航空煤油不同尺寸池火热流及温度特性研究

蒋新生，张霖，何东海，胡文超，刘鲁兴，赵亚东

（陆军勤务学院油料系，重庆401331）

引 言

油料具有易燃、易爆、易流动、易挥发等特性，储运过程中易引发安全事故。近40 年来发生的油库安全事故中爆燃类事故占比达42.4%[1]，发生爆燃事故时，存在多种类型的火灾，如喷射火灾、闪火灾、池火灾等。其中油罐中油品以池火形态燃烧[2]的情况最为常见。“池火燃烧”有两种形态：对于储油油罐来说，因油罐设备设施等老化或损坏导致油料泄漏并扩散，当遇到拦油堤等时会积聚形成“油池”形态，该形态着火即“受限型”油池火[3]；如没有拦油堤等防护措施，或拦油堤存在渗漏，油料则会继续扩散，在该形态下着火称之为“非受限型”油池火[4]。

国内外发生的油料火灾安全事故数不胜数。例如，2003年4月7日，美国ConocoPhillips 公司的一个内浮顶储罐发生爆炸并引发大火，大火持续了21 h，烧掉约7600 桶柴油，共造成近250 万美元的直接经济损失。2005 年12 月11 日，英国邦斯菲尔德油库912号储罐发生汽油泄漏，遇点火源后发生爆炸，大火持续了整整60 h，油库20 余座油罐损毁，虽无人员在事故中伤亡，但造成直接经济损失约2.5 亿英镑，并严重影响了欧洲的生态环境[5]。2009 年10月29日，印度拉贾斯坦邦斋浦尔市郊的某油库因燃油泄漏引发火灾爆炸，大火迅速蔓延到整个罐区，大火持续十几天，造成价值约为7.58 亿美元的直接经济损失并导致了严重的人员伤亡[6]。1989 年8 月12 日9 时，山东青岛黄岛油库发生了一起特大火灾事故，油罐因雷击爆炸起火并引燃周边油罐，大火共燃烧了104 h，烧掉原油3.6 万吨，烧毁油罐5 座，事故造成8500 万元的经济损失并导致近百人的人员伤亡[7]。2010 年1 月7 日，兰州石化公司某罐区发生泄漏并引发爆炸，爆炸引燃周围5个储罐，造成多人受伤，直到1 月9 日现场的火才扑救结束。2010年7 月16 日，大连新港中石油原油储备库管线爆炸引起大面积火灾，导致部分原油泄漏入海；10 月24日，该储备库103号原油储罐再次发生火灾，大火持续了10多个小时。据中国公安消防部门统计，仅在2017 年前三季度，我国共发生火灾21.9 万起，死亡人数1065 人，伤亡人数679 人，造成的经济损失高达26.2亿元。

对油池火灾来说，其最主要的危险源是热值高的泄漏油料[8]，主要有两种发展方式：一是火焰直接引燃周围油罐等现场可燃物和设施[9]；二是火焰与烟气产生很强的包括热辐射作用和热对流作用在内的间接热作用，进而引燃周围未着火油罐及设施，导致事故规模及损失扩大[10]。根据前人研究结果[11-15]，储油罐发生火灾并扩散时，大多不是因为相邻储罐油火直接点燃导致的。与闪火灾、爆炸等相比，尽管油池火灾的直接破坏作用相对不大，但油池火灾产生的高热辐射及热对流作用会对周围油罐设施产生多米诺效应，导致事故破坏范围升级。因此高热辐射强度及高温是评价火灾发展程度和危险性的一个重要指标，对设备和人员会造成不同的损伤及伤害[16]，对消防救援行动造成影响。

根据de Ris 等[17]的结论：当油池直径小于5 cm时，油池火传热形式以导热为主；当油池直径在5～50 cm 之间时，油池火传热形式一般以对流为主；当油池直径大于50 cm 时，油池火传热形式一般以辐射为主。一般来说，气体的燃烧和爆炸都能产生热负荷和压力负荷。通常用火灾造成的热辐射损害的等级来区分和建立火灾危险区。对于热负荷，美国国家防火协会推荐用5 kW/m2的事故热通量值来确定人员的安全防火距离[18]。所以研究油池火辐射及对流传热特性具有重要意义。火焰辐射作用主要来自燃烧过程中炽热的碳微粒、二氧化碳以及水蒸气等[19]。其中碳微粒对辐射射线可看作黑体，通过增强火焰黑度明显提高辐射强度；二氧化碳及水蒸气则通过其发射光谱及火焰中分压影响火焰辐射强度[20]。相较于其他常用燃油来说，航空煤油燃烧热值高，燃烧过程中辐射及对流作用较强，一旦发生火灾，破坏力及危害更大。前人通过实验发现油池火传热形式随油池直径变大逐渐由以导热为主变为以对流和辐射为主[21-24]。

油池火传热的热通量一般受火焰形状、火焰亮度、羽流温度分布情况和烟尘空间分布等因素影响，同时随油池直径的不同有所变化。这些因素通过影响油池火热反馈促进油料的挥发，决定了油池火燃烧过程的发展。同时油池火在火焰根部存在由四周卷吸空气的行为，这种卷吸行为与油池火热反馈存在耦合作用，影响油池火焰周围的流场变化。

本文参照油库油罐着火时油池火燃烧条件搭建了油料燃烧模拟实验台架，以航空煤油为介质，采集了燃烧过程中热对流强度、热辐射强度、温度等参数，对油池火热对流、热辐射与温度特性进行了分析。

1 实验部分

1.1 实验系统

航空煤油的燃烧实验在图1所示的油料燃烧模拟实验台架上进行，实验台架主要包括油料燃烧系统、数据测试采集系统、图像采集系统、排烟系统、消防灭火系统等。

图1 油料燃烧模拟实验系统Fig.1 Fuel combustion simulation experiment system

油料燃烧系统包括不同尺寸形状油池、电子点火装置等。

油池形状尺寸及工况如表1所示。

表1 油池尺寸形状及实验工况Table 1 Working condition of combustion experiments

油品点燃采用点火器手动点燃，点火器为JAJALIN 点火装置，燃料为液态丁烷，具有加长点火头。

数据测试采集系统包括热流数据采集装置、温度数据采集装置及图像采集装置等。

热流数据采集装置包括热流计、DaqPRO5300数据记录仪及配套的DaqLab 热流数据记录分析软件等，用于采集实验过程中不同位置的热通量数据。

DaqPRO5300 数据记录仪最多可以同时连接8个带内置热电偶的热流传感器，实时采集、记录和存储测试数据，结合配套的DaqLab 软件，可以实现快速数据下载、在线实时检索和显示数据（数字、条形图、曲线图、模拟仪表指针和数字仪表等众多形式）、图形分析、合并数据处理和直接输出数据到EXCEL等功能。

HT50高温辐射热流传感器内置了K型热电偶，可将辐射吸收面所吸收的辐射热量转换成直流线性信号、以毫伏级信号输向采集设备，辐射响应时间小于0.1 s，最大热辐射量程可达1 MW/m2，热辐射分辨率为141 W/m2。

温度数据采集装置包括热电偶、热电偶数据采集模块、数据记录软件等，用于采集实验过程中温度变化数据。

图像采集装置为高速摄像机，用于拍摄实验过程中油池火焰形态变化等，便于通过图像对油池火进行分析。

排烟系统包括排气扇与排烟管路，用于排除实验过程中油料燃烧产生的烟雾。

消防灭火系统包括手提式灭火器、灭火毯、泡沫灭火装置等。

1.2 实验方案

实验在陆军勤务学院火灾与爆炸实验室进行。实验使用辐射热流传感器对火焰外部辐射不同位置进行测量，采集点位置如表2 所示（D 为油池直径）。同时使用热电偶对油池上方中心线的火焰温度进行采集，采集点位置如表3所示。

表2 热流计位置Table 2 Position of radiation heat flowmeter

架设好实验台架后，向油池中加入油料。因航空煤油常温下不易点燃，故加入少量汽油作为引燃剂，因汽油易挥发，点燃后将迅速消耗完毕，故不影响实验数据采集，同时使用高速摄像机对实验全程进行记录。

表3 热电偶位置Table 3 Position of thermocouple

2 结果分析与讨论

油池火发展过程一般可分为初期阶段、发展阶段、稳定燃烧阶段和衰减阶段4 个阶段[25]，图2 为直径0.5 m 航空煤油圆形池火发展过程各阶段的实验录像截图。

从实验录像中可以看出：油池火初期阶段持续约10 s，火焰燃烧强度较小，以横向发展为主，直至火焰阵面扩散至整个油池，火焰高度较低，轴线表现为连续火焰；油池火发展阶段持续约40 s，火焰燃烧强度迅速提高，火焰向轴向发展，高度明显变高，开始表现出连续火焰与间歇火焰的分区；稳定燃烧阶段持续约250 s，火焰燃烧强度达到最大，火焰高度也达到最高，在无风条件下出现了约15°的火焰倾角，轴向明显分化为连续火焰区、间歇火焰区和烟羽流区；衰减阶段持续约100 s，火焰燃烧强度逐渐变小，先是轴向衰减，火焰不同区域分化逐渐模糊消失，高度逐渐降低，烟羽流区最先消失，间歇火焰区次之，最终只表现为逐渐变弱的连续火焰，最终横向衰减直到燃料燃烧殆尽，池火焰熄灭。

2.1 热通量变化规律

火焰传热主要通过两种辐射与对流两种方式。电磁波或光子所载运的能量称为辐射能。对航空煤油燃烧火焰来说，燃烧过程中产生的悬浮炭黑颗粒是使辐射热成倍增加的主要因素。把油池火焰看作是灰体，对含灰粒的火焰，其火焰辐射率表达式为

通常使用点源模型、MUDAN 模型[26]或固体火焰模型（SFM）[27]对油池火辐射进行计算。

点源模型用点热源代替池火焰，同时假设火焰辐射为均匀球面辐射[28]，该模型下辐射发射率表达式为

其中，Q 表示火焰热释放速率，χ 为火焰辐射分数，θ 表示被辐射目标和点源连线与垂线的夹角，d表示辐射目标与点源的距离。

图2 油池火发展过程Fig.2 Development process of oil-pool-fire

在SFM 模型中，油池火等效为拥有恒定外形及辐射发射功率的圆柱形，并不能准确表示航煤油火的辐射热流特征。针对航空煤油池火焰，庄磊[29]建立了双区域火焰辐射模型，该模型将火焰在轴向自下而上分为连续区、间歇区和烟羽流区，并得到了辐射率表达式

由式（1）～式（3）可看出，辐射率与燃料种类、油池直径以及被辐射体与池火距离等有关。

2.1.1 同一尺寸油池火热通量随高度及轴线方向变化规律 以直径0.5 m 圆形油池为例分析，图3为距油池轴线0.75 m，高0.50、0.75 与1.00 m 处的辐射热通量情况。油池火燃烧初期阶段燃烧强度较低，未产生过多悬浮炭黑颗粒，其辐射强度在不同高度处差别不大，均较弱。发展阶段火焰燃烧强度增加，开始产生悬浮炭黑颗粒，热辐射强度明显升高，0.50 m 处热辐射强度达到近9000 W/m2，0.75 m 处热辐射强度约7000 W/m2，1.00 m 处热辐射强度约2000 W/m2。稳定燃烧阶段燃烧强度达到最大，同时大量产生悬浮炭黑颗粒，辐射强度也在这一阶段达到最高并维持在该水平，在实验进行至253 s时三处测点测得辐射强度同时达到最高值，0.50 m 处热辐射强度最高达到11448 W/m2，0.75 m 处热辐射强度最高达7000 W/m2，1.00 m 处热辐射强度最高约3500 W/m2，该阶段三处测点辐射热通量平均值分别为10189、8052、2464 W/m2。衰减阶段燃烧强度逐渐降低，测点越高辐射强度下降速率越快，最终在池火熄灭后趋于一致。

距油池轴线0.75 m 处，自0.50 m 高处升高0.25 m 与0.50 m，高度达到0.75 m 与1.00 m 时，稳定燃烧阶段辐射热通量平均值分别下降约2000、8000 W/m2。高度增加1 倍，辐射热通量下降约4/5。可以看出，距油池轴线相同水平距离情况下，竖直高度越高，辐射热通量越小；且随高度升高，辐射热通量下降速度越来越快。

图3 不同高度距油池轴线0.75 m辐射热通量Fig.3 Radiant heat flux of 0.75 m from axis of oil pool at different heights

图4 与油池轴线不同距离高0.50 m辐射热通量Fig.4 Radiant heat flux at different lengths from oil pool axis 0.50 m

图4 为高0.50 m，距油池轴线0.75 m、1.00 m、1.50 m处辐射热通量情况。在油池火燃烧初期及发展阶段，距油池更近处辐射热通量升高更快；在油池火稳定燃烧阶段，距油池轴线0.75 m 处和1.00 m两处测点测得的辐射热通量相近，平均辐射热通量仅相差1248 W/m2；最高辐射热通量相差671 W/m2，约为最高辐射热通量的6%；在油池火衰减阶段，距油池较远处的辐射热通量降速较低，但因稳定燃烧阶段辐射热通量值低，故率先降至最低，距油池较近处辐射热通量降速较高，但后于远距离测点处降至最低值。

由图4 整体变化趋势对比可看出，同高度情况下，距离油池火越远，辐射热通量越小；且随着距离增大，辐射热通量下降速度越来越快。

图5 全热通量及辐射热通量对比Fig.5 Comparison of total heat flux and radiant heat flux

图6 对流热通量Fig.6 Convective heat flux

2.1.2 同一尺寸油池火热对流及热辐射变化规律图5 为高0.75 m 距油池轴线1.00 m 处测得的全热通量与辐射热通量，两者相减可得油池火燃烧全过程对流热通量情况，如图6 所示。在油池火燃烧初期及发展阶段，热辐射与热对流发展趋势趋同，且在该阶段结束时热通量均达到2500 W/m2左右。油池火进入稳定燃烧阶段后，热辐射与热对流均围绕3500 W/m2热通量上下波动，较为稳定；但稳定燃烧阶段进行约50 s后，对流热通量有明显提高，峰值达到约7000 W/m2，与此同时辐射热通量未有明显升高或降低，整个稳定燃烧阶段辐射热通量最大值约4500 W/m2。衰减阶段火焰热辐射与热对流同时迅速降低，基本同时达到最小值。

整体分析，油池火火焰在整个燃烧过程中主要呈竖直方向发展趋势，由于温度和悬浮炭粒基本局限在烟羽流内部，因此在水平方向上对周围影响相对较小，主要危害体现在辐射热通量上。

图7 不同高度距油池轴线1.5D处热通量Fig.7 Heat flux at 1.5D from axis of oil pool at different heights

2.1.3 不同尺寸油池火热通量变化规律 图7为高度1.00、0.75、0.50 m，距离轴线1.5D 处不同尺寸油池火焰燃烧热通量情况。由图可看出，直径0.4 m与0.5 m 的圆形油池火焰在该位置处热通量变化趋势基本相同，可以划分为初期阶段、发展阶段、稳定燃烧阶段与衰减阶段，区别主要在于不同尺寸油池火焰产生的热通量不同。但对于直径0.3 m 的正方形油池火焰来说，其燃烧过程与圆形油池火焰区别较大，油料点燃后全热通量迅速上升，持续短时间相对稳定状态后再一次迅速上升，到达热通量峰值后基本没有维持稳定，热通量迅速下降，逐渐回到零点。根据分析，可以将正方形油池火焰燃烧过程分为初期阶段、暂时稳定阶段、发展阶段与衰减阶段。对比不同形状油池火焰持续时间，可以看出两种形状油池火焰初期阶段持续时间基本相同，不同点主要在于当圆形油池火焰处于发展阶段时，正方形油池火焰进入了暂时稳定阶段；当圆形油池进入稳定燃烧阶段时，正方形油池火焰基本同时达到热通量峰值，随即迅速下降。

对比热通量峰值可发现：同形状油池火焰随油池直径增大，热通量峰值升高；但正方形油池火焰热通量峰值明显高于圆形油池火焰热通量峰值。

分析认为，正方形油池与圆形油池燃烧过程有所不同主要是因为对正方形油池来说油料表面张力及热反馈不均匀。油池火焰燃烧过程中，油料同时受到表面张力和浮力作用，同时因火焰热反馈产生蒸发与流动。对圆形油池火焰来说，各方向温度及张力均匀，故火焰发展至稳定燃烧状态后持续时间较长；对正方形油池火焰来说，油池边缘存在角度，各方向温度及张力不均匀，容易导致油料各处热反馈情况不同，从而导致油火燃烧无法达到一个相对稳定状态，在达到峰值后即迅速衰减。

图8 为高0.75 m、距油池轴线2D 处，热辐射强度与热对流强度对比。对圆形油池火焰，全热通量随着油池直径的增大而升高。但在距油池轴线2D处，对于边长0.3 m 的正方形油池，其全热通量峰值仍高于直径0.4 m 的圆形油池，但低于直径0.5 m 的圆形油池。对比图7同一高度距油池轴线1.5D处热通量，边长0.3 m 正方形油池热通量峰值高于直径0.4 m与0.5 m 的圆形油池。可看出正方形油池火焰热通量受轴向距离变化影响大于圆形油池。对比不同尺寸油池火焰热辐射密度，可以发现对圆形油池与方形油池，随着直径增大，辐射传热占全热流的比例均逐渐升高，对流传热占全热流的比例逐渐降低。体现出了随着直径增大，传热逐渐由对流主导转为辐射主导的变化趋势。

图9 为高0.75 m、距油池轴线3D 处不同尺寸油池火焰热通量对比。与前文近距离相比，圆形油池全热通量随距离增大整体和峰值均降低很快，但正方形油池热通量峰值降低相对较少。可以分析得出，圆形油池火焰向外传热能力受径向距离变化影响较大，方形油池受径向距离变化影响相对较小。

图8 高0.75 m距油池轴线2D处热通量情况Fig.8 Heat flux at 2D of 0.75 m away from oil pool axis

2.2 火焰温度变化规律

针对火焰中心线温度分布，McCaffrey[30]通过实验，提出了预测公式，并针对火焰连续区、间歇区以及烟羽流区给出了不同的参数取值范围

图9 高0.75 m距油池轴线3D处热通量Fig.9 Heat flux at 3D of 0.75 m away from oil pool axis

表4 火焰不同区域参数取值Table 4 Values of flame parameters in different regions

2.2.1 同一尺寸油池火轴向温度随高度变化规律以直径0.5 m 圆形油池火为例分析，图10 为该尺寸油池火燃烧过程中心线不同高度位置温度变化情况。由图可知，油池火中心线温度随高度升高逐渐降低，0.25 m 与1.00 m 两处测得最高温度分别为656℃与279℃，相差377℃。在油池火燃烧初期及发展阶段，高度越低，温度升高速率越快。根据温度变化趋势情况，可将油池轴向自下而上分为火焰底部可燃气体逐渐被加热区域、火焰区域以及烟羽流过火区域。在稳定燃烧阶段，不同高度测点测得的温度变化趋势有所不同：在刚进入稳定燃烧阶段时，高度较低的两个测点即达到最高温度，随后温度变化稳中有降；但当稳定燃烧阶段持续约100 s 后，高度较高的三个测点才达到最高温度。考虑原因是下部区域为火焰连续区，该区域油气浓度高、氧气浓度低，燃烧过程属于欠氧燃烧，油池火焰的热反馈是其温度变高的主要原因，因此在刚进入稳定燃烧阶段时，下部温度即同时达到最高温度；而上部区域存在油池火卷吸空气的现象，该区域氧气浓度逐渐变大，在油池火整体进入稳定燃烧阶段时，温度仍随着燃烧过程的充分进行而升高。

图10 0.5 m圆形油池不同高度火焰中心线温度变化Fig.10 Variation of flame centerline temperature of 0.5 m circle oil pool at different heights

图11 0.4 m圆形油池不同高度火焰中心线最高温度Fig.11 Maximum temperature of flame center line of 0.4 m square oil pool at different heights

图12 0.3 m方形油池不同高度火焰中心线温度变化Fig.12 Variation of flame centerline temperature of 0.3 m square oil pool at different heights

图13 不同高度火焰中心线最高温度Fig.13 Maximum temperature of flame center line at different heights

图13 为油池火轴线方向不同高度的最高温度变化趋势。最高温度随高度升高呈现下降趋势，但下降趋势逐渐变缓。考虑因实验油池尺度较小，其火焰脉动能力较强，火焰连续区范围要小于火焰间歇区。且油池火轴线方向高度增加时，存在对外损失的热量；同时越高的位置卷入空气越多，火焰温度下降速率越快。

2.2.2 不同尺寸油池火轴向温度对比分析 图14为不同尺寸油池火轴线位置在同一高度处温度变化情况对比。以油池轴线高1.25 m和0.25 m两处温度采集情况为例进行分析。从轴线温度变化上来看，方形油池与圆形油池轴线温度均经历了“升高—稳定—降低”的三个过程，且对于同一位置直径越大的油池温度越高。但幅度随着轴向高度的降低逐渐减小。当高度降低至0.25 m 时，油池尺寸对温度的影响较弱，三种尺寸的油池在该处温度变化情况和稳定状态下的温度基本一致。

3 结 论

通过对航空煤油进行不同尺寸形状油池火点燃实验，采集了燃烧过程中辐射热流数据及火焰中心线温度数据并结合理论进行了分析，得出以下结论。

（1）航空煤油池火辐射热通量随径向距离和高度的增大逐渐减小，其中辐射热通量对高度增加更为敏感，随高度升高下降幅度更快。可通过大尺度实验与数值仿真研究对其下降规律做进一步研究，对油池火扑灭有一定参考。

（2）航空煤油池火燃烧过程中对外传热方式主要有辐射与对流两种方式。对于同一尺寸的油池，其热辐射先于热对流达到强度最大值，此时两者强度相当；随后在稳定燃烧阶段后期热对流强度存在跃升现象，强度超过热辐射强度，成为该阶段主要传热方式；对不同尺寸油池，随着直径增大，辐射传热占全热流比例逐渐升高，逐渐由对流主导传热模式变为辐射主导传热模式。

（3）航空煤油池火中心线上，下部区域火焰连续燃烧、氧气浓度低，上部区域油火卷吸空气、氧气浓度较高，是导致不同高度最高温度到达时刻不同的主要原因；对不同尺寸油池，轴向高度越高，温度受油池尺寸影响越大。

（4）对不同尺寸油池火来说，其热通量峰值随着油池尺寸增大而增大，但因方形油池火燃烧过程中表面受力不均，热通量峰值显著高于圆形油池。

图14 不同尺寸同一高度处燃烧过程中温度变化Fig.14 Temperature variation during combustion at different sizes and the same height