水平开口有限空间油池火燃烧特性分析

陈兵，张世奇，时训先，黎昌海，陆守香

1 中国安全生产科学研究院，北京100012

2 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽合肥230027

0 引 言

随着经济全球化进程的不断推进，海上贸易作为低成本的贸易方式受到广泛重视，航运业迎来大发展时期。船舶作为大型运输工具，内部空间结构复杂、设施设备密集且可燃物众多。而火灾作为船舶常见的灾害事故，处置难度极大，且外部救援力量难以到达，严重威胁着船舶安全。

船舶舱室内部空间是典型的有限空间，火灾发生时室内外气体通过开口进行交换，决定了可供燃烧的氧气量和流出的烟气量，因而对火灾发展过程和扑救方法起决定性的影响。Kawagoe［1］通过研究地上建筑内木垛火的燃烧特性，总结提出了通风因子的定义，即在一定通风因子范围内，燃烧速率与空气流入速率成正比。Thomas 等［2-3］和Babrauskas 等［4-6］利用通风因子对舱室火灾燃烧速率进行了表征。

但是，不同于一般的有限空间，船舶舱室往往通过顶部的水平开口与外界环境连通，导致其火灾特性与常见的垂直开口情况（门、窗等）不同，因此吸引了众多研究者的注意并开展了相关研究。Jansson 等［7］和Takeda［8］改变舱室开口位置，将开口设置在了舱室顶部中央，研究表明，在该条件下固体火的燃烧始终较为稳定，但燃烧速率低于开放空间同样尺寸的固体火灾。在一个正方体的模拟舱内，Wakatsuki［9］将唯一与外界相通的开口设置在了舱室顶部中央，油池火燃烧实验表明，当开口尺寸较小时，O2浓度下降快，火焰熄灭时燃料尚未耗尽；随着舱室顶部水平开口尺寸的增大，火焰持续燃烧，直至燃料完全燃尽。Morehart 等［10-11］针对顶棚有开口的有限空间内气体扩散火焰的燃烧规律进行了研究，发现当O2的体积浓度在14%～16%（火源直径为0.50～0.089 m）范围内时，火焰会因为缺氧而自动熄灭。在黎昌海［12］、胡靖等［13］和Utiskul 等［14］开展的有限空间火灾实验中，也发现了类似的火焰自熄灭现象。

为了解释有限空间内的火灾自熄灭现象，Nikitin［15］，Quintiere 和Rangwala［16］建立了基于火焰周边环境温度、起火空间内O2浓度和外界热传递的火焰自熄灭临界条件。Utiskul 等［17-18］计算了燃烧速率数值与O2浓度和空间环境热反馈的关系，结果显示与实验测试结果的一致性较好。李强［19］和李田成［20］对有限空间内的火场温度分布、烟气流动规律和燃烧特性进行了研究，描述了顶部开口处气体流动模式对舱内烟气运动规律的影响。李杰等［21］系统分析了不同载荷条件下船舶火灾的特殊性。

从以上研究结果可以看出，前人主要关注的是顶部开口有限空间内的火焰蔓延过程，并描述了火焰因缺氧而导致的自熄灭现象。但在顶部水平开口位置、开口尺寸等因素发生改变后，有关其对舱室内火灾发展模式、燃料质量损失速率的影响方面，研究尚不充分，对有限空间火灾燃烧特性的认识并不全面。因此，本文将针对船舶顶部水平开口有限空间火灾发展过程、特点和演变规律进行研究，以指导船舶防火设计及火灾扑救工作的有效实施，减少并控制火灾事故。

1 研究方案

本文利用顶部开口船舶舱室模拟实验平台开展实验。实验舱尺寸为1 m×1 m×0.75 m（长×宽×高），其中一侧为光学玻璃，以便观察，其他侧面则由铁板制成，并进行绝热处理。水平开口位于顶部一角，呈正方形。实验过程中，采用的开口面积从大到小分别为900，625，400，225，100和25 cm2。

图1 显示了实验舱内火源及测试设备在实验舱内的布置情况。庚烷油池放置在实验舱底部中央位置处，实验分别使用了油池直径D=10，14 和20 cm 这3 种尺寸的圆形油池。为便于控制燃烧过程并进行稳定性分析，使用了组分单一、燃烧稳定的正庚烷（浓度为98%）作为燃料。油池内庚烷的初始厚度为1.3 cm，燃烧过程中没有补充燃料。油池下方放置有一电子秤，测量范围为6 kg，测量精度为0.01 g，可实时测量燃烧过程中燃料的质量变化。为测量火焰底部附近的气体组分及其浓度，将气体浓度检测仪的探头放置到了距油池边缘0.15 m 位置。通过调整开口尺寸和油池直径，实验工况和结果如表1 所示。表中，各数值均为重复性实验中得到的实验结果的平均值。

2 实验结果分析

2.1 火焰熄灭模式

实验过程中，在不同的开口面积和火源条件（不同油池直径）下，火焰出现了2 种熄灭模式。本文将因O2浓度不足而导致的火焰熄灭称为“缺氧熄灭”模式，将燃料完全燃烧后造成的火焰熄灭称为“燃料耗尽熄灭”模式。

2.1.1 “缺氧熄灭”模式

图2 显示了火焰“缺氧熄灭”模式下开口面积对油池火燃料消耗量的影响。图中，Av为水平开口面积，mb，ext/m0为燃料消耗率，即火焰熄灭时通过燃烧消耗掉的燃料质量与初始燃料质量之比。燃料消耗率的大小表示燃烧消耗的燃料量。在本文实验中，当火焰熄灭时，3 种面积油池火的燃料消耗率在0.35～0.5 范围内，大部分的燃料没有燃烧。由图2 可以看出，在相同火源大小条件下，虽然开口面积显著增大，但燃烧消耗的燃料总量相对稳定，并没有明显增多。D=10 cm 油池火的燃料消耗率在0.3～0.4 范围内变化，D=14 cm 油池火的燃料消耗率从0.15 增加到了0.2。可见在“缺氧熄灭”模式下，火焰熄灭时油池内仍剩余有大量的燃料，增大开口面积不会导致火灾规模明显变大，且在同样的实验舱室尺寸条件下，火源尺寸的影响比较微小。另外需要注意的是，对于相同尺寸油池，在完全相同的工况下，仅改变初始燃料质量，燃料消耗率也会随之改变。因为在相同的工况下，可以消耗的燃料是一定的，初始燃料多，则燃料消耗率变小；初始燃料少，则燃料消耗率变大。

图1 实验布置示意图及试验台实景图Fig.1 Schematic diagram of experimental arrangement and experimental setup

表1 实验测试结果Table 1 Experimental results

图2 “缺氧熄灭”模式下的燃料消耗率Fig.2 Fuel consumption rate under“oxygen-lack extinguishing”mode

实验研究发现，浮力作用会使烟气羽流上升，在撞击舱室顶棚后沿顶棚延展并形成顶棚射流。射流遇到竖直壁面后向下发展，形成具有一定厚度的烟气层。随着燃烧的进行和烟气的逐渐增多，烟气层不断变厚，其下边沿持续下降。图3 给出了燃烧过程中火焰底部附近O2，CO 和CO2等气体浓度的变化过程。在D=14 cm 油池火实验中，当Av=25 cm2时，点火初期舱室内的火灾烟气向上流动，火源根部附近的气体浓度未发生明显变化。点火20 s 后，火灾烟气撞击实验舱室顶棚后下降，舱室底部的O2浓度开始下降，CO 和CO2的浓度逐渐升高。火焰熄灭时，空气中O2浓度降至13.2%，CO的体积浓度达610×10-6以上。结果表明，在水平开口有限空间火灾中，烟气在燃烧的中、后期会沉降到舱室底部，并被卷吸进入火焰参与燃烧。

图3 火焰根部气体浓度变化过程（D=14 cm，Av=25 cm2）Fig.3 Variation of gas volume concentration near the flame root（D=14 cm，Av=25 cm2）

本文研究中，在“缺氧熄灭”模式下，随着水平开口面积的增大，火焰熄灭时O2浓度从12.8%增加到了16%，但当氧气浓度超过16%后，火焰将能维持燃烧直至燃料耗尽，火焰熄灭模式变成“燃料耗尽熄灭”模式。

2.1.2 “燃料耗尽熄灭”模式

图4 气体浓度随燃烧时间的变化过程（D=10 cm，Av=900 cm2）Fig.4 Variation of gas volume concentration with buring time（D=10 cm，Av=900 cm2）

图4 给出了D=10 cm，Av=900 cm2工况下，火源根部附近气体组分浓度的变化过程。在燃烧初始阶段，O2，CO2和CO 的浓度几乎不变，但在点火25 s 后空气中CO 和CO2浓度开始上升，O2浓度随之下降，其后保持在16.5%以上直至火焰熄灭。与“燃料耗尽熄灭”模式下的O2浓度变化情况相比，在“缺氧熄灭”模式下，O2浓度随着燃烧的持续不断下降，直至火焰因O2浓度不足而熄灭。

2.2 火焰形态特征

图5 “缺氧熄灭”模式下的火焰形态（Av=225 cm2）Fig.5 Behavior of flame under“oxygen-lack extinguishing”mode（Av=225 cm2）

图6 “燃料耗尽熄灭”模式下的火焰形态（Av=900 cm2）Fig.6 Behavior of flame under“fuel-lack extinguishing”mode（Av=900 cm2）

“缺氧熄灭”模式和“燃料耗尽熄灭”模式下的火焰形态特点鲜明，图5 和图6 分别给出了Av=225 和900 cm2条件下D=10 cm 油池的火焰形态变化过程。在“缺氧熄灭”模式下，燃烧初期火焰明亮，至稳定燃烧阶段火焰开始呈现出周期性的收缩和膨胀的蘑菇形状，火焰高度出现大幅度的波动；之后，火焰出现明显的涡旋，形成螺旋上升型火焰，最终脱离火源，在该形态下，火焰高度波动较小且根部火焰面大小几乎保持不变，但沿油池中心线有轻微的左右弯曲摆动；而在燃烧末期，火焰难以保持在整个油池面上燃烧，开始逐渐脱离油池向上运动，然后在油池的上方熄灭。在“燃料耗尽熄灭”模式下，在整个燃烧过程中火焰始终保持细长形态，清晰可见，直至燃料完全耗尽，且火焰一直在油池表面燃烧。

2.3 燃烧速率

图7 显示了D=10 cm 油池火在不同水平开口面积条件下燃烧速率的变化。由图可以看出，燃烧速率与火焰形态有很强的相关性，D=10 cm 油池火的燃烧速率在整个燃烧过程中波动较小。

图7 不同水平开口面积对油池火燃烧速率的影响（D=10 cm）Fig.7 The influence of different ceiling opening size on burning rate of pool fire（D=10 cm）

在“缺氧熄灭”模式下，燃烧速率经历了快速增长、维持稳定和不断减小的过程。随着水平开口面积的增大，稳定燃烧阶段的质量损失速率较为稳定，且与开放空间中同样尺寸庚烷油池火的燃烧速率基本一致。可以得出结论，当油池直径不大时，尽管由于空间结构的影响导致氧气浓度减小，但质量损失速率并未受到明显影响；但对于尺寸更大的油池，有限空间的影响十分明显，其燃烧速率相比开放空间燃烧的幅值大幅减小。

在“燃料耗尽熄灭”模式下，在经历了快速增长和平稳燃烧阶段后，燃烧速率再次迅速升高并形成第2 次稳定燃烧状态。根据Chen 等［22-23］的研究结果，可知这2 个阶段分别为过渡阶段和沸腾燃烧阶段，其标志着油池内的燃料出现了整体沸腾现象，此时质量损失速率是稳定燃烧时值的1.5 倍。

但是，在燃烧初期，2 种熄灭模式燃烧速率的变化曲线差异并不明显，这表明在燃烧初期，舱室内的O2含量可以维持池火燃烧处于较为稳定的状态，相比开口面积，火源尺寸对燃烧速率的影响更明显。

3 结 论

本文通过改变顶部开口面积和油池尺寸，开展了顶部开口有限空间油池火实验，并对火焰熄灭模式、火焰形态以及燃烧速率等燃烧特性进行了研究，得到如下结论：

1）基于火焰熄灭的原因，可以将顶部开口有限空间火灾燃烧过程分为“缺氧熄灭”和“燃料耗尽熄灭”2 种模式。在“缺氧熄灭”模式下，火焰熄灭时燃料有剩余，仅有部分燃料被消耗掉，且在给定的舱室结构中，随着油池火尺寸的增大，燃料消耗率减小。火焰在燃烧过程中卷吸着含氧量不断降低的烟气混合物，当O2浓度大于16.5%时，火焰能够维持燃烧直至燃料耗尽。

2）火焰形态受火源尺寸和开口面积大小的共同作用。在“缺氧熄灭”模式下，火焰明显呈现出收缩和膨胀的现象；在“燃料耗尽熄灭”模式下，火焰在整个燃烧过程中都维持着较为稳定的形态，直至燃料耗尽。

3）在“缺氧熄灭”模式下，相比开口面积，火源大小对燃烧速率的影响更为显著。在“燃料耗尽熄灭”模式下，由于燃料达到沸腾燃烧状态，火焰燃烧速率再次出现快速增长和稳定燃烧过程。另外，当火源尺寸较小时，相比开放空间的自由燃烧，火灾在有限空间内的燃烧速率并未明显减小，尽管此时有可能会发生自熄灭现象。