随着中国社会经济的持续发展，油品燃料储存运输规模不断扩大[1]。一旦液体燃料泄漏燃烧，会形成流淌火，对人员生命和财产安全造成严重威胁。例如，2015年挪威发生的火灾事故中，一辆油罐车和一辆拖车相撞导致油箱泄漏燃烧，引发了大规模火灾[2]。目前学者对隧道火灾进行了深入研究[3]，主要采用油池火作为试验的火源。然而，流淌火和油池火的燃烧行为存在差别[4]。因此，有必要对流淌火开展研究，以提高该类火灾预防和应急救援能力。
目前国内外学者对流淌火的研究主要集中在开放空间环境下。Putorti等[5]研究了不同地面类型上的汽油瞬时泄漏流淌火，发现流淌火的燃烧速率比油池火小。Mealy等[6]发现瞬时泄漏流淌火的燃烧速率比油池火的小的原因是燃烧持续时间短，无法达到峰值，而持续泄漏流淌火的燃烧速率与油池火基本一致。蔡宾斌[7]对比分析了流淌火与油池火的质量燃烧速率和火焰热辐射等特征参数。Li等[8-9]在矩形水面上开展了一系列持续泄漏流淌火试验，提出了一种估算火焰前缘燃料厚度的方法，并建立了流淌火蔓延速率与燃料泄漏速率和油池宽度的关系式。刘全义等[10-11]研究了持续泄漏流淌火的燃烧面积和蔓延速率等特征参数随泄漏速率的变化规律。Li等[12-14]开展了一系列持续泄漏流淌火试验，研究了燃料厚度、燃料种类和气压等因素对火焰蔓延的影响规律。Zhao等[15]研究了持续泄漏流淌火的扩散和燃烧机理，并建立了流淌火燃烧速率模型和扩散模型。以上研究都是在开放空间进行的，目前一些学者在隧道等受限空间内也开展了流淌火研究。Ingason等[2]在全尺寸隧道中进行了燃料(用水代替)泄漏试验，并在实验室中进行了相同扩散面积的持续泄漏流淌火试验，研究了隧道流淌火的热释放速率。Li等[1]在缩尺寸隧道内开展了一系列流淌火试验，对比分析了隧道内流淌火和室外空间流淌火的燃烧特征。综上可见，现有受限空间流淌火的研究还比较少。
鉴于此，本文通过开展一系列不同泄漏速率的受限空间流淌火火灾试验以及不同尺寸的油池火火灾试验，对比分析测得的流淌火和油池火的火源直径、质量燃烧速率以及温度数据，旨在揭示受限空间流淌火的燃烧蔓延规律和温度场分布特征，从而指导受限空间流淌火火灾初期的人员疏散和火灾探测设计，为火灾预防和应急救援提供参考。
1 试验设计 1.1 试验装置与测点布置建立缩尺比例为1∶10的缩尺寸狭长受限空间模型，如图 1所示。受限空间模型尺寸为9 m长、0.6 m宽、0.45 m高。壁面采用2 cm厚的石棉板。在模型中心位置水平放置一块长1 m、宽0.45 m的防火玻璃作为泄漏燃料的流淌燃烧平台[1, 15]，该平台距离模型底面的高度为4 cm。为了模拟燃料泄漏情况，使用直径为1 cm的不锈钢管作为泄漏管道，从顶棚向下垂直延伸至流淌平台。泄漏管道底端距离流淌平台1 cm，上端连接软管，软管与蠕动泵相连。蠕动泵另一端的软管伸入到燃料桶内。在燃料桶下方放置精度为0.1 g的电子天平，实时测量燃料的泄漏速率。流淌火试验开始时，启动蠕动泵，蠕动泵会持续将燃料以恒定的泄漏速率输送到流淌平台。一旦燃料从泄漏管道流出来，立即点火。在开展油池火试验时，撤掉燃料泄漏管道，将装有燃料的油池放置在受限空间内的不锈钢托盘上，托盘下方放置电子天平，用于实时测量燃烧过程中燃料的质量变化。
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| 图 1 受限空间流淌火试验装置 |
在受限空间内火源附近布置一系列热电偶束来测量温度。每个热电偶束由7个K型热电偶测点组成，测点之间的竖向间隔为6 cm，最上方的热电偶测点距离顶棚2 cm，最下方的热电偶测点距离流淌平台3 cm、距离底面7 cm。总共布置7束热电偶，其中一束位于泄漏管道位置，用于测量火焰中心的温度变化，另外的6束热电偶以泄漏管道为中心，沿流淌平台纵向左右对称布置。热电偶束之间的横向间隔为10 cm，如图 1所示。此外，布置一台分辨率为1 920×1 080像素的数码摄像机对整个燃烧过程进行录像。
1.2 试验工况在流淌火试验中，通过调节蠕动泵控制燃料泄漏速率，并使用燃料桶下方的电子天平测量泄漏速率。开展了7种不同燃料泄漏速率的流淌火试验。由于流淌火燃烧蔓延形态为圆形，为更好地进行对比分析，油池火试验使用了5种不同直径的圆形油盘。此外，考虑到矩形火源在火灾研究中应用广泛，本文还进行了7种不同尺寸的矩形油盘的油池火试验。对于矩形油盘的油池火试验，分析了火源的质量燃烧速率和顶棚最大温升。总共进行了19组火灾试验，详细的试验参数汇总在表 1和2。
| 序号 | 泄漏速率/(g·s-1) | 稳态时火源直径/m | 稳态时火源面积/m2 | 稳态时火源功率/kW |
| 1 | 0.153 | 0.09 | 0.006 4 | 4.1 |
| 2 | 0.467 | 0.14 | 0.015 4 | 12.5 |
| 3 | 0.777 | 0.20 | 0.031 4 | 20.8 |
| 4 | 1.060 | 0.24 | 0.045 2 | 28.4 |
| 5 | 1.404 | 0.26 | 0.053 1 | 37.6 |
| 6 | 1.710 | 0.30 | 0.070 7 | 45.8 |
| 7 | 2.020 | 0.36 | 0.101 8 | 54.1 |
| 序号 | 油池类型 | 火源尺寸/m | 火源面积/m2 | 稳态时质量燃烧速率/(g·s-1) | 稳态时火源功率/kW |
| 1 | 圆形油池 | 0.075 | 0.004 4 | 0.093 | 2.5 |
| 2 | 0.11 | 0.009 5 | 0.131 | 3.5 | |
| 3 | 0.16 | 0.020 1 | 0.332 | 8.9 | |
| 4 | 0.20 | 0.031 4 | 0.560 | 15.0 | |
| 5 | 0.40 | 0.125 7 | 2.483 | 66.5 | |
| 6 | 矩形油池 | 0.08×0.08 | 0.006 4 | 0.083 | 2.2 |
| 7 | 0.01×0.15 | 0.015 0 | 0.229 | 6.1 | |
| 8 | 0.20×0.10 | 0.021 0 | 0.354 | 9.5 | |
| 9 | 0.20×0.15 | 0.030 0 | 0.567 | 15.2 | |
| 10 | 0.20×0.20 | 0.040 0 | 0.753 | 20.2 | |
| 11 | 0.20×0.25 | 0.050 0 | 1.024 | 27.4 | |
| 12 | 0.20×0.30 | 0.060 0 | 1.162 | 31.1 |
2 结果分析与讨论 2.1 受限空间流淌火燃烧蔓延规律
首先使用式(1)计算流淌火和油池火的火源功率，计算结果汇总在表 1和2中。
| $ \dot{Q}=\chi_{\dot{m}_{\mathrm{b}}} \Delta H . $ | (1) |
式中
为确定流淌火燃烧时火源直径随时间的变化，对拍摄的燃烧视频进行图像处理[15]，如图 2所示。使用自主编写的程序来测量二值图(如图 2c所示)中火焰底部的宽度(即流淌火平台上的火焰范围)，即火源直径。此外，为了确定流淌火在燃烧稳定阶段的火源直径，选取了燃烧稳定阶段时长为30 s的视频，通过将火焰二值图叠加，得到燃烧稳定阶段的火焰概率分布云图，如图 2d所示。
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| 图 2 火焰图像处理过程 |
图 3展示了使用上述火焰图像处理方法得到的圆形油池火和流淌火在燃烧稳定阶段的火焰概率云图。通过对比圆形油池火的火焰概率云图和油盘直径发现，将火焰概率大于0.1作为确定火源直径的判断标准是准确的。根据该标准，获得了不同泄漏速率下流淌火在燃烧稳定阶段的火源直径，汇总在表 1中。
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| 图 3 燃烧稳定阶段的火焰概率云图 |
图 4以泄漏速率为0.777 g/s的工况为例，展示了火源直径随时间的变化。可以看到，点火之后火源直径迅速增大，在燃烧50 s之后火源直径在一个脉动范围内保持稳定，在280 s停止泄漏燃料之后，火源直径迅速缩小，直至火焰熄灭。根据火源直径随时间的变化可以将燃烧分为3个阶段：燃烧扩散阶段、燃烧稳定阶段以及燃烧熄灭阶段。由图 3可知，该工况的燃烧稳定阶段的火源直径为0.2 m。通过比较火焰直径的脉动变化也可以发现，本文对于燃烧稳定阶段火源直径的判断不是通过取火焰脉动的平均值(火焰概率0.5)，而是采用火焰概率为0.1作为判断火源直径范围的标准。
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| 图 4 火源直径随时间变化规律(泄漏速率：0.777 g/s) |
流淌火燃烧阶段的转变主要由燃料泄漏速率与质量燃烧速率的相对大小决定。根据前人研究[4]，开放空间环境下乙醇油池火的质量燃烧速率的计算公式为：
| $ \dot{m}_{\mathrm{b}}=A \cdot \dot{m}^{\prime \prime}, $ | (2) |
| $ \dot{m}^{\prime \prime}= \begin{cases}0.015 \mathrm{~kg} /\left(\mathrm{m}^2 \cdot \mathrm{s}\right), & D<0.6 \mathrm{~m} ; \\ 0.022 \mathrm{~kg} /\left(\mathrm{m}^2 \cdot \mathrm{s}\right), & 0.6 \mathrm{~m} \leqslant D<3.0 \mathrm{~m} ; \\ 0.029 \mathrm{~kg} /\left(\mathrm{m}^2 \cdot \mathrm{s}\right), & D \geqslant 3.0 \mathrm{~m} .\end{cases} $ | (3) |
式中：A为火源面积(m2)，
根据式(2)，图 5展示了油池火和流淌火在燃烧稳定阶段的质量燃烧速率与火源面积之间的关系。Li等[1]在缩尺寸受限空间内进行了一系列乙醇流淌火试验，图 5中也展示了他们获得的试验数据。可以看到，不论是油池火还是流淌火，燃料的质量燃烧速率都与火源面积呈线性关系。通过对本研究的试验数据和Li等[1]的数据进行线性拟合，可以得到乙醇的质量燃烧速率与火源面积的关系函数，
| $ \dot{m}_{\mathrm{b}}=0.025 A . $ | (4) |
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| 图 5 燃烧稳定阶段质量燃烧速率与火源面积的关系 |
可以看到，试验得到的单位面积的质量燃烧速率大于式(4)得到的拟合值，这是因为本研究的试验是在受限空间内进行的，壁面的热辐射作用增大了质量燃烧速率。结合式(4)和(1)，可以预测受限空间内已知火源面积的油池火或流淌火的火源功率。然而，式(4)仅是对试验数据的近似拟合，并不意味着乙醇燃料单位面积的质量燃烧速率始终为恒定值0.025 kg/(m2·s)。实际上，乙醇燃料单位面积的质量燃烧速率受到多种因素的影响，包括火焰热辐射、壁面热辐射以及燃料与流淌平台之间的传热速率，因此会随着火源直径的变化而变化；而且由于与底部基质的传热方式不同，流淌火和油池火的单位面积的质量燃烧速率也会有所差异[1]。乙醇燃料的质量燃烧速率能较好地拟合成火源面积的线性函数，主要是因为相较于火源面积的变化对燃料质量燃烧速率的影响，燃料单位面积的质量燃烧速率的变化对质量燃烧速率的影响较小。此外，根据式(4)，火源直径越大，质量燃烧速率也越大。在火灾初期的燃烧扩散阶段，火源直径较小，导致泄漏速率大于燃料的质量燃烧速率。随着燃料受到初始惯性力的主导逐渐向四周扩散，火源直径逐渐增大，燃料的质量燃烧速率也增大。当质量燃烧速率与泄漏速率达到平衡时，泄漏的燃料在达到火焰扩散前沿之前被完全燃烧，使得火源直径停止增大，燃烧进入稳定阶段。最后，当燃料停止泄漏时，火焰将持续消耗流淌平台上的燃料，导致火源直径迅速减小，直至熄灭。
2.2 受限空间内温度分布特征2.1节的研究结果表明，在流淌火的燃烧稳定阶段，火源面积和火源功率保持稳定。因此，受限空间内的温度场在经历初始温度升高后会进入稳定阶段，类似于油池火的温度变化。图 6和7展示了受限空间内圆形油池火和流淌火在燃烧稳定阶段的温度分布云图。云图中的温度数据为燃烧稳定阶段的平均值。可以看到，随着泄漏速率的增大，流淌火燃烧稳定阶段的火源面积和火源功率均增大，受限空间内的高温区域也扩大。流淌火的温度场分布特征与油池火的类似。火源功率较小时，高温区域集中在火源根部附近。然而，随着火源功率的增大，高温区域逐渐从火源根部转移到顶棚。其原因是火源功率较小时，火焰未与受限空间顶棚相撞，形成弱羽流，导致顶棚烟气温度低于底部火焰区域的温度；随着火源功率的增大，火焰撞击顶棚，形成强羽流，与底部的火焰相比，顶棚的火焰燃烧更充分，因此顶棚的温度更高。
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| 图 6 受限空间内圆形油池火温度分布云图(单位：℃) |
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| 图 7 受限空间内流淌火温度分布云图(单位：℃) |
图 8和9展示了流淌火和油池火在燃烧稳定阶段，受限空间内顶棚隧道纵向温度分布以及火源竖向中心线上的温度分布。可以看到，在燃烧稳定阶段，流淌火和油池火的温度变化规律相似。随着火源功率的增大，顶棚温度不断升高，并且顶棚温度沿着纵向不断衰减。此外，在火源竖向中心线上，随着火源功率的增大，火源根部的温度逐渐降低，而顶棚的温度不断上升。这是因为火源面积越大，火源中心根部区域的燃料与空气接触越不充分，未燃烧的可燃气体越多，因此火源根部的温度降低。同时，随着火源面积的增大，越来越多的未燃烧的可燃气体在热浮力的作用下向顶棚扩散并燃烧，使火焰高度逐渐增加，火焰由弱羽流转变为强羽流。因此，顶棚温度不断上升。
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| 图 8 受限空间内流淌火温度分布 |
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| 图 9 受限空间内油池火温度分布 |
许多学者通过理论分析和缩尺寸试验建立了自然通风情况下受限空间顶棚烟气最大温升的预测模型[3]。模型的基本形式如式(5)所示。
| $ \Delta T_{\max }=\alpha \frac{\dot{Q}^{2 / 3}}{H_{\mathrm{ef}}^{5 / 3}}. $ | (5) |
式中：ΔTmax为顶棚烟气最大温升(℃)；
图 10给出了流淌火和油池火的顶棚烟气最大温升与火源功率的关系。可以看到，受限空间流淌火燃烧稳定阶段的顶棚最高烟气温度可用式(5)进行较好的预测。并且，在相同的火源功率情况下，流淌火的顶棚烟气最大温升与油池火相差不大。
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| 图 10 受限空间顶棚烟气最大温升与火源功率的关系 |
3 结论
1) 受限空间流淌火根据火源直径随时间的变化可以将燃烧分为3个阶段：燃烧扩散阶段、燃烧稳定阶段以及燃烧熄灭阶段。燃烧阶段的转变由燃料质量泄漏速率与质量燃烧速率的相对大小决定。当质量燃烧速率与质量泄漏速率达到平衡时，燃料在达到火焰前沿前已完全燃烧，火源直径停止增大，燃烧进入稳定阶段。
2) 受限空间内乙醇燃料的质量燃烧速率可近似看作与火源面积呈线性相关。这是因为相较于火源面积的变化对燃料质量燃烧速率的影响，单位面积的质量燃烧速率的变化对燃料质量燃烧速率的影响较小。
3) 在燃烧稳定阶段，流淌火和油池火的温度场分布特征相似。受限空间顶棚温度随火源功率的增大而升高，并沿纵向不断衰减。此外，随着火源功率的增大，火源根部的温度逐渐降低，而顶棚温度不断上升。最后，建立了流淌火和油池火燃烧稳定阶段的顶棚烟气最大温升预测模型。
| [1] |
LI H H, LIU H Q, LIU J H, et al. Spread and burning characteristics of continuous spill fires in a tunnel[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2021, 109: 103754. DOI:10.1016/j.tust.2020.103754 |
| [2] |
INGASON H, LI Y Z. Spilled liquid fires in tunnels[J]. Fire Safety Journal, 2017, 91: 399-406. DOI:10.1016/j.firesaf.2017.03.065 |
| [3] |
LI Y Z, INGASON H. Overview of research on fire safety in underground road and railway tunnels[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2018, 81: 568-589. DOI:10.1016/j.tust.2018.08.013 |
| [4] |
HURLEY M J, GOTTUK D T, HALL J R, et al. SFPE handbook of fire protection engineering[M]. New York: Springer, 2015.
|
| [5] |
PUTORTI A D, MCELROY J A, MADRZYKOWSKI D M. Flammable and combustible liquid spill/burn patterns [R/OL]. (2001-03-01) [2023-12-28]. NIJ Report 604-00. https://www.nist.gov/publications/flammable-and-combustible-liquid-spillburn-patterns.
|
| [6] |
MEALY C, BENFER M, GOTTUK D. Liquid fuel spill fire dynamics[J]. Fire Technology, 2014, 50(2): 419-436. DOI:10.1007/s10694-012-0281-x |
| [7] |
蔡宾斌. 流淌火与油池火燃烧特性对比实验研究[J]. 消防科学与技术, 2013, 32(8): 829-831. CAI B B. The comparative experiments research between oil flowing fire and pool fire[J]. Fire Science and Technology, 2013, 32(8): 829-831. (in Chinese) |
| [8] |
LI Y T, HUANG H, ZHANG L H, et al. An experimental investigation into the effect of substrate slope on the continuously released liquid fuel spill fires[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2017, 45: 203-209. DOI:10.1016/j.jlp.2017.01.010 |
| [9] |
LI Y T, HUANG H, SHUAI J, et al. Experimental study of continuously released liquid fuel spill fires on land and water in a channel[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2018, 52: 21-28. DOI:10.1016/j.jlp.2018.01.008 |
| [10] |
刘全义, 杨锐, 张辉. 大尺度正庚烷流淌火试验[J]. 河南科技大学学报(自然科学版), 2017, 38(6): 95-99. LIU Q Y, YANG R, ZHANG H. Experiment of large scale n-heptane spill fire[J]. Journal of Henan University of Science and Technology (Natural Science), 2017, 38(6): 95-99. (in Chinese) |
| [11] |
刘全义, 杨锐, 张辉. 航空煤油流淌火蔓延特性试验研究[J]. 中国安全科学学报, 2017, 27(5): 47-51. LIU Q Y, YANG R, ZHANG H. Experimental study on spreading characteristics of jet fuel spill fire[J]. China Safety Science Journal, 2017, 27(5): 47-51. (in Chinese) |
| [12] |
LI M H, LU S X, CHEN R Y, et al. Pulsating behaviors of flame spread across n-butanol fuel surface[J]. Applied Thermal Engineering, 2017, 112: 1445-1451. DOI:10.1016/j.applthermaleng.2016.10.001 |
| [13] |
LI M H, LU S X, GUO J, et al. Effects of pool dimension on flame spread of aviation kerosene coating on a metal substrate[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015, 84: 54-60. DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.01.005 |
| [14] |
李满厚. 液体表面火焰传播及表面流传热特性研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2015. LI M H. Flame spread over liquid fuels and heat transfer characters of subsurface convection flow [D]. Hefei: University of Science and Technology of China, 2015. (in Chinese) |
| [15] |
ZHAO J L, ZHU H Q, HUANG H, et al. Experimental study on the liquid layer spread and burning behaviors of continuous heptane spill fires[J]. Process Safety and Environmental Protection, 2019, 122: 320-327. DOI:10.1016/j.psep.2018.12.021 |