有坡度下点源持续泄漏溢油流淌火扩散特性实验研究
孙潇潇1, 黄弘1, 赵金龙2, 章翔2, 宋广恒2    
1. 清华大学 工程物理系, 公共安全研究院, 北京 100084;
2. 中国矿业大学 (北京) 应急管理与安全工程学院, 北京 100083
摘要:有坡度下持续泄漏溢油流淌火的特性研究可以为溢油流淌火灾事故的预防和救援提供重要理论支撑。该文通过点源持续泄漏溢油流淌火实验,观测了不同坡度下持续溢油流淌火的扩散和燃烧过程,并测量了扩散速率。根据实验中是否观察到稳定过程与收缩过程,将溢油流淌火的扩散过程随坡度的变化划分为3个阶段。通过分析扩散过程中重力、摩擦阻力与表面张力随角度的关系,对于玻璃表面上的正庚烷流淌火,3个阶段可以划分为坡度为0°~3°时表面张力主导的扩散过程、坡度为4°~5°时摩擦阻力主导的扩散过程以及坡度大于5°时重力主导的扩散过程。
关键词火灾事故    流淌火    坡度    扩散速率    
Experimental study of the spread of point source continuous oil spill fires along various slopes
SUN Xiaoxiao1, HUANG Hong1, ZHAO Jinlong2, ZHANG Xiang2, SONG Guangheng2    
1. Institute of Public Safety Research, Department of Engineering Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2. School of Emergency Management and Safety Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China
Abstract: The characteristics of fires in continuous oil spills along various slopes were investigated experimentally to improve theoretical models for the prevention and control of oil spill fires. The spreading and burning rates of continuous oil spill fires along various slopes were observed for point source oil spills. The spill fire spreading was divided into three stages for various slopes based on whether the fire became stable or was shrinking. For the n-heptane spill fire on the glass surface, the relationship between gravity, friction and surface tension forces during the spreading characterizes the three stages as the "surface tension dominant" stage for slopes of 0°-3°, the "friction dominant"stage for slopes of 4°-5° and the "gravity dominant" stage for slopes greater than 5°.
Key words: fire accident    spill fire    slope    spread rate    

液体燃料泄漏通常会造成流淌火灾。流淌火具有燃烧面积较大和难以扑灭等特点,对燃料的储存和运输安全具有较大威胁。在流淌火灾案例中,流淌火的扩散与燃烧过程对坡度的变化十分敏感,即使很小的坡度也会对流淌火灾的发生与发展造成巨大的影响。例如,在2017年大广高速油罐车泄漏火灾事故中,流淌火沿着高速公路下坡方向扩散近百米,造成了大面积的燃烧和污染,也为火灾扑救和事故救援带来了很大困难。有坡度下持续泄漏溢油流淌火的特性研究可以为溢油流淌火灾事故的预防和救援提供重要理论支撑。

目前关于流淌火的理论研究主要以不燃烧情况下的流动扩散和基于油池火与薄油层燃烧的修正燃烧模型为主。Webber等[1]通过浅水方程模拟了油层扩散过程,并给出了经验公式。Mealy等[2-3]通过实验分析了扩散面积、扩散底面、扩散厚度等因素对持续溢油流淌火燃烧速率的影响,并通过对油池火燃烧速率的修正提出了流淌火燃烧速率的计算公式。在实验研究方面,油池火与薄油层燃烧的实验研究较为丰富,如Chen等[4]进行了压力容器中油池火的扩散实验,刘春祥等[5]进行了边缘高度影响下油池火燃烧实验,林俣洁[6]、邝辰[7]进行了环境风影响下的油池火实验。然而,流淌火的实验研究相对较少,李云涛等[8-10]通过对水面和防火玻璃上不同液体燃料的扩散和燃烧过程进行实验研究,给出了水面和水平玻璃表面上流淌火扩散的基本特征与规律;赵金龙等[11-14]进行了中尺度油槽扩散实验和小尺度玻璃面自由扩散实验,提出了水面和水平玻璃表面上持续溢油流淌火扩散和燃烧模型;Li等[15-16]研究了隧道环境下持续溢油流淌火的扩散和燃烧规律;刘全义等[17-19]开展了变坡度条件下正庚烷流淌火研究,进行了0.5°、1°和3°坡度下玻璃表面正庚烷流淌火油槽扩散实验,测量了流淌火扩散过程中的扩散速率和燃烧速率,并给出了燃烧速率的简单修正模型;李满厚等[20]开展了变坡度条件下正丁醇定常流淌火非稳态燃烧行为研究,揭示了坡度为1°~4°情形下正丁醇流淌火的扩散速率和火焰高度的变化趋势。

综上所述,目前关于流淌火的研究主要集中在水面和水平地面上的流淌火,关于坡度对地面流淌火影响的研究较少,且缺乏较大坡度下流淌火扩散过程的实验研究。本文通过有坡度下点源持续泄漏溢油流淌火实验,研究了不同坡度下流淌火的扩散特性和扩散速率的变化规律。

1 实验过程

本实验为了研究不同坡度下溢油流淌火的特性,搭建了可变坡度点源持续泄漏溢油流淌火实验装置。该装置主要由玻璃平台、可调节支架、蠕动泵、天平、摄像机、热电偶、热流计等组成,如图 1所示。其中:玻璃平台长1.5 m,宽0.6 m;进油口距离底边1.1 m,即本实验中可测量的最大距离为1.1 m。通过可调节支架调节玻璃平台倾斜角,通过水平仪测量玻璃坡度,误差小于0.05°。实验用的燃料通过蠕动泵输送到玻璃平台形成流淌火。通过摄像机记录并测量流淌火的扩散过程。

图 1 实验装置示意图

实验选取正庚烷作为燃料。选取了4个不同的蠕动泵转速,不同转速对应的燃料质量流量与体积流量如表 1所示。

表 1 蠕动泵流量与转速对照表
转速/
(r·min-1)
质量流量/
(g·s-1)
体积流量/
(mL·min-1)
15 0.6 52.7
20 0.8 70.2
25 1.0 87.8
30 1.2 105.3

在1°~15°范围内选取了10个坡度进行实验,一共设计实验88组。各实验组及其工况如表 2所示,表中每个实验均包含点燃实验和不点燃扩散实验两种情形。

表 2 实验工况列表
实验编号 坡度/
(°)
蠕动泵转速/
(r·min-1)
实验编号 坡度/
(°)
蠕动泵转速/
(r·min-1)
1 0 15 23 5 25
2 0 20 24 5 30
3 0 25 25 6 15
4 0 30 26 6 20
5 1 15 27 6 25
6 1 20 28 6 30
7 1 25 29 8 15
8 1 30 30 8 20
9 2 15 31 8 25
10 2 20 32 8 30
11 2 25 33 10 15
12 2 30 34 10 20
13 3 15 35 10 25
14 3 20 36 10 30
15 3 25 37 12 15
16 3 30 38 12 20
17 4 15 39 12 25
18 4 20 40 12 30
19 4 25 41 14 15
20 4 30 42 14 20
21 5 15 43 14 25
22 5 20 44 14 30

2 实验现象

在实验中,当正庚烷从溢油口中流出时立刻点燃,流淌火会沿着下坡方向开始流动,实验现象如图 2所示。火焰流动的过程由摄像机进行记录,并通过对图像进行分析得到流淌火的扩散距离随时间的变化。

图 2 实验中拍摄的流淌火扩散现象

在实验过程中,当坡度为0°时,无论在点燃或者不点燃情形下,燃油均会以圆形向四周扩散。在有坡度的情况下,点燃与不点燃情形的扩散过程表现出明显的区别。在不点燃情形下,当坡度较小(0°~5°)时,扩散面呈现椭圆形,随着坡度的增大,扩散面形状变得细长;而当坡度较大(大于5°)时,扩散前端相比于后面部分更加细长,扩散面不再是椭圆形。

在点燃情形下,流淌火的扩散过程表现得更为复杂。李云涛等[8]通过实验验证了在水面和水平地面上,流淌火的扩散过程主要可以分为5个阶段,分别是扩散阶段、收缩阶段、稳定阶段、沸腾阶段和结束阶段。一般情况下,流淌火研究主要关注沸腾阶段之前的3个阶段。有坡度下的实验现象表明,在不同的坡度下,这3个阶段的实验现象有所不同。当坡度较小(0°~5°)时,流淌火扩散面的形状与不点燃情形不同,燃烧过程主要集中在扩散前端,而泄漏口附近燃烧面积和火焰高度都要小很多,燃烧面类似水滴形;随着坡度的增大,扩散面逐渐变得细长,并最终收缩为线形。在实验过程中可以观察到流淌火的扩散、收缩与稳定的过程,但是随着坡度的增大,收缩阶段变得逐渐不明显,同时在稳定阶段,也有横向收窄、纵向逐渐向前扩散的趋势。当坡度较大、扩散距离较远时,扩散面收窄为一条线,宽度随扩散距离逐渐减小。实验现象归纳至表 3

表 3 点燃情形不同坡度下的实验现象
坡度/(°) 收缩阶段 稳定阶段 稳定后的缓慢扩散
0
1
2
3 不明显
4 不明显
5
6 不明显
8
10
12
14

表 3可以看出,在有坡度情况下,重力对流动的影响持续存在。在无坡度情况下,可以明显观察到流淌火扩散过程包括扩散阶段、收缩阶段和稳定阶段。扩散阶段是流淌火发生的初期阶段,主要受到“重力-惯性”影响,扩散面积随时间迅速增大,燃烧速率也迅速增大。在收缩阶段,玻璃面上的燃烧消耗速率大于泄漏速率,燃烧油层厚度变薄,外围油层在表面张力作用下收缩,导致扩散面积逐渐缩小。在稳定阶段,燃烧速率和泄漏速率相等,此时燃烧速率、燃烧面积和油层厚度等物理量均保持不变。在无坡度情况下,重力主要影响扩散阶段的扩散过程,之后的收缩阶段和稳定阶段主要由燃烧油层的表面张力主导。在有坡度情况下,重力的影响持续存在,且坡度越大影响越大,因此在较大坡度下流淌火的扩散过程中收缩阶段和稳定阶段逐渐消失。

3 坡度对扩散过程的影响

本实验选取流淌火沿下坡方向上的扩散速率作为流淌火的扩散速率。在不点燃情形下,泄漏油品的扩散速率随时间的变化与坡度有关。在水平玻璃面上,扩散速率随时间逐渐降低。然而,在有坡度情况下,扩散速率会随着扩散距离小幅度增加,但是总体上,扩散速率随时间变化不大,可以用平均扩散速率来表示整个扩散过程。不点燃情形下的平均扩散速率随坡度的变化如图 3所示。

图 3 不点燃情形下的平均扩散速率

在点燃情形下,测量流淌火在扩散阶段的平均扩散速率,结果如图 4所示。

图 4 点燃情形下的平均扩散速率

对比图 34可以看出,点燃情形下扩散速率明显小于不点燃情形,总体而言,扩散速率减小约40%。点燃与不点燃情形下扩散速率的比值如图 5所示。

图 5 点燃与不点燃情形下扩散速率的比值

图 5可以看出,坡度对扩散速率的影响可以划分为3个阶段。当坡度在0°~3°时,点燃情形下的扩散速率变化很小;当坡度为4°~5°时,点燃情形的扩散速率有明显的提升;坡度大于5°时,点燃情形的扩散速率的变化基本与不点燃情形类似,扩散速率的比值维持在0.6左右。由表 3可知,扩散速率的3个阶段与扩散现象的3个阶段相对应。

图 6为有坡度下流淌火扩散过程受力分析。可以看出,阻碍扩散的力主要为油层的表面张力FI和底面的摩擦阻力FV。随着扩散的进行,燃烧速率逐渐增大,同时在重力的作用下油层厚度逐渐减小。当坡度θ=0°时,Hissong[21]给出了一个计算最小油层厚度的公式,

$ {h_{\min }} = \sqrt {\sigma /(\rho g)} . $ (1)
图 6 有坡度下流淌火扩散过程受力分析

其中:σ为表面张力(N/m),ρ为油层密度(kg/m3)。由式(1)可知,随着扩散面积的增大,油层的表面张力增大,同时扩散使油层变薄,油层受到的由重力产生的推动力降低,重力与表面张力平衡,流淌火处于稳定燃烧阶段。当θ>0°时,重力对坡度的影响更大。定义坡度为θ时重力的两个分量为:

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{G_{\rm{h}}} = G\cos \theta , }\\ {{G_1} = G\sin \theta .} \end{array}} \right. $ (2)

推动流淌火向前扩散的力与阻碍流淌火扩散的力分别为FHFS

$ {F_{\rm{H}}} = f(h){G_{\rm{h}}} + {G_1}, $ (3)
$ {F_{\rm{S}}} = {F_{\rm{I}}} + {F_{\rm{V}}}. $ (4)

其中:f是描述垂直方向上的重力对油层产生的推动力的系数,与油层厚度h有关;FI为油层的表面张力;FV为扩散过程中受到的最大摩擦阻力。

当坡度较小时,GI < FI,在扩散过程中,随着f(h)减小、FI增大,会使得当扩散达到最大时,FH < FI,流淌火出现收缩,随后进入稳定阶段,也就是本实验中坡度0°~3°的实验现象;当坡度增大,使FI+FV>Gl>FI时,在扩散的所有过程中都有FH>Fl,此时不会出现收缩现象,但是随着扩散的进行,f(h)减小,最终FH=FS,扩散进入稳定阶段,即实验中坡度4°~5°时的情形;当坡度进一步增大,使Gl>FI+FV时,表面张力和摩擦阻力始终小于推动力FH,即在整个过程中都有FH>FS,此时没有收缩与稳定阶段,与实验中坡度大于5°时的实验现象一致。由此可见,可以将持续溢油流淌火的扩散过程随坡度的变化划分为3个阶段,随着坡度的增大,依次为表面张力主导(0°~3°)、摩擦阻力主导(4°~5°)和重力主导(大于5°)的扩散过程,如图 5所示。

4 结论

本文通过实验研究表明,点源持续溢油流淌火的扩散过程随坡度的变化可以划分为3个阶段,随着坡度的增大,依次为表面张力主导、摩擦阻力主导和重力主导的扩散过程。表面张力主导的扩散过程,有收缩与稳定阶段,扩散速率随坡度变化很小;摩擦阻力主导的扩散过程,有稳定阶段但是没有收缩阶段,扩散速率随坡度变化明显;重力主导的扩散过程没有收缩和稳定阶段,扩散速率的变化趋势与不点燃情形类似,但小于不点燃情形的扩散速率。不同阶段对应的坡度取决于底面的材质与油品的种类。

本实验给出了流淌火的扩散速率随坡度的变化规律,但实际的流淌火灾过程涉及的环境因素较为复杂,难以确定火灾所属的扩散阶段,需要后续更进一步的研究。

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