张培红，张 怡，张云栗

(1.东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110004 ；2.成都理工大学 工程技术学院，四川 乐山 614000;3.沈阳城市建设学院 市政与环境工程系，辽宁 沈阳 110168)

0　引言

通风对油池火灾燃烧特性及火灾蔓延的影响是各种因素耦合作用的结果[1]。Blinov和Khudiakov[2]认为通风速度对油池火燃烧特性的影响，受油池直径和燃料种类、性质的影响：当风速在0～25 m/s范围内增加时，φ0.1～0.5 m柴油、汽油及煤油池火的燃烧速率增大，而重油的燃烧速率却不因风速的增大而改变，基本保持在一个恒定的值；Carvel等[3]发现，隧道大尺度油池火的热释放速率，随风速的增加而增大，小尺度油池火的热释放速率，却可能随风速的增大而减小；胡隆华等[4]认为大尺度油池火，迎风面和背风面的温度增长速率为常数；美国FM 的Tamanini进行了大尺寸火灾实验，分析了环境温度、湿度和通风条件对火灾发展的影响[5]；加拿大的Keshavarz等建立了池火辐射模型，分析了北极地区通风条件、温度、地表反射率等因素对池火发展的影响[6]；庄磊[7]利用油池火的双区域辐射模型，分析了通风条件下池火的热传递规律；童琳等[8]进行了有风条件下航空煤油池火特性的研究；杨晖等[9-14]分别利用计算机模拟、全尺寸实验和模型试验方法，针对中庭建筑、地铁车站、隧道等不同结构形式，进行了通风条件下火灾蔓延规律的研究，对防火排烟系统性能化设计提供了技术支持；颜峻[15]认为池火的热辐射受到火焰参数、环境参数、液池直径等多种因素的影响，因此热辐射影响下池火的安全距离也不断变化。总结以上已有研究成果，大多是基于单火源进行的，本文选取下衬100 mL水垫层的φ205 mm柴油作为主火源和待引燃燃料，以受限空间双火源作为研究对象，在断面平均风速分别为0，0.2，0.5，1 m/s的条件下进行火灾实验，分析不同通风条件下，柴油池火的火焰温度、热辐射以及喷溅现象等燃烧特性和引燃目标火源并导致火灾蔓延的热传递规律，实验间温度平均保持在10.5±1 ℃，湿度约为43%±5%。

1　实验模型的搭建

本实验模型主体尺寸为6 m × 1.5 m × 2 m，尺寸为1 m×1 m的通风口位于实验模型的末端。实验采用2个直径为205 mm的不锈钢圆盆，其中主燃烧盆位于实验模型中心位置，以200 mL 0#柴油+100 mL水垫层作为主燃料；辅油盆位于主油盆的下风侧，以100 mL 0#柴油+100 mL水垫层作为待引燃燃料。加入水垫层的目的，一方面对油盆起到防护作用；另一方面，用以模拟实际油罐下部沉淀有水垫层并可能引发的油池火喷溅现象。水垫层的厚度对柴油池火燃烧特性的影响将另行讨论。本文以主燃烧油盆直径D的0.2倍依次增加2个油盆边缘之间的距离，即从41 mm依次增加到82，123，164，205 mm，分析不同风速条件下柴油池火的燃烧特性和引燃特性。分别在距离油面0.02，0.25，0.5，1 m处布置10#(1#)，5#(2#)，9#(7#)，8#(3#)热电偶，以及以主燃烧油盆为中心的两侧1.5 m高度处布置4#、6#热电偶，以监测柴油池火火焰温度和烟气温度变化。在主油盆上方500 mm高度、距离主油盆中心水平距离250 mm位置布置1#、2#热流计用以测试火焰热辐射强度，在与辅油盆同高度、距辅油盆中心250 mm位置布置5#、6#热流计，用来测试辅油盆接收到的热辐射，5#、6#热流计与主油盆中心的水平间距随辅油盆与主油盆间距的增加而增加，实验布置见图1。

图1　实验模型和测点布置Fig.1　Test modeland measurement point lay out

2　不同通风条件下池火的燃烧特性

2.1　通风对质量损失速率的影响

在点火后120 s开启排烟风机进行实验，得到不同实验模型断面平均风速条件下柴油燃烧的质量损失速率，如图2所示。

图2　不同风速下柴油的质量损失速率Fig.2　Mass loss rate under various wind velocity

由图2可见，在火灾的初起阶段，各工况柴油的质量损失速率均较小。燃烧进行到130 s以后，柴油池火进入充分发展阶段，其质量损失速率呈现快速增长趋势。并且，在无风环境中，柴油池火的质量损失速率大于风速为0.2，0.5 m/s下的质量损失速率，但小于1 m/s下的质量损失速率。无风条件下，200 s左右池火熄灭，而风速为0.2，0.5，1 m/s时柴油池火的熄灭时间分别为210，254，237 s。无风和1 m/s条件下，柴油池火进入充分发展阶段的时间要早于0.2，0.5 m/s的情况。说明当风速从无风增加到0.5 m/s的时候，风速的增加造成的对流换热损失的影响更大，因此池火进入充分发展阶段的时间较晚，但火灾持续的时间增长，这个现象可以从池火熄灭后，油盆中燃料剩余的情况得到佐证，如图3所示。可以看出，0.5 m/s情况下柴油燃烧得最为充分，0.2，1 m/s情况下燃烧剩余的燃料较多，无风环境中柴油燃烧最不完全。

图3　不同风速条件下熄火后油盘剩余燃料情况Fig.3　Fuel leftafter pool fire extinguished under various wind velocity

利用Matlab分析不同风速条件下火焰高度和形态得到：当风速增加到1 m/s时，火焰被拉伸的更低，如图4和图5所示，燃料接受到的辐射热反馈增强，促进了柴油的热解。随着燃料接受到的热反馈的增加，池火的沸溢和喷溅现象加剧，这也是造成1 m/s情况下柴油池火质量损失速率增加和火势蔓延加剧的重要原因之一。同时，1 m/s的通风为燃烧区域卷吸了更多的新鲜空气，1 m/s通风对燃烧的促进作用大于对流换热损失带来的负面影响。

图4　旺盛阶段火焰形态Fig.4　Flame shape at the developed stage of fire

图5　火焰高度发展Fig.5　Flame heightevolution

2.2　通风对火焰温度的影响

不同风速条件下，火源正上方20 mm处10#测点火焰温度最高，如图6所示。由图6可以看出，无风条件下，柴油池火火焰温度在45 s左右即达到最高值750℃以上，之后逐渐降低，旺盛阶段火焰平均温度为600℃左右，200 s左右火焰即告熄灭，这是因为密闭空间的无风环境无法满足燃料完全燃烧对氧气的需求。在0.2 m/s风速条件下，虽然火灾旺盛阶段持续时间较长，但期间池火火焰的最高温度平均仅为550℃左右；当风速增大到0.5 m/s时，火焰在50 s以后达到最高值700℃以上，旺盛阶段火焰平均温度达650℃左右，这是因为随着风速的增大，卷吸进来大量的新鲜空气，满足了燃料完全充分燃烧的需要。然而，当风速继续增大到1 m/s时，火焰与外界环境之间的对流热损失增强，超过了氧气供应条件改善对火灾的促进作用，导致旺盛阶段火焰最高温度降低，仅为600℃左右。

图6　不同风速条件下池火火焰温度发展Fig.6　Flame temperature at various wind velocity

2.3　通风对热辐射的影响

实验过程中，得到不同风速条件下主油盘上方500 mm位置处接收到的火焰辐射热通量的变化情况，如图7所示。

图7　不同风速条件下池火火焰的辐射热通量Fig.7　Radiant heat flux at various wind velocity

由图7可见，无风环境中，火焰的热辐射通量比通风环境中的热辐射通量小，风速0.2 m/s下的热辐射通量最大值只能达到2.5 kW/m2，风速为0.5，1 m/s时，热辐射通量最大值能达到3.5 kW/m2，0.5 m/s条件下火焰辐射热通量达到峰值的时间更早。这是因为一方面，0.5 m/s通风对燃烧的促进作用比对流换热损失的作用更显著；另一方面，通风加强了火焰与周围环境的热交换，喷溅现象加剧，并伴随着火焰剧烈的扰动。因此，0.5 m/s条件下火焰的温度更高，火焰辐射热通量达到峰值的时间更早，这样的通风条件对于火势的控制是非常不利的。

3　通风条件对池火引燃特性的影响

采用2个直径均为205 mm的油盘，改变2个油盘之间的间距，进行油池火灾的引燃实验。从实验现象观察发现，在0.2，0.5 m/s的通风环境中，主油盘只能将间距为0.2D以及0.4D的辅油盘引燃，无法引燃间距为0.6D的辅油盘；当风速增大到1 m/s时，主油盘能将0.6D及0.8D处的油盘引燃，但不能将距离1D处的油盘引燃。

由实验观测可知，当油盆间距为0.2D时，0.2，0.5，1 m/s风速下辅油盆的引燃时间分别是165, 150，137 s, 因此，随着风速的增大，引燃辅助油盘所需的时间也随之缩短。这是由于随着风速的增大，加剧了火焰与周围环境的热交换，使得主燃烧油盘与辅助油盘之间的热交换明显加强，辅助油盘接收到的辐射热通量发展变化如图8所示。

图8　不同风速条件下0.2D距离处辅油盘接受到的热辐射通量Fig.8　Radiant heat flux of supplementary oil pan surface under various wind velocity

因此，随着风速的增加，增大了待引燃油盘被引燃的可能性，缩短了邻近油盘被引燃的时间。应提高通风条件下油盘池火之间的安全间距，防止火势的扩大和蔓延。

4　结论

1)在0～1 m/s风速条件下，φ205 mm柴油池火的质量损失速率随着风速的增加而增大。

2)0.5 m/s风速情况下，柴油燃烧的最充分，旺盛阶段火焰平均温度最高，火焰热辐射达到峰值的时间提前，说明0.5 m/s通风对燃烧的促进作用占据主导地位，0.5 m/s风速对本实验条件下柴油池火的控制不利。

3)1 m/s风速条件下，火焰高度降低，下风向待引燃火源接收到的热辐射增强，引燃邻近油盘的可能性增大并且缩短了引燃时间。1 m/s通风条件下，油盘池火之间的安全间距应该提高到1D以上，以防止火势的扩大和蔓延。

4)φ205 mm柴油池火能够被引燃的临界热辐射值为5 kW/m2，并且需持续一段时间后才能够被引燃，石油化工及危险化学品行业在火灾防控和应急救援过程中，考虑热辐射通量在时间上的累积效应，应通过优化控制通风排烟方案等措施，实现对火场热辐射的屏蔽和衰减作用，防止罐区火灾爆炸事故多米诺效应的发生。

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