燃所需的臨界條件為天花板下方 1 cm 處的溫度達(dá)到 600 ℃,提出了根據(jù)臨界轟燃燃燒速率預(yù)測(cè)轟燃的方法,并推導(dǎo)出經(jīng)驗(yàn)公式。牛少偉[5]在前人的基礎(chǔ)上提出發(fā)生轟燃的又一判據(jù),火災(zāi)時(shí)室內(nèi)其他可燃物熱解產(chǎn)生的可燃揮發(fā)成分迅速和空氣混合,達(dá)到其著火濃度下限且接觸到超過(guò)可燃物自燃點(diǎn)的高溫?zé)煔鈱?。王伯牙等[6]綜述了轟燃發(fā)生的成因及臨界條件,總結(jié)了目前描述轟燃發(fā)生的臨界條件的參數(shù)有熱通量、房間內(nèi)的溫度、燃料的燃燒速率、室內(nèi)體積燃空比(室內(nèi)可燃?xì)夂涂諝獾捏w積比)等。韋善陽(yáng)等[7]利用突變理論結(jié)合數(shù)值模擬軟件量化分析受限空間內(nèi)火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中的轟燃臨界值。驗(yàn)證了達(dá)到轟燃的溫度臨界值,并且理論與模擬結(jié)果一致,還證明了轟燃現(xiàn)象與外界風(fēng)的關(guān)聯(lián)性不大。KLOPOVIC等[8]在尺寸為 5.3 m×3.6 m×2.4 m 的燃燒室中研究了通風(fēng)條件對(duì)轟燃的影響,研究結(jié)果表明燃燒室頂棚溫度達(dá)到530 ℃左右時(shí)能夠引發(fā)轟燃,此后溫度會(huì)急劇上升,為避免火災(zāi)發(fā)展至轟燃,應(yīng)關(guān)注熱輻射的變化。

綜上,當(dāng)前研究主要集中在轟燃發(fā)現(xiàn)的臨界條件以及通風(fēng)等外界條件對(duì)轟燃發(fā)生的影響。故以受限空間理論為基礎(chǔ),對(duì)典型集裝箱碼頭的貨物集裝箱進(jìn)行火災(zāi)模擬研究,建立集裝箱FDS模型,通過(guò)設(shè)定不同的火災(zāi)場(chǎng)景,探究火源功率和開(kāi)口大小對(duì)集裝箱火災(zāi)的燃燒過(guò)程及特殊燃燒行為的影響。用數(shù)值模擬的方式探究集裝箱發(fā)生火災(zāi)時(shí)是否會(huì)造成轟燃現(xiàn)象以及造成轟燃的臨界條件,以期對(duì)集裝箱火災(zāi)救援及集裝箱碼頭的消防管理提供理論指導(dǎo)。

1 模型建立及工況設(shè)定

1.1 物理模型建立及初始參數(shù)設(shè)置

1.1.1 FDS模型建立

典型集裝箱主要分為兩個(gè)型號(hào):20 ft和40 ft標(biāo)準(zhǔn)集裝箱,其尺寸及容量如表1所示。

表1 集裝箱結(jié)構(gòu)尺寸

為驗(yàn)證FDS模擬集裝箱火災(zāi)的準(zhǔn)確性,模擬采用的集裝箱物理模型的尺寸與現(xiàn)有集裝箱一致。采用鋼制集裝箱,木質(zhì)底板,尺寸為12.0 m(長(zhǎng))×2.4 m(寬)×2.4 m(高),集裝箱相關(guān)尺寸如圖1所示,簡(jiǎn)化的FDS模型如圖2所示。

圖1 全尺寸實(shí)驗(yàn)集裝箱示意圖

圖2 FDS模型示意圖

1.1.2 測(cè)點(diǎn)設(shè)置情況

集裝箱內(nèi)共設(shè)17個(gè)熱電偶監(jiān)測(cè)點(diǎn)、22個(gè)熱輻射監(jiān)測(cè)點(diǎn),具體布置位置如圖3～圖4所示?；鹪瓷戏?.8 m處設(shè)一個(gè)熱電偶,距地面1.4 m處、頂棚內(nèi)外貼壁每隔1.5 m處設(shè)一個(gè)熱電偶,以測(cè)量集裝箱內(nèi)溫度變化。

圖3 溫度監(jiān)測(cè)位置布置圖

圖4 熱輻射監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

1.2 模擬工況設(shè)定

主要模擬不同開(kāi)口方式下,不同火源功率的集裝箱火災(zāi)燃燒特性,模擬過(guò)程中設(shè)定火災(zāi)類型為超快速t2火[9],火災(zāi)增長(zhǎng)速率為0.187 6 kW/s2,火源位置為集裝箱中部,火源尺寸為1.0 m×1.0 m,設(shè)定火源功率分別為2.00 MW、2.50 MW、3.00 MW、3.75 MW、4.00 MW、4.50 MW、5.00 MW;開(kāi)口方式設(shè)定為箱門(mén)全開(kāi)和箱門(mén)半開(kāi),共設(shè)定9種不同的工況,具體如表2所示。設(shè)定環(huán)境溫度為20℃,濕度為40%,風(fēng)速為0 m/s。

表2 火災(zāi)模擬工況設(shè)定

2.3 網(wǎng)格敏感性分析

在場(chǎng)模擬方法中FDS以網(wǎng)格作為最小計(jì)算單位,網(wǎng)格的大小決定了模型內(nèi)部偏微分方程在空間上的精度,良好的網(wǎng)格劃分能得到較準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。理論上,網(wǎng)格劃分越細(xì),計(jì)算結(jié)果越精確。而一個(gè)計(jì)算模型通常有數(shù)十萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)的網(wǎng)格,以及成千上萬(wàn)個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)。因此,需要結(jié)合計(jì)算機(jī)的性能和對(duì)計(jì)算時(shí)間的控制,在模型精度和計(jì)算時(shí)間之間取平衡點(diǎn)。

FDS 用戶手冊(cè)引入火源特征直徑D*與單位網(wǎng)格的公稱尺寸δx的相對(duì)大小D*/δx來(lái)衡量網(wǎng)格質(zhì)量的好壞,D*/δx越大表示丈量火源尺寸的網(wǎng)格數(shù)量越多,網(wǎng)格質(zhì)量越好[10-11]。D*的計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中:Q為熱釋放速率;ρ0為環(huán)境空氣密度;T0為環(huán)境溫度;cp為定壓比熱;g表示重力加速度,取9.8 m/s2。

FDS用戶手冊(cè)中指出模型建立時(shí),網(wǎng)格尺寸宜控制在0.06D*～0.25D*范圍內(nèi),具體如表3所示。

表3 火源特征直徑計(jì)算表

設(shè)定網(wǎng)格尺寸為0.2 m×0.2 m×0.2 m,所有工況中,火災(zāi)規(guī)模處于0.625～10.000 MW之間,網(wǎng)格尺寸小于0.25D*,因此,網(wǎng)格選取較為合理,能有效保證計(jì)算結(jié)果的精度及準(zhǔn)確性。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 轟燃發(fā)生判定依據(jù)

目前得到廣泛認(rèn)可的轟燃判據(jù)主要包括溫度判據(jù)和熱流判據(jù)[12]:①集裝箱內(nèi)部接近頂棚熱煙氣溫度超過(guò)600 ℃;②集裝箱內(nèi)部地板平面輻射熱通量超過(guò)20 kW/m2。

相關(guān)研究表明,可采用轟燃所需最小釋熱速率預(yù)測(cè)轟燃,并提出不同的計(jì)算最小轟燃釋熱速率的經(jīng)驗(yàn)公式,如THOMAS[13]提出的公式(2)和BABRAUSKAS[14]提出的公式(3)。

(2)

(3)

式中:Qmin為最小轟燃釋熱速率;W0和H0分別為通風(fēng)口寬度和高度;AT為房間內(nèi)表面總面積。

2.2 箱門(mén)全開(kāi)時(shí)不同火源功率對(duì)轟燃發(fā)生的影響

2.2.1 集裝箱內(nèi)溫度場(chǎng)變化情況

為了對(duì)比火源功率對(duì)集裝箱發(fā)生轟燃火災(zāi)的影響,設(shè)定2.0 MW、30.0 MW、4.0 MW、5.0 MW共4種不同的火源功率,通過(guò)對(duì)比不同位置的溫度場(chǎng)變化和輻射影響[15-16],根據(jù)轟燃判定公式來(lái)判斷是否發(fā)生轟燃。模擬過(guò)程中測(cè)定了火源上方0.8 m處的溫度變化情況,發(fā)現(xiàn)其溫度變化與火源功率變化情況關(guān)系不大,這是由于各工況條件下,0.8 m處測(cè)點(diǎn)均處于火焰中,在火源的炙烤下,測(cè)點(diǎn)溫度持續(xù)保持高溫,該測(cè)點(diǎn)的溫度隨火源功率的變化較小。

各工況下不同位置的溫度平均值和最高值如表4所示,1～16號(hào)測(cè)點(diǎn)的溫度變化情況如圖5所示。由表4和圖5可知,1.4 m高度處測(cè)點(diǎn)溫度隨著火源功率的增大而升高。頂棚區(qū)域溫度方面,測(cè)點(diǎn)13位于火源正上方,溫度最高;測(cè)點(diǎn)14～16溫度明顯低于測(cè)點(diǎn)9～12,其最高溫度均不超過(guò)600 ℃。

圖5 不同位置溫度監(jiān)測(cè)值

表4 火源中心垂直方向測(cè)點(diǎn)溫度值

2.2.2 集裝箱內(nèi)熱輻射場(chǎng)變化情況

(1)箱體底部不同位置熱輻射影響。箱體內(nèi)底部熱輻射曲線如圖6所示,可知火源規(guī)模越大,集裝箱底面所受到的熱輻射越強(qiáng),當(dāng)火源功率達(dá)到5.0 MW時(shí),其集裝箱內(nèi)部分測(cè)點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度超過(guò)10 kW/m2,未超過(guò)轟燃臨界值20 kW/m2。

圖6 集裝箱內(nèi)部不同位置熱輻射值

(2)箱體頂部不同位置的熱輻射影響。集裝箱頂棚處熱輻射監(jiān)測(cè)曲線如圖7所示,可知隨火源功率的增大,該測(cè)點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度也隨之增大,當(dāng)火源功率達(dá)到5 kW/m2時(shí),頂部區(qū)域的最大熱輻射強(qiáng)度約為70 kW/m2,能夠引燃的集裝箱內(nèi)其他可燃物。

圖7 集裝箱外側(cè)不同位置熱輻射值

(3)箱體開(kāi)口位置的熱輻射影響。集裝箱外側(cè)各測(cè)點(diǎn)的熱輻射情況如圖8所示,對(duì)于集裝箱開(kāi)口一側(cè)不同位置的熱輻射強(qiáng)度,相同位置測(cè)點(diǎn),火源功率越大,其受到的熱輻射影響越強(qiáng),當(dāng)火源功率達(dá)到5 MW后,距箱門(mén)水平距離為1 m處的測(cè)點(diǎn)熱輻射強(qiáng)度超過(guò)10 kW/m2。

圖8 集裝箱外側(cè)不同位置熱輻射值

2.3 箱門(mén)半開(kāi)時(shí)火源功率對(duì)轟燃行為的影響

2.3.1 集裝箱內(nèi)溫度場(chǎng)變化情況

對(duì)于火源正上方0.8 m處的測(cè)點(diǎn)溫度,隨著火源功率的增大,集裝箱頂部的煙氣層厚度也隨之增加,隨著煙氣層往下沉降,火焰高度隨之降低,導(dǎo)致0.8 m測(cè)點(diǎn)位置的溫度也隨著不斷降低。集裝箱箱門(mén)半開(kāi)時(shí),火源上方0.8 m處的溫度變化情況,且當(dāng)火源功率小于3.75 MW時(shí),除火源正上方外,其他區(qū)域各測(cè)點(diǎn)的頂棚溫度處于400 ℃～600 ℃之間。當(dāng)火源功率大于3.75 MW時(shí),頂棚部分區(qū)域的溫度超過(guò)600 ℃。

火源中心垂直方向的各測(cè)點(diǎn)溫度值如表5所示,不同位置的溫度監(jiān)測(cè)值如圖9所示。通過(guò)對(duì)比5個(gè)工況的溫度場(chǎng)情況發(fā)現(xiàn),對(duì)于靠近開(kāi)口一側(cè)區(qū)域,火源功率越大,其內(nèi)部空間溫度越高。隨著火源功率的不斷增大,燃燒所需的氧氣也隨之增加,由于火源內(nèi)側(cè)區(qū)域不能及時(shí)補(bǔ)充新鮮空氣,且大量煙氣在端部蓄積沉降,因此,該區(qū)域溫度相對(duì)來(lái)說(shuō)低于火源外側(cè)的溫度。

圖9 不同位置溫度監(jiān)測(cè)值

表5 火源中心垂直方向測(cè)點(diǎn)溫度值

3.3.2 集裝箱內(nèi)熱輻射場(chǎng)變化情況

(1)箱體內(nèi)部不同位置熱輻射影響。集裝箱內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的溫度曲線如圖10所示,可知隨著火源功率的增大,該測(cè)點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度也隨之增大,當(dāng)熱輻射強(qiáng)度達(dá)到10 kW/m2時(shí),可引燃集裝箱底部紙質(zhì)包裝材料等物質(zhì)。

圖10 集裝箱內(nèi)部不同位置熱輻射值

(2)箱體開(kāi)口位置的熱輻射影響。集裝箱外各測(cè)點(diǎn)的溫度曲線如圖11所示,可知對(duì)于集裝箱開(kāi)口一側(cè)不同位置的熱輻射強(qiáng)度,相同位置測(cè)點(diǎn),火源功率越大,受到的熱輻射影響越強(qiáng),當(dāng)火源功率達(dá)到5.00 MW后,距箱門(mén)水平距離1 m處的測(cè)點(diǎn)熱輻射強(qiáng)度超過(guò)10 kW/m2。

圖11 集裝箱外側(cè)不同位置熱輻射值

4 不同場(chǎng)景發(fā)生轟燃情況

設(shè)定模擬的集裝箱尺寸為12.0 m×2.4 m×2.4 m,在模擬過(guò)程中,設(shè)定開(kāi)口為一端箱門(mén)全部開(kāi)啟,其開(kāi)口尺寸為2.2 m×2.4 m。故集裝箱的轟燃的最小熱釋放速率計(jì)算如表6所示。根據(jù)文獻(xiàn)[13]的計(jì)算結(jié)果,當(dāng)一端箱門(mén)開(kāi)啟時(shí),在尺寸為12.0 m×2.4 m×2.4 m的集裝箱內(nèi)發(fā)生轟燃的最小熱釋放速率不小于2 165 kW;當(dāng)一端箱門(mén)僅開(kāi)啟一扇箱門(mén)時(shí),其發(fā)生轟燃的最小熱釋放速率不小于1 352 kW。根據(jù)文獻(xiàn)[14]計(jì)算結(jié)果,當(dāng)一端箱門(mén)開(kāi)啟時(shí),在尺寸為12.0 m×2.4 m×2.4 m的集裝箱內(nèi)發(fā)生轟燃的最小熱釋放速率不小于6 692 kW;當(dāng)一端箱門(mén)僅開(kāi)啟一扇箱門(mén)時(shí),其發(fā)生轟燃的最小熱釋放速率不小于3 346 kW。

表6 火災(zāi)場(chǎng)景下發(fā)生轟燃情況對(duì)比

由表6可知,文獻(xiàn)[13]中當(dāng)一端箱門(mén)全開(kāi)時(shí),火源功率超過(guò)2.10 MW時(shí)即可發(fā)生轟燃,箱門(mén)僅打開(kāi)一半時(shí)火源功率超過(guò)1.30 MW時(shí)即可發(fā)生轟燃;而由文獻(xiàn)[14]的結(jié)果可知,當(dāng)集裝箱一端箱門(mén)全開(kāi)時(shí),其最小熱釋放速率應(yīng)為6 692 kW,這與模擬結(jié)果也較為吻合。從模擬結(jié)果中可知,一端箱門(mén)全開(kāi)、火源功率小于5.00MW的火災(zāi)規(guī)模的模擬工況下,均未發(fā)生轟燃現(xiàn)象。結(jié)合模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)依據(jù)文獻(xiàn)[14]的理論計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果更接近。

當(dāng)一扇箱門(mén)開(kāi)啟(開(kāi)口尺寸為2.4 m×1.2 m)條件下,對(duì)各工況模擬結(jié)果進(jìn)行分析可知,火災(zāi)規(guī)模小于3.75 MW的工況均未達(dá)到轟燃判定的條件;當(dāng)火源功率達(dá)到3.75 MW時(shí),其頂棚溫度超過(guò)600 ℃,集裝箱內(nèi)地面熱輻射強(qiáng)度最大值約為10 kW/m2,且集裝箱內(nèi)充滿火源且火焰通過(guò)開(kāi)口噴出,集裝箱內(nèi)部的可燃物被引燃,結(jié)合上述相關(guān)判據(jù),該工況中發(fā)生了轟燃現(xiàn)象。當(dāng)火源功率增大到5.0 MW時(shí),根據(jù)模擬結(jié)果顯示各工況發(fā)生了轟燃。

5 結(jié)論

利用FDS模擬對(duì)集裝箱火災(zāi)進(jìn)行模擬,通過(guò)設(shè)置不同火源功率、不同開(kāi)口方式的模擬工況,對(duì)各模擬工況下不同測(cè)點(diǎn)的熱通量和溫度進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明:①火源功率為3.00 MW,集裝箱箱門(mén)全開(kāi)時(shí),對(duì)內(nèi)頂棚處溫度影響不大,但對(duì)距火源0.8 m和1.4 m處測(cè)點(diǎn)的溫度影響較大,分別比箱門(mén)半開(kāi)時(shí)高出49 ℃和53 ℃,;火源功率為5.00 MW時(shí),集裝箱箱門(mén)開(kāi)放程度對(duì)內(nèi)頂棚和距火源1.4 m處溫度影響較大,其溫度分別比箱門(mén)半開(kāi)時(shí)的溫度高出129 ℃和248 ℃,而對(duì)距火源0.8 m處測(cè)點(diǎn)的影響較小;②箱門(mén)全開(kāi)時(shí),火源功率越大,測(cè)點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度越大,且集裝箱外側(cè)各測(cè)點(diǎn)熱輻射值均高于集裝箱內(nèi)部,最高能達(dá)到75 kW/m2;箱門(mén)半開(kāi)時(shí),熱輻射通量反而下降,且內(nèi)部值與外部值相差不大。③分別使用文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[14]的公式計(jì)算了相同工況下是否發(fā)生轟燃,并與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)V.Babrauskas公式更接近模擬結(jié)果,且當(dāng)箱門(mén)全開(kāi)時(shí),集裝箱不會(huì)發(fā)生轟燃,而箱門(mén)半開(kāi)時(shí),火源功率為3.75 MW時(shí)就會(huì)發(fā)生轟燃。