受限空间内小尺度油池火行为实验

刘全义, 朱 博, 邓 力, 胡 林

(中国民用航空飞行学院民航安全工程学院， 广汉 618307)

随着城市化进程的加快，住宅楼、隧道和地铁等受限空间逐渐增多，油池火具有易燃、热释放速率高与火势蔓延快的特点，灭火扑救极其困难。在布满线路的受限空间内，容易因为电线老化、短路等发生火灾，对人民生命财产安全造成危害。研究油池火燃烧特性，缩减火灾报警时间意义重大。

油池火火灾具有燃烧迅速、易扩散蔓延的特点，为提高火灾探测器的预警能力，研究人员对油池火燃烧特性做了大量研究。王志刚[1]在隧道内进行了柴油池火燃烧特性实验研究，测量和分析不同直径和柴油深度池火燃烧速率、CO产量以及温度分布，发现当风速约为0.3 m/s时，油池火燃烧速率和CO产量均达到最大值。蔡昕等[2]进行汽油和正庚烷油池火在常压与低压环境下的燃烧特性对照实验，得出随着压力的减小火焰高度和火焰面积不断增加，火焰高度与压强呈幂函数关系。许晓元等[3]通过进行不同尺寸油盘食用油池火燃烧特性实验，得到油池温度上升曲线近似二次函数，并通过计算得出在不同尺寸油盘下油池火对应的热释放速率。Koji等[4]进行润滑油池火实验，研究室内的气体温度、烟气浓度等燃烧特性对电路故障的影响。Tian等[5]研究自然通风和机械通风条件下甲醇池火灾燃速的变化规律，得出在自然通风条件下，对流传热对燃烧速率有显著影响。赵威风[6]利用实验与数值模拟的方法，得出狭长空间内可燃物燃烧特性的变化规律，结果表明：在不同油盘直径下各断面处无量纲温升与高斯分布的相似性很高。蒋新生等[7]进行了小尺度航空煤油池火燃烧特性实验，发现瞬时燃烧速率是关于时间的函数且可分成五个阶段，而初期是对火灾最有效的防控。孔得朋等[8]通过小尺度沸溢火灾试验进行了原油燃烧速率特性研究，得出燃烧过程可以分成预燃—准稳态燃烧—沸溢燃烧—火焰熄灭4个燃烧阶段，随着油盘直径的不断增大，稳定燃烧速率与沸溢燃烧速率也不断增大。张怡[9]搭建小尺寸的油池火燃烧实验平台，得到油池火的质量损失速率随环境温度升高而加大且环境温度越高，池火进入沸溢喷溅阶段所需时间越短，引燃周围油盘的风险性就越高。周志辉[10]进行了Jet-A航空煤油和正庚烷油池火实验，得出质量燃烧速率正比于压力的2/3次方，质量燃烧速率主要通过火焰对油池表面的热反馈决定，对流热反馈是燃料气化蒸发的主要原因。苏琳等[11]研究了汽油、柴油和乙醇三种液体燃料自由燃烧时的特性，得出汽油火焰高度最高，且三种燃料在120 s以后达到稳定燃烧状态。孙浩[12]设计出5种不同特征尺寸的环形燃烧器，提出在10 mm燃料厚度下，燃烧阶段会随着环形油池内外径的增大而逐渐增多。王学辉[13]进行了两种典型的混合液体的池火燃烧特性实验，得出共沸液体的燃烧过程与单组份液体类似，燃烧过程中混合液体的物理化学性质稳定，挥发出的混合液体蒸汽组成也是恒定的。康泉胜[14]进行了小尺度非稳态油池火实验研究，得出非稳态燃烧过程可以分成预燃—稳定燃烧—沸腾燃烧—衰减熄灭4个燃烧过程。孙志友等[15]通过在风速为零的条件下进行煤油池火的燃烧特性实验，发现存在较高油池壁面时会导致油池火的燃烧速率较理论值更低。童琳[16]搭建了有风条件池火实验平台，得出在无风条件下油池火燃烧速率随油池尺寸的增大而增大，在有风条件下不同直径的油池火燃烧速率随风速的增加而单调递增。蔡宾斌[17]搭建了流淌火与油池火燃烧特性实验平台，使用汽油进行燃烧实验作对照，得出结论：流淌火比油池火的火焰高度低，温度范围小，且随着斜面角度的增加，质量损失速率越小。虽然上述研究人员对单种油池火燃烧速率等特性进行了大量研究工作，但没有对多种典型液体燃料进行油池火燃烧特性对比分析。因此需要对不同液体燃料进行油池火燃烧特性对比分析，为火灾探测器识别液体火灾提供数据支撑。

在密闭实验舱内进行正庚烷、环己烷和航空煤油燃烧试验，研究三种典型液体燃烧燃料的温度变化率、燃烧过程及其生成气体浓度等火场特性参数，以期为分析火灾的燃烧过程提供试验依据。

1 实验设置

设计并搭建受限空间内小尺度油池火燃烧特性实验平台，如图1所示。主要由受限空间、烟气分析仪(OPTIMA7)和K形热电偶组成。实验舱尺寸为2.7 m×4.16 m×2 m，且处于常温、常压环境。采用直径为0.2 m、高为0.1 m的油盆，置于高为1 m的架子上进行燃烧实验。烟气分析仪探头置于距油盆中心70 cm，地面高度140 cm的立杆处，连接数据线采集可燃物燃烧产物中的烟气成分浓度。在距油池上方5 cm处布置6支直径为1 mm、测温范围在-50～1 200 ℃的K形热电偶采集可燃物燃烧火焰及烟气层的温度，根据距离油池底部高度，从下而上热电偶间隔10 cm并依次进行编号为T1～T6，其中T1热电偶距油池5 cm，T6热电偶距顶部35 cm。

图1 实验平台Fig.1 Experimental platform

实验采用三种等质量(100 g)的典型液体燃料，分别为航空煤油(JET A-1)、正庚烷(≥99%，0.683 g/cm3)及环己烷(≥99.5%，0.778 g/cm3)，采用电火花点燃方式。由于航空煤油不易被点燃，故用少量正庚烷作为引燃剂。液体燃料被点燃后开始测量，采集可燃物燃烧烟气成分浓度以及火焰温度。为减小误差，在每组试验完成后，打开通风和舱门排出空间内热烟气，每组试验间隔10 min，待油盘温度、环境温度与大气浓度恢复到初始条件后，进行重复试验，每组试验重复3次，对相关测量数据取平均值。

2 结果与讨论

2.1 燃烧温度分布

受限空间内一旦发生火灾，由于空间不易与外界交换的特点，在短时间内将会积聚大量热量、烟气颗粒以及有毒有害气体等，对人的生命财产安全造成严重危害。Drysdale[18]研究了油池火燃烧特性，得出油池表面附近温度能够达到800 ℃，间歇火焰区约为320 ℃。现使用六根间距为10 cm、精度为0.01 ℃的K形热电偶对正庚烷、环己烷和航空煤油的燃烧火焰温度进行测量，结果如图2所示。由于火焰一直处于抖动状态，使得温度的测量存在一定误差，因此，将火焰温度随时间的变化曲线进行平滑处理，作出三种燃料火焰温度随时间变化趋势的曲线。

图2 油池火温度变化曲线Fig.2 Temporal evolution of pool fire burning temperature

从图2可知，正庚烷与环己烷燃烧时温度变化为迅速增长—缓慢增长—缓慢降低过程，航空煤油为迅速增长—缓慢降低—较迅速降低过程。外焰主要集中在高度为35～45 cm处，相对油池高度为55 cm的T6热电偶温度均低于T5，因为T6热电偶布置接近受限空间顶部，可将T6温度视为烟气温度，在轴线上火焰温度具有从焰心到外焰逐渐升高、外焰到烟气层逐渐降低的特点。而在曲线中部存在一段相对水平的线段，是因为顶棚会累积一定厚度的热烟气层，热量散失慢，使得T6温度存在一段较稳定时期。取油池温度降至室温为终点，取正庚烷与环己烷燃烧时间为600 s，由于航空煤油燃烧稳定持续时间长，取1 000 s。三种燃料地火焰、烟气、最高温度如图3所示。由图3可知，三种燃料中正庚烷的火焰最高温度达到738 ℃，环己烷的最低为704 ℃。烟气最高温度均小于火焰最高温度，正庚烷燃烧的烟气温度最高为670 ℃，环己烷的最低为627 ℃，航空煤油烟气与火焰最高温度差最小且为50 ℃。结合实验现象，航空煤油在油池火燃烧中会产生大量黑烟，烟量多且向上蔓延速率低于正庚烷与环己烷，导致烟气层热量散失较慢，与火焰温度差较低。说明不同液体油池火燃烧产生的烟量及烟气层蔓延速率不一致。

图3 火焰及烟气最高温度Fig.3 Flame maximum and smoke maximum temperature

对三种燃料油池火烟气温度进行拟合，发现油池火烟气温度较好地满足高斯分布，拟合公式为

(1)

(2)

(3)

式中：fhep、fcyc、favi为三种燃料油池火烟气温度与时间拟合关系式；T6为6号热电偶温度；t为时间。

2.2 温度变化率

结合温度变化与温度变化率，温度随时间变化为先快速升高、缓慢变化到最后快速降低过程，发现可将燃烧阶段分为发展期—稳定期—熄灭期，如图4所示。

图4 燃烧阶段Fig.4 Combustion stages

在整个燃烧过程中，正庚烷发展期温度急剧升高至638 ℃(t=57 s)，稳定期温度缓慢升高，在t=262 s时温度达到665 ℃，熄灭期温度变化曲线满足反比例函数分布；环己烷温度的曲线变化与正庚烷相似；航空煤油温度急剧增至651 ℃(t=101 s)，稳定期在增至最高温度714 ℃(t=263 s)后缓慢降低，熄灭期温度曲线也满足反比例函数分布。由图4可知，三种燃料的发展期时间占比均接近9.8%，随着燃烧时间增加，燃烧进入稳定期，正庚烷和环己烷稳定期时间占比30%左右，航空煤油稳定期时间占比超过50%，熄灭期三种燃料温度变化率曲线比较相似，为先增大后减小至零的趋势；发展期温度变化率如图5所示，正庚烷在t=13 s时，变化率最大为20.5 ℃/s，环己烷在t=10 s时，变化率最大为22.0 ℃/s，航空煤油在t=16 s时，变化率最大为17.2 ℃/s；可以看出环己烷温度变化率最大，发展期温度升高的最快。每种燃料的烟气温度变化率均大于火焰温度变化率，且温度变化率随着高度降低而降低。正庚烷与环己烷4号与5号热电偶温度变化率接近6号，远大于其余三根热电偶，航空煤油4号与5号温度变化率小于6号而接近其余三根，是因为航空煤油烟量大，烟气层热量积累较多，使得烟气温度变化较快，说明不同燃料烟气层温度变化率不同。由此可见可以根据温度变化率与温度判断出受限空间燃烧处于何种阶段。

图5 发展期温度变化率Fig.5 Temperature change rate in development stage

2.3 烟气浓度分析

燃料主要由碳、氢两种元素构成，燃烧过程中会消耗受限空间内的O2释放CO、CO2等有害气体，在受限空间内成年人所允许的最大CO含量为0.005%，吸入过多后会产生中毒症状。对气体浓度变化曲线进行平滑处理得到结果如图6所示，烟气成分的变化可作为判断受限空间内是否发生火灾的依据。

图6 烟气成分浓度变化图Fig.6 Change of smoke component concentration

由图6可知，油池火出现燃烧现象后，受限空间内O2消耗量增加，CO和CO2生成量增加；在稳定期结束前O2消耗量保持一定速率升高，航空煤油O2消耗量最小，正庚烷和环己烷较高，都为1.4%，且三种燃料O2消耗量最高点都处于253 s左右；正庚烷与环己烷CO2生成量曲线比较相似，三种燃料CO2生成量都不高，且生成量最高点也为253 s左右；航空煤油燃烧CO浓度最高达到0.008 7%，正庚烷燃烧CO生成量为0.002 1%,明显小于环己烷燃烧产生的CO生成量(0.005%)。由此可见，航空煤油与环己烷燃烧后CO含量达到0.005%，将会对人产生危害。由此可见，结合温度变化率与烟气成分可判断受限空间内是否发生火灾并分析出处于何种阶段。

3 结论

通过研究受限空间内油池火燃烧火焰温度变化以及烟气成分浓度变化规律可得出如下结论。

(1)油池火最高温度超过700 ℃，温度随高度降低而降低，烟气温度变化曲线满足高斯分布。

(2)根据温度曲线的变化将燃烧分为3个阶段:发展期—稳定期—熄灭期，在发展期温度变化最快，变化率最高可达22.0 ℃/s，发展期占比均接近9.8%，稳定期航空煤油占比最高且超过50%，熄灭期温度变化曲线满足反比例函数分布。

(3)航空煤油与环己烷燃烧后CO含量超过0.005%，对人体有害，三种燃料O2、CO2与CO浓度变化曲线在t=253 s附近到达最高点。

因此，根据燃烧温度变化以及烟气成分浓度变化可以判断受限空间发生火灾处于何种阶段以及燃烧物种类，为提高火灾预警准确率提供数据支撑。