受限空间内典型液体可燃物的燃烧特性

刘全义，胡林，邓力，朱博，朱文田，梁光华

(1中国民用航空飞行学院民航安全工程学院，四川 广汉 618300;2清华大学合肥公共安全研究院，安徽 合肥230000)

火灾是社会中常见且具有极强破坏率的伤害之一[1]，受限空间的火灾情形将随可燃物燃烧特性的变化而变化。受限空间内不同可燃物的燃烧特性有极大差异，可燃物燃烧释放的热量以及产生的烟雾对人体有极大的伤害，准确掌握可燃物的燃烧特性对火灾预警有极强的现实意义。

LIU J等[2]使用不同纯度和混合比的正庚烷/甲苯放入耐火实验室中燃烧后发现，按体积混合的微量甲苯影响烟气的消光系数和中值直径，而按质量混合则直接影响熄灭效果。FANC G等[3]研究侧风对两种并列燃料火火场特性的影响发现，有无横风，火焰皆会随着燃料放置距离的增加而消失，而有风时火焰合并现象会消失。YU H Y等[4]研究进气口对火旋涡燃烧特性的影响发现，随着进气口宽度的增加，火漩涡的形成时间先减少后增加，而其强度和稳定性先增加后减小。夏萌等[5]采用模拟与实验相结合的方法研究氢气对碳氢燃料点火特性的影响，结果表明氢气的临界温度对可燃物的点火特性有抑制作用。ZHU P等[6]研究在倾斜风对小型乙醇池火火焰特征参数的影响发现，风速和倾斜角相同时下坡方向燃烧速率较大，火焰倾斜角和火焰长度会随着下坡气流风速的增大而增大，而上坡气流恰好相反。JIN J等[7]研究侧壁对庚烷油池火火场特性的影响发现，当火势靠近侧壁时燃烧速率提高但达不到峰值，而当火势在侧壁附近时燃烧速率可达到峰值状态。CUI G等[8]和PING P等[9]研究气流对油池火燃烧特性的影响发现，气流增加或初始中心温度降低，燃烧速率也会降低。KOTAS B等[10]研究不同直径浅热钾池着火特性发现，钾池的燃烧速率受氧化剂质量的限制。刘全义等[11]、ZHU P等[12]研究不同压力对机舱典型材料的燃烧特性的影响，结果表明环境压力降低时燃烧速率降低，但火焰高度增加，且低压环境下烟密度变化更快。TANG F等[13]使用面积相同但长宽比不同的矩形丙酮池研究在低压环境和横向气流影响条件下火焰倾斜程度和质量损失速率的变化规律发现，低压条件下燃烧速率随着流速的增加而增加。HE K等[14]研究通风对隧道内多水池火灾特征的影响发现，当火距增大时火焰偏向一维火场的中心，但火距减小到一定程度时火焰合并。

虽然科研人员提出多种方法对可燃物的燃烧特性进行分析，但是仍然缺少典型可燃物燃烧特性的对比实验、可燃物燃烧烟雾速度缺乏等研究问题。因此，本文研究选取3种典型液体材料对其烟雾速度分布场等燃烧特性进行分析，设计并搭建液体可燃物燃烧实验研究平台，研究可燃物燃烧火焰高度、热流密度以及烟雾速度场等火场特性参数，以便研究受限空间内可燃物火场特性，旨在为航空器货舱火灾探测机理提供理论支撑。

1 实验设计

1.1 实验设置

设计并搭建受限空间内典型液体可燃物燃烧特性实验布置图如图1所示，主要由火源、热流计、红外相机、PIV(三维粒子测速系统)等部分组成。实验舱尺寸为3 m×4.16 m×2 m，可燃物放置于半径为10 cm，高为10 cm的油盆中进行燃烧，点燃以后立即关闭舱门致使实验环境处于密闭状态以便进行热流密度等参数的测定。受限空间内距离油盆中心160 cm，地面高度130 cm处放置三维粒子测速系统，可实现对可燃物燃烧生成烟雾速度场的采集；受限空间内部距离油盆中心30 cm，地面高度100 cm处放置热流计记录可燃物燃烧热流密度的变化，而距离油盆中心100 cm处搭置红外相机，研究基于红外技术的可燃物燃烧火焰高度。由于烟雾速度场的测定需要拍摄实时图片，故将在同等实验条件下进行单独测定。

图1 实验布置图

1.2 实验工况

选取3种等质量(100 g)可燃液体材料，分别为正庚烷(≥99%，0.683 g/cm3)、环己烷(≥99.5%，0.778 g/cm3)以及航空煤油(JET A-1)。可燃物于常压且无风场环境下放置于油盆内进行燃烧实验，点燃以后立即开始测量。为减小实验误差与外界因素的影响，每组实验均重复3次，且实验间隔均为10 min，保证实验初始条件相同。由于航空煤油不易点燃，故加入少许正庚烷作为引燃剂，点燃以后等待1 min左右开始测量参数。

2 实验结果与讨论

可燃物燃烧火场特性包含烟雾、火焰、热力学效应等方面，本文主要研究可燃物燃烧火焰高度、热流密度以及烟雾速度等火场特性参数，以便分析典型液体燃料在受限空间内的燃烧特性，为机舱火灾探测提供理论支撑。

2.1 烟雾速度

可燃物燃烧消耗实验环境中的O2，释放有毒气体并且产生烟雾。烟雾伴随着燃烧火焰流向受限空间上层，遇阻积聚于顶棚，造成顶棚射流的现象。但可燃物燃烧时火焰与产生的烟雾处于不稳定状态，容易抖动，不易直接测量其速度分布场，需使用其他试验方法进行标定和计算。

图像处理技术应用广泛，可针对性地解决可燃物燃烧不稳定的问题，PIV测速系统根据互相关函数[15]，以及帧间差分法可对可燃物燃烧产生的烟雾速度进行测定。互相关函数[15]表达式为：

(1)

由于需实时拍摄可燃物燃烧烟雾图像，因此受限空间为开放状态。三维粒子测速系统放置于距离火焰中心110 cm，地面高度130 cm处，用于图像采集。利用试验标尺进行实际长度标定，标定长度为280 mm，拍摄跨帧时间为50 μs，保证拍摄可燃物燃烧烟雾图片实验条件一致。在受限空间中拍摄可燃物燃烧稳定后火焰上层烟雾图像100张，如图2所示。

图2 可燃物燃烧火焰上层某帧图像

由于实验环境处于开放状态，故可燃物燃烧火源会出现抖动状态，烟雾将从火焰两边分散向四周积聚充斥周围环境。

根据图像处理技术以及互相关函数[15]对可燃物燃烧的烟雾图像进行处理，得出受限空间内可燃物燃烧的烟雾速度场分布特性如图3所示。由于实验环境有自然风的干扰，故可燃物燃烧火焰将随着烟雾呈现一定的卷积状态，致使其烟雾速度分布不均或出现流线不均的状况。

图3 可燃物燃烧烟雾速度场分布

由图3可知：航空煤油燃烧产生烟雾的速度最大且可达到15.362 m/s，环己烷燃烧产生烟雾的速度峰值略高于正庚烷且可达到7.313 m/s，而正庚烷燃烧产生烟雾的速度峰值为6.416 m/s；其次，正庚烷燃烧产生烟雾速度集中分布于0～2.139 m/s速度范围内，而环己烷燃烧产生烟雾速度集中分布于0.003～2.927 m/s速度范围内，但航空煤油燃烧产生烟雾速度集中分布于0.007～3.078 m/s速度范围内，对比可得，航空煤油燃烧产生的烟雾速度分布值是最大的。

2.2 火焰高度

火焰是可燃物燃烧火场特性之一，是判断是否存在燃烧现象的重要特征。火焰高度是可燃物燃烧火焰的特征参数之一，可燃物燃烧特性不同导致其火焰高度有差异，文献[16]得出一般油池火火焰高度经验公式为

(2)

式(2)中L表示火焰高度，Q表示热释放速率，D表示油盆直径，ζ为常数且一般取值为0.235 m/kW2/5。

本文中可燃物放置于同一油盆，因此，火焰高度取决于可燃物的热释放速率。假设3种可燃物在理想条件下完全燃烧，由文献[17-19]可知：常压环境下正庚烷、环己烷以及航空煤油的完全燃烧热分别为44.6、46.7、42.9 kJ/g，因此，3种可燃物的热释放速率峰值分别为38、45、55 kW。由公式(2)可计算出该条件下正庚烷、环己烷以及航空煤油燃烧的火焰高度为0.80、0.87、0.97 m。

由于热释放速率易受燃烧环境、外界条件的影响，即使同种可燃物在不同状态下燃烧速率也会不同，因此，火焰高度将会受到极大的影响。故本文使用红外相机拍摄可燃物燃烧稳定时的火焰图像，并研究基于红外技术的可燃物燃烧火焰高度，结果如图4所示。

图4 可燃物燃烧火焰红外图像

由于红外图像仅记录可燃物燃烧火焰的像素点，无法直观给出可燃物燃烧火焰高度，因此，利用MATLAB编撰代码将图像信息转换为0或1的二进制形式，以便于提取火焰高度轮廓并计算可燃物燃烧火焰高度。表1为可燃物稳定燃烧时火焰轮廓的矩阵长度。

表1 可燃物火焰高度轮廓矩阵点

由表1可见：正庚烷、环己烷、航空煤油燃烧火焰高度轮廓矩阵面积分别为8 000、9 000、10 200。通过实际长度与火源截面对应的像素数比值求得每个像素占有的长度，进而得到比例关系[20]。火焰中心高度出现高频阈值区域为10 000，所以红外图像拍摄的火焰高度与实际火焰高度的比值为10 000∶1，故根据矩阵面积求出航空煤油、环己烷、正庚烷的火焰高度分别为1.02、0.9、0.8 m。

通过对比可知：基于红外技术的可燃物燃烧火焰高度实验值与理论条件下根据拟合公式计算的可燃物燃烧火焰高度差距不大，表明利用红外技术测量可燃物燃烧火焰高度是可行的，且图像处理技术可直观给出可燃物燃烧形态等火灾信息，利于判断与比较。此外，由于可燃物的热释放速率采用理论状态值，在实测条件下误差较大，而基于红外技术的火焰高度求解手段可有效减小误差，计算可燃物燃烧火焰高度更加准确。

2.3 热流密度

可燃物燃烧释放大量热，热辐射能的积聚将对人体造成伤害，冯瑞等[21]采用瓦楞纸箱作为固体火灾实验材料，通过对燃烧特性参数的实验测定验证了固体火灾燃烧速率的压力表达式，给出了热辐射通量的实验规律。根据热流计测得的最大输出电压，可计算出该实验条件下可燃物燃烧热流密度，即

(3)

式(3)中q是可燃物的热流密度，U是热流传输器的输出电压，Ks是系数，为6.26 μV/(W·m-2)。

由于可燃物燃烧测量的热流输出电压存在不稳定性，因此，使用软件将实验数据进行平滑处理，并采用指令polyfit进行二次拟合，然后根据公式(3)计算出可燃物燃烧热流密度，结果如图5b所示。

图5 可燃物燃烧热流计输出电压(a)和热流密度(b)的变化

由图5b可知：热流计于火源30 cm处测得航空煤油燃烧的热流密度峰值较低，为0.8 kW/m2，而正庚烷与环己烷燃烧的热流密度峰值较为接近，分别为1.1、1.2 kW/m2。

为了准确判断可燃物燃烧时热流计于该点测得的热流密度峰值，因此，由图5a可得:可燃物燃烧热流输出电压拟合数学关系式如下：

fhep(u,t)=-2.815t2-0.842 4t+6.945,

(4)

fcyc(u,t)=-2.916t2-0.566t+7.384,

(5)

favi(u,t)=-1.999t2-0.3508t+5.225,

(6)

式(4)至(6)中u表示热流计输出电压，t表示时间。

由式(4)至(6)计算正庚烷、环己烷、航空煤油的热流传感器稳定最高输出电压，再由式(3)计算得出典型液体可燃物于该点燃烧时产生的最大热流密度，结果见表2。

表2 可燃物燃烧热流最大输出电压、热流密度

由表2可知：距火源30 cm处，环己烷燃烧产生的热流密度峰值最大，达到1.18 kW/m2，表明环己烷在燃烧时间内释放的热射强度更大，辐射能量最多，对周围造成的辐射伤害最强，而正庚烷燃烧产生的热流密度峰值为1.11 kW/m2略微大于航空煤油燃烧所产生的热流密度峰值0.83 kW/m2，说明正庚烷燃烧释放的热量高于航空煤油，对周围的热辐射强度更大。

3 结论

本文利用PIV、红外相机等设备研究典型液体可燃物燃烧烟雾速度以及燃烧火焰高度等火灾参数，得出以下结论：

(1)航空煤油燃烧产生烟雾的速度最大，且其燃烧烟雾速度集中分布于0.007～3.078 m/s范围内，环己烷燃烧产生烟雾的速度峰值略高于正庚烷且可达到7.313 m/s，而正庚烷燃烧产生烟雾的速度峰值为6.416 m/s。

(2)根据可燃物燃烧火焰红外图像求得航空煤油燃烧的火焰高度最大，为1.02 m；正庚烷燃烧的火焰高度最低，为0.8 m；环己烷燃烧的火焰高度为0.9 m。

(3)距火源30 cm处，环己烷燃烧产生的热流达到1.18 kW/m2略大于正庚烷燃烧产生的热流1.11/kW.m2，但两者远大于航空煤油燃烧所产生的热流密度0.83 kW/m2。

(4)对典型液体可燃物的燃烧特性进行分析可判断可燃材料的火灾性质，为民用飞机火灾探测机理提供理论支撑。