浸油沙层火焰传播速度研究

曹文娟，杜文锋

（1.北京市丰台区公安消防支队，北京，100039；2.中国人民武装警察部队学院，河北 廊坊，065000）

0 引言

浸油沙层的火灾危险性可从两个方面进行评估。一是火灾发生的可能性评估，这可以从浸油沙层闪点和燃点的大小得到反映。关于这一方面，本文作者已对其进行了实验研究。结果表明，沙油质量比、沙粒直径、导热性能及外界辐射热都对浸油沙层的闪点和燃点有重要影响。二是火灾后果评估，这可以从浸油沙层火灾持续时间、火灾蔓延速度和范围、火灾热释放速率以及火焰高度得到反映。国内外关于火焰传播速度的研究中，只是从影响泄漏液体火焰传播的部分因素入手对泄漏可燃液体在多孔介质上的火焰传播进行了研究，并得到了大量有应用价值的结果。如Ishida使用n－癸烷和玻璃球燃料床，通过实验研究了可燃液体渗透在地面中，燃料床中玻璃球的粒径、温度、表面热传导和表面点燃角度对于火焰传播特性和火焰传播速度的影响［1］。实验结果表明燃料供给速率与燃料消耗速率的比值对于火焰传播速度及火焰的蔓延有很大的影响。Ishida等人还对渗透高挥发性可燃液体的温度高于泄漏的可燃液体闪点的界面上的火焰传播特性进行了实验研究［2］。实验中使用n－辛烷作为燃料，玻璃球作为地面模型。对玻璃球燃料床的温度、玻璃球的粒径、玻璃球燃料床的表面倾斜角度、地面的导热系数和从燃料泄漏到点燃之前的时间对火焰传播特性和火焰传播速度的影响进行了详细研究。Takeno and Hirano［3，4］研究了火焰在玻璃球燃料床上的传播与玻璃球的粒径及燃料粘度的关系。Suzuki［5－7］研究了在渗透燃料的沙子中相反的气流对火焰传播的影响。Takeno［4］研究了燃料床中燃料厚度的变化对火焰蔓延的影响。Takeuchi［8］对于渗漏在多孔介质上的可燃液体的燃烧特性进行了研究。Kong［9－11］扩展了 Takeuchi.的研究，使用渗透甲醇的沙子作为多孔介质更进一步研究了其燃烧行为，并且对不同类型的多孔介质中的燃料的特性对于非扩散火焰的影响进行了研究。

但是沙层的物理性质对浸油沙层的着火特性有何影响呢？显然，前面的研究无法回答这些问题。而定量地研究浸油沙层的闪点、燃点、火焰传播速度等参数，不仅能够回答前面提出的问题，而且可以为评价泄露油品的火灾危险性，抑制泄漏油品火灾的发生、蔓延，建立浸油沙层的燃烧模型提供理论依据和技术参数，进而扩展火灾模拟软件的适用范围。

火焰传播的热理论认为火焰能在混气中传播是由于火焰中化学反应放出的热量传播到新鲜冷混气中，使冷混气温度升高，化学反应加速的结果［12］。在浸油沙层表面的火焰传播是油品蒸发的蒸汽的燃烧，使得火焰得以传播，因此油品的蒸发速率直接影响着浸油沙层表面的火焰传播速度。可燃液体的蒸发速度或燃烧速度的表达式见公式。

其中，Gl是蒸发速度或燃烧速度，g／（m2·s）；f指燃烧热ΔHC中传回到液体表面的百分数；QE指单位面积的液面上外界热源的加热速率，kW／m2；Ql指单位面积液面的热损失速率，kW／m2；LV液体的蒸发热，kJ／g。

由公式可知，可燃液体的蒸发速度受外界辐射热通量的影响，进而影响可燃液体的火焰传播速度。火焰在蔓延过程中，其外界热辐射主要来自火焰的热辐射，而且火焰的热辐射是控制火焰柱底部传热的主要方式。虽然火焰的热辐射对加热燃料床表面有影响，但是目前对于它们之间的影响并没有特别详细的阐述。而且在大量燃料泄漏到地面上之后，火焰的热辐射在很大程度上影响着火焰蔓延。

增大燃烧盘的宽度，一方面火焰宽度增大，对未燃区域的热辐射增强；另一方面燃烧热回传到液体表面的热量发生了变化，而且，增大盘宽使沙层表面的扩散损失增大。多种因素使浸油沙层中液体的蒸发速度发生了变化，因此，有必要研究燃烧盘的宽度对火焰蔓延特性的影响。

可燃液体泄漏到多孔介质上，其火焰传播速度不仅与外界辐射热通量有关，而且与沙层中的含油量也有关，改变沙油质量比，沙层中含油量发生变化，蒸发速率也随之发生变化。但是从目前查阅到的相关资料来看，并没有研究沙油质量比、燃烧盘的宽度及外界热辐射对浸油沙层火焰传播速度的影响，因此，本章研究了这三个方面对火焰传播速度的影响。

1 火焰传播现象的影响因素

泄漏燃料表面的火焰传播速度受到许多重要因素的影响，这些因素都在很大程度上影响火焰传播方式及火焰传播速度。这些影响因素包括：液体燃料的闪点、燃点，地面的温度，地面的形状和点燃角度，沙粒直径，由气体流动引起的对流，地面的热特性，火焰蔓延方向等。在本研究中使用0柴油（闪点74℃）作为液体燃料，沙子燃料床作为地面模型。通过实验研究了沙油质量比、燃烧盘的宽度以及在燃烧盘的一端施加辐射热对火焰传播速度的影响。

2 实验描述

实验装置示意图如图1所示。实验中选取三种尺寸的盘子，长深相同，即长100cm，深2cm，宽分别为5cm、10cm及15cm；沙油质量比为3∶1、5∶1和8∶1；沙粒直径为0.45mm～0.9mm。用电子天平按一定比例称重沙子与柴油，然后将沙子与柴油混合均匀，置于盘子中，抹平表面，在盘子的一侧贴有刻度。从燃烧盘20cm处开始每隔10cm放置一个热电偶，热电偶位于沙层表面下5mm处，共放置8个，在盘子5cm处用耐火隔板将其与盘子的其他部分隔开，然后在此处放入蘸有柴油的脱脂棉，引燃脱脂棉，待整个沙面覆盖火焰10s后，移去隔板，同时使用摄像机拍摄火焰蔓延的全过程，然后计算火传播延速度。

图1 测量火焰传播设备示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental setup for the flame propagation process

3 实验结果及讨论

3.1 沙油质量比对火焰传播速度的影响

3.1.1 沙油质量比与火焰传播速度的关系

（1）实验结果

固定盘宽5cm，改变沙油质量比，火焰传播时间与距离的关系如图2所示。由图2可知，火焰传播到同一位置处，沙油质量比为8∶1时，需要的时间最长；沙油质量比为5∶1时，需要的时间最短；而沙油质量比为3∶1时的曲线几乎与沙油质量比为5∶1时的曲线重合。

图2 火焰传播距离与时间关系图Fig.2 Flame propagation distance versus time.Beads diameter：0.45mm～0.9mm；width of steel tray：5cm

图3 火焰在每一段上的火焰传播速度与沙油质量比的关系Fig.3 Effect of the mass ratio between sand and disel oil on the flame propagation rate in each section

为了计算火焰传播速度，以热电偶放置的位置为准，将燃烧盘10cm～100cm分割为九段，每段长10cm，每段的火焰传播速度的平均值如图3所示，图中横坐标20指10cm～20cm处的沙层，30指20cm～30cm处的沙层，依此类推。从图3中可以看出，沙油质量比为3∶1和5∶1时，在50cm之前，火焰传播的最初，火焰传播速度较大，随着燃烧的进行，火焰传播速度略有下降，之后火焰传播速度趋于常数；而沙油质量比为8∶1时，只有10cm～20cm处的火焰传播速度较大，其他位置处的火焰传播速度基本保持不变。

计算整个火焰传播过程中火焰传播速度的平均值，绘制于图4中。沙油质量比为5∶1时，火焰传播速度的平均值最大，为1.25cm／min，与沙油质量比为3∶1时的火焰传播速度的平均值1.14cm／min相差较小，但是其火焰传播速度几乎是沙油质量比为8∶1时火焰传播速度的平均值0.64cm／min的2倍。

（2）实验现象分析讨论

图4 沙油质量比与火焰传播速度关系Fig.4 Effect of the mass ratio between sand and disel oil on the flame propagation rate

沙油质量比为3∶1时，把沙油混合物放入盘中后，表面是油面，此时的火焰传播速度应该很接近油池的火焰传播速度，但是其火焰传播速度却远远小于纯柴油的火焰传播速度52.2cm／min，而且实验结果表明，其火焰传播速度与沙油质量比为5∶1时的火焰传播速度相差甚小，且小于沙油质量比为5∶1时的火焰传播速度。这可能是由于在火焰传播过程中，燃烧区域温度高于火焰前方未燃区域的温度，当沙油质量比为3∶1时，沙油混合物表面有约2mm厚的油面，在加热的最初，它们的热量传递方式是热对流和热传导的共同作用，但是很快就在沙油混合物表面出现了油面变沙面的现象，其导热方式变为热传导为主；而沙油质量比为5∶1时，沙油混合物表面是沙面，热量传递的主要方式是热传导。当沙油混合物中含油量较多时，由于沙子的导热系数为1.87W／m·k大于柴油的导热系数0.12W／m·k，因此沙油质量比较大时其导热性能较高，导致沙油质量比为5∶1时的火焰传播速度大于沙油质量比为3∶1时的火焰传播速度。

在火焰传播过程中，当沙油质量比为3∶1时，火焰前沿传到之处与未燃区域之间30cm范围内，燃烧盘的沙油混合物表面已由最初的油面变为沙面。之所以出现这种现象，是由于在燃烧过程中，沙层的存在成为火焰传播的灯芯。火焰在传播过程中由毛细效应引起的灯芯作用的示意图如图5所示。由于灯芯效应，形成了火焰前沿前面未燃区域30cm范围内出现油面变沙面的现象。

对于图3中的实验结果，火焰传播的早期，火焰速度较快，之后火焰传播稳定的现象也可以通过火焰在传播过程中由毛细效应引起的灯芯作用解释。在火焰传播的早期阶段，如图5（a）所示，在火焰柱下面的渗漏液体消耗，火焰传播速度较快。然而，随着火焰的传播、火焰柱的增大，如图5（b）所示，浸湿的燃料层减少，因此火焰传播速度降低。此外，由于大量的燃料供给燃料床表面，后部的火焰柱逐渐消失。当由于毛细上升作用使得表面燃料供给量等于燃料消耗量时，火焰传播速度变为稳定传播。

图5 火焰传播过程中毛细效应引起的灯芯作用示意图Fig.5 Schematic diagram of fuel supply by capillary rise effect to bead

3.1.2 沙油质量比对沙层表面温度的影响

沙油质量比为5∶1，盘宽为5cm时，整个火焰传播过程中每个热电偶处沙层表面的温度变化曲线如图6所示。从图中可见，每一个热电偶处沙层表面的温度变化趋势相同，火焰前沿传到时沙层表面的温度相差很小，而且沙层表面的最高温度也很接近。将第二个热电偶处，不同沙油质量比下整个火焰传播过程中沙层表面的温度变化曲线绘制于图7，从图中也可以看出沙油质量比为5∶1时整个过程用时最短；随着沙油质量比的增加，沙层表面的最高温度下降；而且火焰前沿传到热电偶处时沙层表面的温度同样随沙油质量比的增大而降低。

将盘宽5cm，沙油质量比为3∶1、5∶1及8∶1的整个火焰传播过程中，火焰前沿传播到每个热电偶处沙层表面的温度以及每一个热电偶处沙层表面可以达到的最高温度绘制于图8和图9中。从图中可知，火焰传播的整个过程中，在每一种沙油质量比下，火焰前沿传到每一个热电偶处沙层表面的温度相差很小，可近似认为温度不变，但此温度随着沙油质量比的增加而降低；热电偶处沙层表面的最高温度同样遵循此规律。沙油质量比为3∶1、5∶1及8∶1时，火焰前沿传到每一个热电偶处沙层表面的平均温度依次为49.6℃、44.0℃和24.3℃，在每一个热电偶处可以达到的最高温度的平均值依次为405.1℃、382℃和315.9℃。

温度变化的这一结果，进一步证实了火焰传播的热理论。火焰传到时，沙层表面的温度越高火焰传播速度越快。沙层中油的含量越大，沙层表面能够达到的最高温度越高，火焰传播速度越大。

3.2 燃烧盘的宽度对火焰传播速度的影响

3.2.1 燃烧盘宽度与火焰传播速度的关系

固定沙油质量比为5∶1，燃烧盘的宽度分别为5cm、10cm及15cm，整个火焰传播过程中火焰传播时间与燃烧盘宽度的关系如图10所示。由图可知，火焰传播到同一位置处，盘宽5cm时，需要的时间最长；盘宽10cm时，需要的时间最短。

图6 整个火焰传播过程中各个热电偶处沙层表面的温度曲线（沙油比为5∶1，盘宽5cm）Fig.6 Temperature of the sand surface（measured by the thermocouples）.The mass ratio between sand and disel oil is 5∶1，and the width of steel tray is 5cm

图7 整个火焰传播过程中第二个热电偶处沙层表面的温度曲线（盘宽5cm）Fig.7 Temperature of the sand suface at the second thermocouple.The width of steel tray is 5cm

图8 每火焰前沿传到一个热电偶放置处沙层表面的温度与沙油质量比之间的关系Fig.8 Effect of the mass ratio between sand and disel oil on the temperature of the sand suface when the flame front arrived at the locations of thermocouples.The width of steel tray is 5cm

火焰传播过程中，燃烧盘越宽，火焰的高度及宽度越大，火焰对前面浸油沙层的辐射热通量越大，则火焰传播到同一位置处所需的时间应该越短，但是实验结果显示，随着燃烧盘宽度的增加，火焰传播到同一位置处所需的时间先减小后增加。燃烧盘越宽，虽然火焰对浸油沙层的辐射热量增大，单位时间内蒸发出的油蒸气变多，但是盘宽增大，扩散损失随之增大。在盘宽10cm时，通过火焰的辐射热传到沙层的热量比扩散损失的热量大得多，因此，浸油沙层得到的热量多，从而火焰传播到同一位置处所需的时间最短。在盘宽15cm时，虽然通过火焰的辐射热传到沙层的热量较大，但是其与扩散损失的差较小，也就是浸油沙层获得的净热量小，因此火焰传播到同一位置处所需的时间比盘宽10cm所用时间长。而且在实验过程中还发现燃烧盘宽15cm时其火焰柱的高度比燃烧盘宽10cm时火焰柱的高度低。

图9 每一个热电偶放置处沙层表面的最高温度与沙油质量比之间的关系Fig.9 Effect of the mass ratio between sand and disel oil on the highest temperature of the sand suface（measured by the thermocouples）.The width of steel tray is 5cm

图10 火焰传播距离与时间关系图Fig.10 Flame propagation distance versus time.The mass ratio between sand and disel oil is 5∶1

图11 盘子宽度与火焰传播速度的关系Fig.11 Relationship between the width of steel tray and the flame propagation speed

取各段火焰传播速度的平均值，结果如图11所示，盘宽10cm时的火焰传播速度最大，火焰传播速度为2.32cm／min；盘宽15cm时的火焰传播速度为1.98cm／min；盘宽5cm时的火焰传播速度为1.25cm／min。随着盘子宽度的增大，火焰传播速度的平均值先增大后减小。

3.2.2 燃烧盘宽度对沙层表面温度的影响

燃烧盘的宽度不同，整个火焰传播过程中沙层表面温度的变化趋势相同，如图12所示，此图是不同宽度的燃烧盘，第二个热电偶处沙层表面的温度变化曲线。

图12 整个火焰传播过程中第二个热电偶处沙层表面的温度曲线（沙油比5∶1）Fig.12 Temperature of the sand surface at the second thermocouple in the flame propagation process.The mass ratio between sand and disel oil is 5∶1

为了便于比较，将火焰前沿传播到每个热电偶处沙层表面的温度以及每一个热电偶处沙层表面可以达到的最高温度绘制于图13和图14中。盘子的宽度分别为5cm、10cm和15cm时，在每一种宽度下，火焰前沿传到每一个热电偶处沙层表面的温度差很小，可近似认为温度不变；但此温度随着盘子宽度的增加而升高。在图13中，热电偶放置在80cm及90cm处时，其温度突变，可能是由于实验过程中确定火焰是否传到热电偶处，计时的长短造成的，也可能是由于火焰传到燃烧盘的末端，浸油沙层变短，热损失相对于火焰传到燃烧盘中间时的热损失大造成的。燃烧盘宽度的增加，对热电偶处沙层表面的最高温度影响较小，其温度范围为380℃～400℃，如图14所示。

火焰前沿传到时沙层表面的温度与盘宽的关系进一步证明了随盘宽增加，火焰传播速度先增大，之后稍有降低。但是沙层表面的最高温度与盘宽无关，只与沙油质量比有关。

图13 火焰前沿传到每一个热电偶放置处沙层表面的温度与盘宽之间的关系Fig.13 Relationship between the width of steel tray and the temperature of the sand surface on the arrival of the flame front at the locations of thermocouples.The mass ratio between sand and disel oil is 5∶1

3.3 辐射热通量对火焰传播速度的影响

本实验装置示意图如图15所示。采用电炉子作为辐射热源，电炉子的功率分别为1kW和2kW。首先，将功率为1kW的电炉子放置在燃烧盘的一端，用耐火材料将电炉子垫起，使电炉子的炉面与底面水平面间的夹角为45°，在电炉底面水平向前约12cm处放置辐射热流计，也就是放置燃烧盘后，燃烧盘中紧挨着电炉一端的10cm处，测得此处稳定时的辐射热通量值为3.0kW／m2。然后在同一位置放置功率为2kW的电炉，辐射热流计的位置不变，测得这种情况下稳定时的辐射热通量值为5.0kW／m2。实验过程中，先将装有沙油混合物的宽5cm燃烧盘放在规定位置处，从燃烧盘一端20cm处开始每隔10cm放置一个热电偶，共放置8个热电偶，热电偶位于沙层表面下5mm处。然后将热量稳定的电炉子放在预先设计好的位置处，实验开始5分钟左右，用点火器在燃烧盘10cm处手动点火，火焰传播到100cm处实验结束。

图14 每一个热电偶放置处沙层表面的最高温度与盘宽之间的关系Fig.14 Relationship between the width of steel tray and he highest temperature of the sand suface（measured by the thermocouples）.The mass ratio between sand and disel oil 5∶1

图15 施加辐射热通量测量火焰传播速度的示意图Fig.15 Schematic diagram of the experimental apparatus for the effect of the radiation heat flux on the flame propagation rate

固定沙油质量比为5∶1，沙子粒径为0.45mm～0.9mm，改变辐射热通量，实验结果如图16所示。随着辐射热通量的增加，浸油沙层表面的火焰传播速度增加。由于实验过程中只在燃烧盘的一端施加辐射热，也就是固定燃烧盘中某一点处的辐射热通量不变，因此，在施加辐射热一端的火焰传播速度明显大于没有施加辐射热一端的火焰传播速度。每一种辐射热通量下，在燃烧盘10cm到50cm之间，随辐射热通量的降低，火焰传播速度逐渐减小；由于辐射热源加热不到50cm后的沙层，所以这三种情况下的火焰传播速度曲线重合。

图16 辐射热通量对火焰传播速度的影响（盘宽5cm）Fig.16 Effect of the radiation heat flux on the flame propagation rate.The width of steel tray is 5cm

4 结论及展望

4.1 结论

通过实验研究得到如下结论：

（1）浸油沙层中含油量较多时，火焰蔓延初期，火焰蔓延速度较大，之后火焰蔓延速度趋于常数；而浸油沙层中含油量较少时，整个火焰蔓延过程中，火焰蔓延速度为常数。

（2）浸油沙层的火焰蔓延速度随沙油质量比的增大而减小。

（3）在本实验条件下，火焰的蔓延速度随燃烧盘宽度的增加先增大后减小。

（4）火焰蔓延速度随辐射热通量的增加而增大。

4.2 进一步展望

本文仅对沙油质量比、燃烧盘的宽度及外界热辐射对浸油沙层火焰传播速度的影响进行了简单的实验研究。由于实验条件的局限性，只是针对三种不同沙油质量比进行了实验，对于实验中沙油比为3∶1时表面出现油面，其火焰传播速度低于沙油比为5∶1时的火焰传播速度，只是进行了定性的分析，没有做进一步的量化深入研究，应进一步改变不同沙油质量比，燃烧盘的宽度以及沙层的导热性能研究浸油沙层的火焰传播速度。

实验过程中，选用钢制燃烧盘，燃烧盘没有经过绝热处理，也没有考虑火焰蔓延过程中其底面及侧面与外界的热损失，而且鉴定火焰传播到每一个热电偶处时可能有误差，火焰传播速度也是通过时间距离公式粗劣的计算了火焰传播的平均速度，应进一步改进实验设备，更精确的测量火焰传播速度。在辐射热源对火焰传播速度的影响实验研究中，只是利用电炉在燃烧盘的某一点处施加了固定的辐射热通量，应该制作一个能够在燃烧盘上方均匀施加辐射热的辐射热源，测量整个燃烧盘在辐射热源加热下的火焰传播速度，能够比较准确表征实际火灾过程中，燃料泄漏之后在不同辐射热量、不同介质中的火焰传播速度，更加精确的评价泄漏燃料的火灾危险性。

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