轰燃的发生是室内火灾进入充分发展阶段的标志.一旦发生轰燃，意味着室内所有的可燃物表面均可以被引燃^[1].Drysdale,Peacock等利用报纸、纸张、胶合板、塑料等不同类型可燃物进行不同尺度的轰燃实验，分析引起轰燃的临界条件^{[1, 2, 3, 4, 5, 6]}.目前普遍接受的轰燃发生的临界条件有：①受限空间上部热烟气层的平均温度达到600 ℃；②地面接收的热辐射强度达到20 kW/m²；③通风口排出的烟气中有火焰窜出.Poulsen等^[3]以常见装饰物为燃料开展了全尺寸轰燃实验，发现轰燃的临界温度与壁面材料的热惯性以及可燃物在热反馈条件下不同的热物性密切相关.Beard^[7] 分析了轰燃和受限空间围护结构热惯性的关系，建立了轰燃模型.Francis^[8],宗若雯^[9]，刘斌^[10]，陈爱平^[11]等进一步通过实验和理论分析相结合的方法，对室内火灾轰燃的判据和理论模型进行了分析和验证.Tsai等^[12]利用汽油和异丙醇为燃料进行了一系列小尺度轰燃模型实验，认为在受限空间内燃料的发烟特性与轰燃发生的相关性很小，热不稳定性是导致轰燃发生的根本原因.目前关于轰燃的研究大多是在近似正方体的室内受限空间内进行.众所周知，与建筑物室内固体可燃物火灾相比，公路隧道、地下车库或者城镇地下油气管道发生的火灾爆炸事故中，狭长受限空间内复杂通风条件下可燃液体引起的火灾轰燃的危险性更加严重.本文以柴油作为研究对象，实现受限空间火灾轰燃现象的重构，分析在不同通风条件下，当柴油被高温烟气层所造成的热辐射引燃的时刻，受限空间的临界热环境参数.

受限空间实验模型主体尺寸长宽高为3.6 m×1.5 m×0.6 m，模型的壁面和顶部、底部均采用“1 mm厚镀锌钢板+30 mm岩棉保温层+1 mm厚镀锌钢板”的结构形式，模型的两端设活动镀锌钢板，以实现对于通风口面积的调整.

实验模型中部放置直径分别为400 mm或500 mm的铸铁燃烧盘作为主油盆M，内部添加2L、纯度为95%的工业酒精作为主燃料.辅油盆S直径为200 mm，内置100 mL,35号柴油作为待引燃燃料，辅油盆和主油盆中心距离为400 mm，如图 1所示.在辅油盆的两侧安置法国Captec公司生产的TS-30B型辐射热流计R1和R2，以测量轰燃实验中地面所接收的热辐射通量，见图 1.自受限空间顶部以下50 mm开始，共布置了5个热电偶树(1-T~5-T).热电偶均为直径1 mm K型铠装热电偶，以测量火源表面、火焰以及上部热烟气层温度的演变.自顶棚50 mm向下，每个热电偶树上面第1 ~ 第3个热电偶垂直间距为50 mm，第3 ~第5个热电偶垂直间距为150 mm；热电偶树1-T和5-T分别距受限空间两侧端面100 mm，其中热电偶树3-T位于主油盆正上方，2-T,4-T和3-T的间距均为800 mm，如图 1所示.热电偶树3-T和实验模型上部三层热电偶的测量范围为-50℃至1 300 ℃，短期工作温度为1 200 ℃，长期工作温度为900 ℃，其他热电偶测量范围为0~600 ℃，误差一般在0.67%t至0.89%θ(θ为热电偶的实测温度)之间.在距离实验模型底板垂直距离150 mm高度设置C1,C2两个烟气成分采样探头，顶板下方150 mm处设置C3烟气成分采样探头，利用VARIO PLUS增强型烟气分析仪进行烟气中CO,CO₂,O₂和碳氢化合物成分的数据采集和分析.热电偶、热辐射通量和烟气成分采样测点的布置见图 1.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 受限空间通风口设置和测点布置示意图(单位：mm) Fig. 1 Layout of the vents and the test points in the confined testing model

开启受限空间两端下部两个通风口A和B,通风口尺寸均为1.5 m×0.2 m，见图 1.开启排烟风机，调整受限空间实验模型通风口A,B断面平均风速，分别进行不同通风风速条件下的轰燃实验，分析柴油在受限空间轰燃实验中能够被引燃的临界条件.实验工况如表 1所示.实验中，点燃主火源之后开始计时，单次实验结束后，进行通风冷却，待受限空间室内平均温度下降到室温以后，再进行下一组实验，以保证实验条件的一致性.

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 不同通风条件轰燃实验的工况表 Table 1 工况 序号 断面平均风速 风机启动时刻 主燃料尺寸 引燃时刻 引燃时刻的临界参数 氧气体积分数 热辐射通量 热烟气层平均温度 m·s-1 s mm s % kW·m-2 ℃ 1 0 — 500 214 19.5 5.27 397 2 0.5 150 500 400 18.5 6.65 390 3 1 150 500 未引燃 — — — 4 0 — 400 370 20.4 4.38 364 5 0.5 150 400 未引燃 — — —

表 1 不同通风条件轰燃实验的工况表 Table 1 Testing cases of the flashover tests under different ventilation conditions

对受限空间上部1~4层热电偶测点的温度进行计算，对上部热烟气层平均温度的演变规律进行分析，见图 2.对待引燃油盆附近地面接收到的热辐射通量分析见图 3，实验过程中柴油油盆附近氧气体积分数的演变如图 4所示.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图 2 上部热烟气层平均温度 Fig. 2 The average temperature in the upperlayer of the hot smoke

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图 3 地面所接收到的热辐射通量 Fig. 3 The radiation heat flux at the floor

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图 4 柴油燃料附近O2含量 Fig. 4 The oxygen concentration near the diesel

从图 2和图 3可以看出：在一定的受限空间内，自然通风条件下，工况1直径为500 mm酒精池火实验中，受限空间上部热烟气层平均温度的温升速度以及地面所接收到的热辐射通量的增加速度远远大于工况4直径为400 mm油盆的工况. 500 mm的油盘在点火后214 s即引燃了柴油，而400 mm的油盘引燃柴油的时刻为点火后370 s.如图 4所示，工况1轰燃发生前氧气体积分数降低到了18.5%，工况4轰燃前氧气体积分数始终在19.8%以上.这是由于大尺寸火源燃烧导致空间氧气供应不足，工况1中500 mm油盆在50 s左右进入通风控制阶段，因此，500 mm油盆引燃柴油时刻，上部热烟气层平均温度达到了397 ℃，热辐射通量达到了5.27 kW/m²(见图 3)，而工况4临界时刻上部热烟气层平均温度为364 ℃，热辐射通量为4.38 kW/m²,工况1比工况4中400 mm油盆引燃柴油所需的临界温度和热辐射通量各提高了约9%和20%.因此可以得出:在一定的受限空间内，在能够保障燃料燃烧所需的基本氧气需要的前提下，随着主火源面积的增大，虽然引燃柴油所需时间缩短，但引燃发生时刻上部热烟气层的临界温度和地面所接收到的临界热辐射通量将随通风情况的不同而不同；对于处于通风控制阶段的受限空间而言，通风量不足，将导致引燃柴油所需热力学特性参数的临界值增大.

改变主燃料酒精池火的直径，点火后150 s开启机械排烟风机，使通风口处分别保持0.5和1 m/s的平均风速，实验工况见表 1工况2，3和5.实验结果表明，对于500 mm酒精主油盆而言，自然通风条件下，在214 s时引燃柴油；在断面平均风速为0.5 m/s的通风条件下，400 s时引燃柴油；而当风速增大到1 m/s时，柴油未被引燃.当酒精主火源直径减小为400 mm时，断面平均风速为0.5 m/s的通风条件下，不能引燃柴油.

对直径500 mm酒精主油盆在3种不同通风条件下引燃柴油的工况进行对比.如图 2和图 3所示，启动通风以后至引燃柴油的时刻为止，受限空间上部热烟气层的平均温度以及地面所接收到的热辐射始终低于自然通风工况，风速越大，减小的幅度越大.这是因为通风条件下新鲜空气的进入促进了燃料更加充分燃烧的同时，也增强了受限空间烟气层和火焰与外界的对流换热损失.对于本文所建的实验模型而言，风速增加到0.5 m/s造成的对流换热损失已经超过了助燃的效应.当风速继续增加到1 m/s时，对流换热损失远远超过了助燃的效应，上部热烟气层的平均温度已经降低到了300 ℃以下，地面接收到的热辐射通量也小于3.9 kW/m²，导致柴油未能被引燃.对于工况2而言，150 s开启机械通风以后，受限空间待引燃的柴油燃料附近氧气体积分数增加(见图 4)：在0.5 m/s风速条件下，从开启通风的时刻开始至350 s期间内，柴油油盆附近氧气体积分数始终高于18.7%；350 s以后，一直到400 s引燃柴油时刻为止，燃料附近氧气体积分数降低到18.5%以下，低于自然通风情况下引燃柴油时刻的氧气体积分数，这是因为通风促进了充分燃烧造成的.在柴油被引燃时刻，上部热烟气层平均温度达到了390 ℃，热辐射通量达到了6.65 kW/m².因此0.5 m/s通风条件下引燃柴油所需的上部热烟气层的平均温度和地面热辐射通量的指标均有所增加.

在一定的受限空间内，自然通风条件一定的情况下，随主火源面积的增大，柴油被引燃的时间提前；由于燃烧消耗了受限空间的氧气，引燃柴油所需的上部热烟气层温度以及地面接收到的热辐 射的临界值增加.在火源燃料量和火源直径一定的条件下，一定范围内通风量的增加在促进燃烧的同时会造成燃料附近氧气体积分数的下降和对流换热损失增加，引燃柴油的时间和所需的热力学参数增大.因此，一定的受限空间火灾轰燃实验中，引燃柴油所需的临界氧气体积分数、上部热烟气层平均温度和地面接收到的热辐射通量3个参数是互相制约的.