在复杂多变的通风环境中, 受油品成分、物化特性、油水比例等因素的影响, 池火火灾的发展和蔓延呈现特殊的规律性^[1].Garo等利用油水比例预测薄层池火喷溅的强度^[2].Ferrero, Kozanoglu等利用数值模拟和实验研究, 对薄层池火喷溅进行了热分析, 预测了喷溅发生的时间^[3-4].Yang, 康泉胜等分析了沸溢现象发生的基本条件、喷溅开始时间、喷溅时火焰的高度和突变程度^[5-6].Woods, Hu, 童琳等分析了风速对不同种类、不同尺寸池火燃烧特性的影响^[7-9].Carvel等认为在狭长受限空间中机械通风对池火的影响取决于池火的尺寸^[10].本文搭建通风环境下油池火灾实验平台, 通过实验研究, 分析含有不同油水比例的柴油池火的火焰温度、辐射热通量、火焰高度及喷溅现象等燃烧特性参数随油池的油水体积比、环境风速的变化规律.

实验平台长、宽、高分别为6m×1.5m×2m, 于末端设置1m×1m纵向通风口, 变频风机最大风量为22000m³/h.距离地面高度700mm设置1#，3#，5#和7#热电偶; 距离地面高度1700mm布置2#，4#和6#热电偶, 以测试火场温度分布和变化.8#，9#，5#和10#热电偶位于火源正上方, 用以测量池火火焰温度变化.在与火源同一高度, 距火源500mm和1000mm处分别布置1#和5#辐射热流计, 在火源上方500mm、距火源1000mm处布置3#辐射热流计, 测试火焰的辐射热通量.在油盘下方布置量程为4100g梅特勒电子天平, 测量精度为0.01g, 以监测燃烧过程中燃料的质量损失速率.实验平台测点布置见图 1.实验过程中首先在250mm×200mm油盆底部加入50, 100或250mL水作为水垫层, 然后再加入100mL柴油作为燃料.具体实验安排和典型实验现象详见表 1.

图 1(Fig. 1)

图 1 实验平台布置图(单位：mm) Fig.1 Experimental platform

表 1(Table 1)

表 1 实验安排 Table 1 Test cases 工况 柴油体积 水体积 油水体积比 风速 实验现象 mL mL m·s-1 1 100 50 2:1 0.12 连续喷溅 2 100 100 1:1 0.12 连续喷溅 3 100 250 2:5 0.12 喷溅间隔长 4 100 100 1:1 0.5 多次喷溅 5 100 100 1:1 1 多次喷溅 6 100 100 1:1 1.5 喷溅间隔长

表 1 实验安排 Table 1 Test cases

首先, 在实验平台内进行自然通风条件下油水体积比1:1(100mL柴油+100mL水垫层)的柴油池火实验, 自然通风条件下实验平台内平均风速为0.12m/s.图 2为火焰以及火场各测点温度的变化曲线, 图 3为各测点火焰辐射热通量变化曲线.

图 2(Fig. 2)

图 2 池火温度场发展 Fig.2 Pool fire temperature development

由图 2可见, 火灾的初起阶段持续了20s左右.初起阶段火焰最高温度瞬间升高到100℃左右后呈缓慢增长趋势, 此间火焰热辐射通量较低(见图 3).池火的成长阶段持续了30s左右, 火焰最高温度迅速由100℃上升到600℃左右(见图 2), 火源附近环境的温度也不断升高, 热辐射持续增加到700W/m²(见图 3), 成长阶段末期, 即油池在点火后大约50s开始出现气泡, 间歇有火星溅出, 通常被称为“准沸溢”现象.旺盛阶段持续的时间大约为70s, 火焰最高温度在550℃与720℃之间剧烈波动, 这是由于在这一阶段发生了沸溢及多次喷溅现象.在点火后77s出现沸溢现象, 此时火焰温度的波动幅度开始变大.85s开始发生间歇性喷溅, 喷溅高度约60~70cm.95s开始发生连续喷溅, 持续6s左右.油池火发生沸溢、喷溅现象时, 水蒸气的膨胀力使得油品向上喷出, 增加了油品与空气的接触面积, 火焰中油气的含量也随之增加, 燃烧更加充分剧烈, 火焰高度迅速增高到最大值125cm.火焰辐射热通量激增, 最大值达2060W/m²(见图 3).连续喷溅结束后, 又发生多次高度低于60cm的间歇性喷溅.120s以后, 火焰温度和热辐射强度迅速下降.在此过程中仍有高度低于30cm的喷溅间歇产生, 伴有零星爆破声音, 直至最终熄灭.

图 3(Fig. 3)

图 3 池火辐射热通量变化图 Fig.3 Pool fire radiant heat flux

在自然通风条件下进行不同油水体积比(2:1, 1:1, 2:5) 柴油池火实验, 见表 1工况1, 2, 3.图 4为不同油水体积比柴油池火火焰温度发展变化图.可以看出, 随着油水体积比的减小, 池火灾初起阶段持续时间显著增加.成长阶段持续时间基本相同, 均为30 s.随油水体积比的减小, 柴油池火旺盛阶段到来的时间延迟, 旺盛阶段持续的时间略有增加, 火焰所能达到的最高温度由800℃降低至600℃左右.这是因为随油水体积比的减小, 柴油质量损失速率也随之降低(见图 5), 表明柴油的气化率下降, 燃烧热释放速率随之下降.

图 4(Fig. 4)

图 4 不同油水体积比柴油池火火焰温度 Fig.4 Flame temperature under different diesel and water ratio

图 5(Fig. 5)

图 5 不同油水比例柴油质量损失速率 Fig.5 Mass loss rate under different diesel and water ratio

图 6为不同油水体积比柴油池火火焰辐射热通量的发展变化图.由图 6可见, 随着油水体积比的减小, 柴油池火火焰辐射热通量增长趋势减缓, 但两种油水体积比工况下, 热辐射所能达到的最大值(2060W/m²)相同.当油水体积比为1:1时, 辐射热通量在旺盛阶段后期才达到最大值, 且只保持15s.当油水体积比减小至2:5时, 火焰热辐射增长最缓慢, 旺盛阶段持续时间较长, 辐射热通量长时间稳定于750W/m², 实验现象观察表明油水体积比2:5的柴油池火没有发生连续的喷溅现象, 喷溅间隔时间进一步增加.由实验过程观察可见, 当油水体积比为2:1和1:1时, 在火灾的成长阶段后期和旺盛阶段均多次发生连续的喷溅现象.到了火灾的衰减阶段, 一方面, 油水体积比很小, 另一方面, 燃料燃烧产生的热量不足以使得水垫层气化, 因此, 火灾衰减阶段喷溅现象减弱, 喷溅次数减小, 间隔增长, 直至不再发生喷溅.这个现象与油水体积比2:5的工况3观察到的实验现象是一致的.

图 6(Fig. 6)

图 6 不同油水比例池火火焰辐射热通量发展图 Fig.6 Radiant heat flux under different diesel and water ratio

根据火灾燃烧学理论, 当油池直径大于200mm时, 池火中液体燃料燃烧释放的热量Q_fire的大小主要取决于燃料表面接受到的辐射热反馈q″, 燃料蒸发的气化潜热h_vap, 燃料的热值h_c, 燃烧热效率χ和油池面积A_f, 见式(1)：

(1)

在机械排烟情况下, 受限空间围护结构以及烟气和周围空气的对流换热损失增加, 会在一定程度上降低受限空间上部热烟气层温度T_g, 并最终造成燃料表面接受到的辐射热反馈q″降低.同时, 由于排烟的诱导作用, 受限空间氧气供应增加, 燃烧热效率χ会得到一定程度的提高.在机械排烟的降温效应和促进燃烧效应的耦合作用下, 柴油池火的火焰温度、火焰辐射热通量、燃料的质量损失情况和喷溅的激烈程度, 受油盆尺寸、柴油层厚度的影响更显著.机械通风条件下油水体积比(2:1和2:5) 对柴油池火燃烧特性的影响与自然通风条件下的规律相同.

在环境平均风速分别为0.12(自然通风), 0.5, 1.0和1.5m/s的条件下, 进行油水体积比1:1(100mL柴油+100mL水垫层)的柴油池火实验, 见表 1中工况2, 4, 5, 6.对于同样油盆尺寸、同样柴油层厚度和不同油水体积比(2:1和2:5) 的其他柴油池火工况, 其燃烧特性受通风条件的影响与下文所述情况相同.

图 7~图 9分别为不同风速条件下, 柴油池火火焰温度、柴油质量损失速率和火焰辐射热通量的变化曲线.

图 7(Fig. 7)

图 7 不同风速条件下池火火焰温度 Fig.7 Flame temperature under different air velocity

图 8(Fig. 8)

图 8 不同风速条件下柴油质量损失速率 Fig.8 Mass loss rate of diesel under different air velocity

图 9(Fig. 9)

图 9 不同风速条件下火焰辐射热通量 Fig.9 Radiant heat flux under different air velocity

由图 7可见, 在不同风速条件下柴油池火火焰所能达到的最高温度基本相同.随着风速的增加, 池火初起阶段所需时间明显缩短.这是因为, 风速的增加使得初起阶段柴油质量损失速率显著增加(见图 8).

成长阶段持续时间随风速的增大而延长.这是由于, 通风使得火焰与空气的对流热损失增加了, 火焰辐射热通量降低(见图 9), 柴油质量损失速率降低(见图 8), 池火发展至旺盛阶段所需的时间延迟.

在旺盛阶段, 当风速由0.12m/s增加至1.0m/s时, 油池火在旺盛阶段的持续时间因通风而延长.这是由于通风带来了大量的氧气, 此时通风对池火的促进作用远大于对流热损失的负面作用.但是, 当风速进一步增加到1.5m/s时, 通风带来的对流热损失对于池火的影响占主导作用, 同时, 由于火焰向下风向区域大幅度偏移, 最大偏移可达1400mm, 导致火焰对燃料表面的热反馈减弱, 没有发生连续的喷溅现象, 喷溅高度减小, 旺盛阶段的持续时间随风速的持续增大而缩短.这说明存在一个临界的风速值, 当风速超过该临界值时, 通风对燃烧产生的负面影响越来越显著.

1) 相同通风条件下, 水垫层厚度的增加可以减缓喷溅的激烈程度和延迟喷溅发生的时间.自然通风条件下, 油水体积比1:1的柴油池火喷溅时火焰高度最高达到125cm, 火焰温度及辐射热通量均在连续喷溅时达到了最大值.在旺盛阶段, 随油水体积比的减小, 柴油的质量损失速率降低, 火焰温度和热辐射减小, 喷溅频率和剧烈程度降低, 喷溅现象的发生时间有所延后.

2) 对于尺寸为250mm×200mm、同样柴油层厚度和不同油水体积比的柴油池火而言, 机械通风对池火燃烧特性的影响规律是相同的, 即存在一个临界的风速值, 当风速超过该临界值时, 通风对燃烧产生的负面影响越来越显著.

3) 机械通风使得柴油池火初起阶段火灾发展更为迅速, 成长阶段变缓, 火焰热辐射强度降低.在柴油池火的旺盛阶段, 当风速由0.12m/s增加至1.0m/s时, 通风对池火燃烧的促进作用占主导地位, 油池火在旺盛阶段的持续时间因通风而延长.当风速进一步增加到1.5m/s时, 通风对燃烧产生的负面影响占据了主导地位, 没有发生连续的喷溅现象, 池火旺盛阶段的持续时间随风速的持续增大而缩短.