大尺度正庚烷流淌火试验

刘全义，杨 锐 ，张 辉

(1.中国民用航空飞行学院，四川 广汉 618307;2.清华大学 公共安全研究院，北京 100084)

大尺度正庚烷流淌火试验

刘全义1，杨 锐2，张 辉2

(1.中国民用航空飞行学院，四川 广汉 618307;2.清华大学 公共安全研究院，北京 100084)

针对液体燃油储运过程中泄漏引发的火灾爆炸事故，设计并搭建液体燃油流淌火燃烧试验平台，进行了正庚烷流淌火试验。分析了4种不同泄漏速率下正庚烷流淌火的火焰前沿位置、燃烧面积、蔓延速率、燃烧速率等特征参数的变化规律。研究结果表明：正庚烷流淌火的燃烧蔓延阶段性特征明显，其典型参数均随泄漏速率正相关变化。正庚烷流淌火的稳定线燃烧速率为4.56×10-5m·s-1；而泄漏速率每增加1 L·min-1，相应的初始蔓延速率增加6 mm·s-1。

正庚烷流淌火；火焰前沿；燃烧面积；燃烧速率；蔓延速率

0 引言

在液体燃料的储存、运输及使用过程中，油品泄漏引发的火灾爆炸事故时有发生。国外已经开展了大量关于溢油在水面的泄漏、蔓延和燃烧过程的模型研究[1-4]。文献[5-7]在试验室条件下，通过多组试验，研究了汽油、乙醇等燃料在混凝土、木板和防火毯等多种材料上瞬时泄漏后的燃烧过程，测量了热释放速率，并估算了油膜厚度，分析了下垫面类型、下垫面温度、点火延迟时间等对溢油流淌火燃烧速率和最大燃烧面积的影响。文献[8]研究了燃油流淌火面积对航空器以及所需灭火剂总量的影响，但没有对流淌动力学过程进行研究。

国内有关溢油流淌火的研究较少，且均以地面流淌火的试验研究为主。文献[9-10]通过试验，阐述了地面流淌火灾的特点，研究了溢油流淌火的辐射和高温对临近罐体的危害，并进行了溢油流淌火的灭火试验。文献[11-12]定性地分析了汽油流淌火在不同坡度情况下的燃烧过程。文献[13-14]针对舰载航空器火灾开展了航空煤油表面燃烧特性的试验,侧重于研究航空燃油油池表面火蔓延过程中，燃油表面的火焰脉动及表面流特征。目前，对流淌火的研究主要建立在溢油流淌和池火的基础上，但是，对溢油流淌火的燃烧速率和火焰高度等特征参数的研究不足。

因此，本文设计并搭建了液体燃料燃油流淌火燃烧试验平台，研究液体燃料流淌火的蔓延规律，分析不同条件下流淌火的燃烧面积、蔓延速率、燃烧速率和火焰高度等特征参数的变化规律。

1 试验

1.1 试验平台

本文试验所用的液体燃油流淌火燃烧试验平台设计和搭建依据文献[15]，主要由供油装置(油桶)、布流槽、流淌槽、集流槽、数据采集及控制系统等组成。图1为流淌火试验平台示意图。

正常试验期间，液体燃油从油桶中流出，通过软管流入布流槽中。随着布流槽中的油品不断增加，逐渐从布流槽溢出，流到流淌槽玻璃表面，点火，进行流淌燃烧试验。最后，集流槽对未燃烧的油品进行回收。整个过程中，数据采集及控制系统对需要的数据进行采集和监测。试验过程主要测量了溢油流淌火的燃烧面积、火焰高度以及辐射热流密度等。在试验平台热流计一侧约9 m处放置日本胜利公司数码摄像机，用于拍摄并记录燃油流淌火试验全过程的影像。燃油流淌火的燃烧面积和火焰的高度等火焰形状参数，可通过分析摄像机图像数据获得。

图1 流淌火试验平台示意图

1.2 试验工况

本文试验为水平面流淌燃烧过程，不考虑流淌槽倾斜的情况。试验选用正庚烷(n-heptane)作为液体燃料。其中：w(正庚烷)≥99%；w(不挥发物)≤0.05%,w(水份)≤0.05%，w(不饱和化合物以Br计)≤0.032%；密度683～685 kg/m3；沸程96.5～98.5 ℃；自燃温度223.0 ℃；爆炸极限(体积分数)1.05%～6.70%。

通过改变蠕动泵的转速，进行了0.93 L·min-1、2.05 L·min-1、4.39 L·min-1和6.92 L·min-1这4种泄漏速率下的水平正庚烷流淌火试验，实时测量了流淌火火焰前沿所达到的最远位置、最大燃烧面积和稳定燃烧面积等参数。每组试验重复3次。

2 试验结果分析及讨论

2.1 试验数据统计结果

表1为正庚烷流淌火试验数据统计结果，包括流淌火火焰前沿所达到的实时位置、最大燃烧面积、稳定燃烧面积、稳定线燃烧速率、初始蔓延速率等特征参数和相应的特征时间，其中，t1、t2、td、t3分别表示流淌火试验期间出现最大燃烧面积、稳定燃烧面积、关闭蠕动泵及火焰熄灭的时刻。

表1 正庚烷流淌火试验数据统计结果

2.2 试验现象及过程分析

图2为泄漏速率Qin=4.39 L·min-1时正庚烷流淌火的火焰高度、火焰前沿、燃烧面积随时间的变化曲线。结合图2a和图2b可知：在泄漏刚发生10 s时，便形成了小规模的流淌火，此时正庚烷流淌火燃烧面积约为 0.30 m2，火焰高度约为0.80 m。随着越来越多的正庚烷被注入油槽中，正庚烷流淌火以大约 0.019 m·s-1的速度不断向前蔓延。至泄漏发生80 s时，流淌火燃烧面积约为1.75 m2，火焰高度约为 3.50 m。

图2 泄漏速率Qin = 4.39 L·min-1时正庚烷流淌火的火焰高度、火焰前沿、燃烧面积随时间的变化曲线

随着正庚烷流淌火继续向前蔓延，其燃烧面积在t=90 s时达到最大值，约2.00 m2，火焰前沿推进到最远位置2.58 m，火焰高度维持3.50 m。此后开始逐渐收缩，至120 s时，燃烧面积收缩至1.00 m2左右并保持稳定。当t=270 s时，关闭蠕动泵，不再有新的正庚烷补充进入油池，流淌火火焰前沿以0.034 m·s-1的速度迅速缩小，燃烧面积以大约0.027 m2·s-1的速度逐渐缩小，并于300 s时基本熄灭，火焰高度也随之降低至1.00 m以内。但从t=90 s到t=270 s关闭蠕动泵的过程中，火焰高度基本保持稳定。

因此，根据图2中正庚烷流淌火火焰高度、火焰前沿和燃烧面积随时间的变化规律，可将正庚烷流淌火的蔓延和燃烧过程划分为火焰迅速蔓延阶段(见图2中Ⅰ阶段)、火焰快速收缩阶段(见图2中Ⅱ阶段)、稳定燃烧阶段(见图2中Ⅲ阶段)和火焰熄灭阶段(见图2中Ⅳ阶段)4个阶段。

火焰迅速蔓延阶段，是从溢油泄漏并引燃(t= 0 s)开始，主要受重力作用驱动，蔓延速率的大小由液池中的油膜厚度决定。当溢油的燃烧面积增大到一定程度后，由于火焰前沿位置的燃料油膜厚度较小，油膜无法在重力作用下继续向前蔓延，至t=t1时，流淌火的火焰前沿蔓延到最远位置，溢油流淌火的燃烧面积达到最大值。在此阶段，火焰高度先随燃烧面积的增加而增大，而当燃烧面积增大到一定程度后，火焰高度不再随燃烧面积增加而增大。这是因为对于矩形池火而言，当长宽比大于一定值之后，火焰高度仅受其短边长度的控制[3]。

火焰快速收缩阶段，是从流淌火燃烧面积达到最大值(t=t1)开始，至燃烧面积缩小至稳定值的时刻(t=t2)为止。在此阶段，由于正庚烷的消耗速率大于供给速率，池内的溢油总体积减小，油膜厚度下降。泄漏的正庚烷在到达火焰前沿位置之前即被燃烧消耗完，火焰前沿处没有新的正庚烷供给。靠近泄漏口处的油膜较厚，火焰前沿处的油膜较薄，因此火焰前沿位置积累的油膜首先被燃烧消耗完，燃烧面积逐渐缩小，在视觉上表现为火焰的倒退。流淌火的火焰高度在火焰快速收缩阶段仍在稳定范围内波动。

稳定燃烧阶段，从流淌火燃烧面积达到稳定值的时刻(t=t2)开始，至溢油泄漏停止的时刻(t=td)为止。在此阶段，虽然正庚烷仍以Qin的泄漏速率被源源不断地注入油槽内，但流淌火的燃烧面积、火焰前沿位置、燃烧速率等特征参数均维持稳定而无较大变化，达到动态平衡。

火焰熄灭阶段，是从关闭蠕动泵停止供油(t=td)时开始，至火焰完全熄灭(t=t3)为止。在此阶段，正庚烷流淌火火焰前沿位置和燃烧面积有明显的收缩现象。这是由于随着正庚烷的不断消耗，油膜厚度逐渐变薄，燃烧产生的热量散至下垫面的比例增加，用于液体燃料气化的热量减小，气化速率降低，燃烧速率减小，火焰高度在火焰熄灭阶段迅速降低，在视觉上表现为火焰倒退。

2.3 燃烧面积

燃烧面积随时间变化是流淌火与池火最大的区别。最大燃烧面积受到流淌火整个火焰蔓延阶段各时刻的蔓延速率和燃烧速率的影响，也与能够使液体燃料在重力作用下向前蔓延的最小油膜厚度有关。目前，尚无成熟的经验模型来准确预测不同泄漏速率下流淌火的最大燃烧面积。而稳定燃烧面积是连续泄漏流淌火在稳定燃烧阶段所对应的燃烧面积，可以根据进入流淌槽内的燃料总量动态平衡求得流淌火的稳定燃烧面积。由表1可知：正庚烷流淌火的最大燃烧面积和稳定燃烧面积均随溢油泄漏速率的增加而增大。

在稳定燃烧阶段，流淌油槽内的正庚烷总量不再发生变化，正庚烷泄漏速率与燃烧消耗速率达到动态平衡。此时，正庚烷稳定燃烧面积等于溢油泄漏速率与稳定线燃烧速率之比，即：

Ap(st)=Qin/ωst，

(1)

其中：Ap(st)为稳定燃烧面积，m2；Qin为溢油泄漏速率，L·min-1；ωst为稳定燃烧阶段的线燃烧速率，即每单位时间消耗的油膜厚度值，L·m2·s-1。

图3为正庚烷流淌火试验稳定燃烧面积与泄漏速率的关系。图3通过拟合可得本文试验中正庚烷流淌火的稳定线燃烧速率为：

ωst=Qin/Ap(st)=4.56×10-5m·s-1。

(2)

由图3可知：正庚烷溢油流淌火的稳定燃烧面积与泄漏速率呈现正比例函数关系。对于实际发生的溢油流淌火情景，其燃烧面积往往很大，因此，线燃烧速率可以看作定值，仅与燃料种类有关。此时若已知溢油泄漏速率，则可预测溢油流淌火的稳定燃烧面积。

2.4 蔓延速率

蔓延速率是描述液体燃料泄漏流淌火燃烧面积变化的重要参数，在本文中表示单位时间内燃烧面积长度的增加量，以uf表示，单位为mm·s-1。由图2可以发现：正庚烷流淌火燃烧面积在燃料泄漏后初始的一段时间内与时间近似呈现线性关系，而后燃烧面积曲线的上升逐渐变缓。这表明正庚烷流淌火的蔓延速率在泄漏刚发生的一段时间内变化不大。流淌火的蔓延速率在泄漏后的30 s内可以看作是不随时间变化的常数，将此时的蔓延速率称作初始蔓延速率。正庚烷流淌火试验的初始蔓延速率见表1。由于在泄漏后的50 s内，各组试验均保持稳定的泄漏速率，远小于泄漏停止时间，因此，流淌火蔓延速率仅是泄漏速率的函数。

图4为正庚烷流淌火的初始蔓延速率与泄漏速率的关系图。通过拟合得到正庚烷流淌火初始蔓延速率随泄漏速率变化的关系式为：

uf=6.03Qin+10.3。

(3)

图3 正庚烷流淌火试验稳定燃烧面积与泄漏速率的关系图4 正庚烷流淌火初始蔓延速率与泄漏速率的关系

由图4和式(3)可知：在大尺度水平表面正庚烷流淌火试验的泄漏速率范围内，泄漏速率每增加1 L·min-1，正庚烷流淌火的初始蔓延速率增加约 6 mm·s-1。

在液体燃料实际储运泄漏事故中，燃油泄漏流淌火的蔓延主要受重力驱动，重力的大小和油膜的厚度有关。流淌火燃烧面积的变化、燃料的补给以及燃烧的消耗等均会对油膜厚度产生影响。因此，在整个蔓延阶段，流淌火的蔓延速率是随时间变化的，可以根据初始蔓延速率估测流淌火的燃烧过火面积，从而评估火灾危害。

3 结论

(1)连续泄漏正庚烷流淌火的蔓延燃烧过程可以分为火焰迅速蔓延阶段、火焰快速收缩阶段、稳定燃烧阶段和火焰熄灭阶段4个阶段。

(2)正庚烷流淌火的火焰前沿位置和燃烧面积等特征参数受泄漏速率影响明显，且呈现正相关关系。

(3)正庚烷流淌火的稳定燃烧面积与泄漏速率呈现正比例函数关系，且稳定线燃烧速率为4.56×10-5m·s-1。

(4)在泄漏速率小于7 L·min-1的正庚烷流淌火试验中，泄漏速率每增加1 L·min-1，正庚烷流淌火的初始蔓延速率增加约6 mm·s-1。因此，在液体燃料实际储运泄漏事故中，可以根据初始蔓延速率估测流淌火的燃烧过火面积，从而评估火灾危害。

[1] LEHR W,SIMECEK-BEATTY D.Comparison of hypothetical LNG and fuel oil fires on water[J].Journal of hazard mater,2004,107(1/2):3-9.

[2] JOHNSON D W,CORNWELL J B.Modeling the release,spreading,and burning of LNG,LPG,and gasoline on water[J].Journal of hazard mater,2007,140(3):535-540.

[3] OKA H,OTA S.Evaluation of consequence assessment methods for pool fires on water involving large spills from liquefied natural gas carriers[J].Journal of marine science and technology,2008,13(2):178-188.

[4] HISSONG D.Keys to modeling LNG spills on water[J].Journal of hazard mater,2007,140(3):465-477.

[5] BENFER M.Spill and burning behavior of flammable liquids[D].City of College Park:University of Maryland,2010.

[6] MEALY C,BENFER M,GOTTUK D.Fire dynamics and forensic analysis of liquid fuel fires:NIJ-2008-DN-BX-K168[R].2010.

[7] MEALY C,BENFER M,GOTTUK D.Liquid fuel spill fire dynamics[J].Fire technology,2014,50(2):419-436.

[8] SCHEFFEY J L,DARWIN R L,HUNT S.Analysis of suppression effects on aviation fuel fires around an aircraft:DOT/FAA/AR-11/27[R].Washington DC:Air Traffic Organization NextGen & Operations Planning Office of Research and Technology Development,2011.

[9] 黄郑华,周阳旭,李建华,等.油罐火灾的扑救措施[J].油气储运,2010,29(6):465-469.

[10] 王如君.泄漏油火对邻近罐的危害特性研究[J].中国安全生产科学技术,2006,2(4):51-55.

[11] 蔡宾斌.流淌火与油池火燃烧特性对比试验研究[J].消防科学与技术,2013,32(8):829-831.

[12] 吕鹏,舒中俊,董希琳,等.坡度对柴油流淌火燃烧特性的影响[J].消防科学与技术,2014,33(2):117-121.

[13] 陈国庆.航空煤油火焰蔓延特性研究[D].合肥：中国科学技术大学，2009.

[14] 郭进.航空煤油表面火焰脉动及表面流特性研究[D].合肥：中国科学技术大学，2012.

[15] 刘全义，贺元骅，杨锐，等.一种拼接型倾角可调式燃油流淌火燃烧试验平台：CN205263045U[P].(2016-05-25)[2016-11-08].

国家自然科学基金项目(91224008，U1633203)；国家民航局重大专项基金项目(MHRD20130103)

刘全义(1987-)，男，河南周口人，副教授，博士，主要研究方向为公共安全、航空消防与安全、新一代机载灭火技术等.

2016-12-07

1672-6871(2017)06-0095-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.06.019

X915.5

A