“L”形油池火旋风仿真和中尺度试验研究

荣 里，张光辉，梁 勇，田万平

(海军工程大学 舰船综合试验训练基地，湖北 武汉 430033)

火旋风是一种特殊的火行为，常发生于森林、城市、船舶甲板等开放空间，火旋风由燃烧产生的火羽流与周围环境涡量场的相互作用诱发形成[1]。不少科研人员已经开展火旋风形成条件与机制的研究，并取得了丰硕的研究成果[2]。常见的火旋风形成类型有多火灾燃烧诱发、环境诱发和障碍物诱发等。“L”形油池火灾容易在燃油流淌过程中遭遇较低障碍物阻挡的情况下出现，属于多火灾诱发类型中的一种。ZHOU等[3]使用多火焰燃烧诱发火旋风，采用数值模拟、试验观测和简化物理分析的方法研究火旋风旋转速度对火焰高度的影响，以及主火焰与周围火焰的相互作用。研究发现在火焰能够合并的条件下，如果没有环境风，火旋风只能持续2～3 s，发生的时间和位置也是随机的；环境风风速的增加会导致对称性偏差、火旋风发生频率增大，火旋风主要发生在强效应区和中效应区之间的边界区域。该研究燃料盘直径6 cm、深3 cm，燃料盘之间的距离在20～50 cm 之间变动，其结论对于多火灾燃烧诱发火旋风具有重要的理论意义。但该研究属于小尺度研究范畴，而火灾尺度大小是火灾研究的一个重要影响因素，为了判断舰船甲板火灾这种特殊情况下能否出现火旋风现象和发生的基本条件，以及发生后的火灾物理特性等问题，需要从工程角度，采用试验的方法进行研究。因此，笔者采用计算机仿真和中尺度火灾试验两种方法进行研究[4]，分析“L”形油池在普通油池火和火旋风状态下的流体力学特征变化及燃油燃烧物理特性参数上的差别，为有效预防和扑救火旋风提供可靠的理论依据。

1 计算机仿真模拟

1.1 模拟仿真条件

“L”形油池布局如图1所示，可知“L”形油池由两部分组成，横向主油池为8 m×3 m，线性油池为12.0 m×1.2 m，主油池和线油池相邻，且相互独立，油池内充满柴油。油池左侧为风速可在0～15 m/s范围调节的风洞，风口尺寸为23 m×9 m，风口中轴与X轴重合，采用FDS进行场模拟仿真。

(1)网格设置。模拟区域大小为20 m×20 m×20 m，划分为11套非均匀网格。中心油池区域网格最小，网格尺寸为0.1 m×0.1 m×0.1 m，上层网格最大，网格尺寸为0.4 m×0.4 m×0.4 m。网格总数为73万。

(2)燃烧过程和燃料特性参数设置。MLR-PUA：单位面积质量损失率为0.045 kg/(m2·s)；TAU_Q：t2火发展曲线，5 s后达到最大值120 MW，该值在前期大空间火灾实验中进行了测量[5]；DENSITY：密度为850 kg/ m3；HEAT_OF_COMBUSTION：燃烧热为44.8 MJ/kg；NU_SPEC：柴油蒸发效率为0.8。

图1 “L”形油池布局

&MATL ID=′DIESEL LIQUID′

SPEC_ID=′DIESEL′

EMISSIVITY=1

NU_SPEC=0.80

HEAT_OF_REACTION=600

HEAT_OF_COMBUSTION=44 800

CONDUCTIVITY=0.137

SPECIFIC_HEAT=1.967

DENSITY=850

BOILING_TEMPERATURE =180 /

&SURF ID =′DIESEL_POOL′

FYI=′DIESEL IN A 2 m×2 m CONTAINER WITH DEPTH 0.2 m′

MLRPUA=0.07

TAU_Q=-5

COLOR=′RED′

MATL_ID=′DIESEL LIQUID′

THICKNESS=0.2

BURN_AWAY=.TRUE

TMP_INNER=18 /

(3)燃烧环境参数设置。①/DIESEL_POOL_1 & OBST XB=-4.5,7.5,2.8,4.0,0.0,0.02,SURF_IDS=′DIESEL_POOL′,′STEEL SHEET′,′STEEL SHEET′ /②/DIESEL_POOL_2 & OBST XB=-7.5,-4.506,-4.0,4.0,0.0,0.02, SURF_IDS=′DIESEL_POOL′,′STEEL SHEET′,′STEEL SHEET′ / &SURF ID=′SUPPLY′,COLOR=′BLUE′,VEL=-3.0/

1.2 模拟仿真结果

风速为2 m/s时FDS模拟燃烧过程如图2所示，可以看出燃料被点燃后，主油池产生的火焰根部近似水平，火羽流部分在外界风的作用下大幅度向下游倾斜，并与略微向中间倾斜的线性油池火相互作用，线性油池中心附近形成火旋风。高度为3 m的水平面上的流场信息如图3所示，可以看出主油池的下游形成了涡旋结构，此时火焰不断从四周卷吸空气，且具有很高的空气卷吸速率，形成旋转的空气涡流，涡旋结构气体的整体速度约为10.5 m/s，火旋风的高度约为8 m。

图2 U=2 m/s时FDS模拟燃烧过程

图3 U=2 m/s时在Z=3 m处的流场切面图

火焰燃烧过程中，由于热辐射、热传导等因素使油池温度升高，油池燃料加快汽化，加速燃烧反应从而使油池火燃烧强度变大。热释放速率随时间的变化曲线如图4所示，可以看出在燃烧过程初期，油池火的热释放速率随着时间增加而快速增大，约10 s之后形成火旋风，热释放速率趋于稳定，由拟合结果可知，稳定阶段热释放速率在119 985 kW附近波动，且从模拟流场切面图可以看出，此时已经形成了火旋风，故可说明火旋风是一种稳定的燃烧现象[6-9]。

图4 U=2 m/s时的热释放速率随时间变化曲线

在油池中心高度2 m和9 m处分别布置温度传感器，监测此高度水平上温度随时间的变化曲线，如图5所示。由图5可知，在油池中心高度2 m处，由于火焰的湍流脉动和外界风的作用，燃料被点燃5 s后，气体温度在1 100 °C以下波动，而在高度9 m处，前5 s内温度较低，5～45 s内气体温度在650 °C以下波动，随后气体温度不再发生变化。

图5 U= 2 m/s时油池中心高度方向的温度随时间变化曲线

将主油池上游端和线性油池下游端高度为1 m处的两个测点分别视为油池的上下边界，监测油池边界辐射热流随时间的变化曲线，如图6所示。从图6可以看出，油池边界辐射热流随时间表现出一致的变化趋势，燃料点燃后的5 s内，辐射热流迅速增加，在油池火达到稳定阶段后，边界辐射热流以振荡的形式缓慢增加，最终达到稳定，两点处的辐射热流约为25 kW/ m2。

图6 U=2 m/s时油池边界辐射热流随时间变化曲线

2 中尺度试验工况设计

2.1 测量设备布置

主油池内注油时长约为3.5 min，线性油池内注油时长约为2.7 min，主油池注油1 003.88L，线性油池注油728.99 L，两个油池共使用了1 732.87 L柴油。在“L”形油池外侧0.5 m处设置5个非水冷热流计，测量油池竖直方向上的热流分布，非水冷热流计将采集的数据传输到试验存储器。在地面高度上，油池中心的轴向上分别布置4台DV摄像机D1～ D4，距油池中心的距离分别为35 m、31 m、40 m和33 m。在油池北侧距油池中心35 m处布置一台红外热像仪T1。试验采用超声波风速仪、热线风速仪分别测量环境风场和试验场的风场数据，在垂直于风洞方向，距离风洞边缘15 m、距离地面高5 m的位置进行环境风的测量，环境风速为超声波风速仪采集的风速的平均值。

2.2 试验观察结果

试验点火后，在风机转速较低时，油池火维持普通油池火状态，当火旋风在前期形成后，火旋风主要位于主油池西侧，并向主油池和线性油池的相邻处倾斜，形成明显的螺旋结构火旋风，如图7所示。当转速继续增大时，火旋风逐渐转移到线性油池南侧，此时形成的火旋风相对于前期形成的火旋风偏小，油池火燃烧临近结束后，转变为普通的低矮的油池火，并发生扬沸现象，油池火可以短暂地转变为小型火旋风[10]。

在试验过程中，根据风机转速的变化情况将试验过程划分为对应不同风机转速的8段区域，记录每个区域的油池火特性，不同转速下火焰形态如表1所示。

图7 火旋风现象形成

表1 不同转速下的火焰形态

3 试验数据分析

3.1 质量损失速率

试验中使用电子天平来测量油池的质量，得到油池质量随时间变化曲线即可估算油池的质量损失速率和热释放速率，进而判断油池火燃烧可能造成的危害[11]，“L”形油池质量随时间变化曲线如图8所示，其中零点表示点燃油池时刻，纵向点横线代表风机转速改变时刻，图上方的数字代表8种风机转速下的试验状态。

图8 质量损失速率随时间变化曲线

不同转速下油池的质量损失速率如表2所示，可以看出在试验开始后，在0～1区间(转速为0.5 r/min)时，随着风速加快，燃烧加剧，主油池西侧开始间歇性火旋风状态，油池的质量损失速率基本保持稳定，其标准差在2.69～9.86 g/(m2·s)范围内；在4～5区间，质量损失速率的标准差不超过2 g/(m2·s)；在6～7区间，油池产生扬沸现象，扬沸现象的出现大大增加了油池的质量损失速率，试验末期油池的质量损失速率在不断降低的过程中出现两次较大的回升，回升时的质量损失速率接近柴油在无风条件下的极限燃烧速率。

3.2 火焰高度

根据ZUKOSKI通过间歇率概念提出的平均火焰高度的定义[12]，间歇率为0.5时对应的火焰高度hf为平均火焰高度，间歇率为0.95时对应的火焰高度hfmax为最大火焰高度，间歇率为0.05时对应的火焰高度hfmin为最小火焰高度。试验过程中火焰高度变化如图9所示，测量的最高高度为10 m。

普通油池火阶段(区间0)：试验开始0～42 s内，整个油池被引燃开始燃烧，火焰高度数值波动较小，火焰高度随时间稳步增加。该阶段油池火最大火焰高度、最小火焰高度、平均火焰高度依次为6.56 m、2.67 m、4.11 m。

表2 不同转速下油池的质量损失速率

图9 火焰高度随时间变化曲线

间歇性火旋风阶段(区间1～2)：试验开始42～225 s内，最大火焰高度、最小火焰高度、平均火焰高度3个数值波动较大，其中平均火焰高度快速超过普通油池火阶段。发生此现象的原因为油池火开始进入间歇性火旋风阶段，火旋风被油池火不充分燃烧产生的浓烟覆盖。本阶段油池火最大火焰高度、最小火焰高度、平均火焰高度依次为10 m、5.36 m、8.2 m。

稳定火旋风阶段(区间3～5)：试验开始225～632 s内，在出现火旋风尤其是稳定火旋风时，火焰高度迅速增大以致超出了DV的测量范围。在该阶段前期，火旋风规模较大；而在后期受限于线性油池宽度与可燃物浓度，形成的火旋风规模较小。该阶段三区间的最小火焰高度依次为5.53 m、4.31 m、3.99 m；平均火焰高度依次为9.69 m、7.37 m、7.15 m。即便是三区间中最低的最小火焰高度，也仍然高于普通油池火阶段相应的火焰高度。利用已有数据可以计算得到该阶段油池火最大火焰高度、最小火焰高度、平均火焰高度依次为10.00 m、4.46 m、8.57 m。

扬沸阶段(区间6)：试验开始632～989 s内，本阶段产生的火旋风规模不大，主要燃烧方式为普通油池火，但由于油池发生扬沸现象，火焰高度仍高于普通油池火阶段，最大火焰高度可达8.55 m、最小火焰高度为2.96 m、平均火焰高度为3.83 m。

3.3 火焰温度

通过红外热像仪采集油池火试验过程中火旋风形成后的红外图像，得到火旋风发生过程中火焰燃烧区域最高温度，通过提取DV拍摄数据绘制火旋风火焰面温度随时间变化曲线，如图10所示。

图10 火羽流最高温度随时间变化曲线

普通油池火阶段(区间0)：在油池火点火开始燃烧53 s后，整个油池开始全部燃烧，火焰面温度迅速升温接近1 400 K，此阶段火焰面最高温度为1 523.18 K，平均温度为1 419.82 K。

间歇性火旋风阶段(区间1～2)：油池火开始71～328 s阶段内，油池火进入间歇性火旋风阶段，火焰面温度处于总体上升、区域内较稳定的状态，本阶段火焰面温度比普通油池火温度高，达到1 400 K以上，火焰面最高温度为1 671.92 K，平均温度为1 469.37 K。

局部火旋风阶段(区间3～5)：油池火开始328～634 s阶段内，由于对流影响，燃烧区域散热加快，导致火焰面温度呈下降趋势，此阶段火焰面最高温度为1 652.22 K，平均温度为1 145.64 K。

扬沸阶段(区间6)：油池火开始634～872 s阶段内，火焰面温度从634 s状态持续下降，低于普通油池火阶段。本阶段后期油池火发生短期扬沸现象，此阶段火焰面最高温度为1 532.32 K，平均温度为1 133.47 K。

3.4 热辐射

通过分析油池火辐射热通量数据可知燃烧的剧烈程度，辐射热通量大小与油池燃烧剧烈程度成正比。本试验通过水冷热流计测量油池火水平方向辐射热通量，通过非水冷热流计测量油池火竖直方向的辐射热通量，并通过提取DV摄像数据资料，绘制油池火辐射热通量变化曲线，结果如图11所示。

图11 辐射热通量随时间变化曲线

普通油池火阶段(区间0)：试验开始后42 s时间内，非水冷热流计测得油池火竖直方向上的辐射热通量数值波动相对较小，从零开始逐渐上升到513.64 W/ m2，平均值为166.74 W/ m2；油池火水平方向上的辐射热通量由水冷热流计测得，数值几乎没有变化，从零开始缓慢上升到53.74 W/ m2，平均值为25.97 W/ m2。

间歇性火旋风阶段(区间1～2)：试验开始180 s后，“L”形油池开始全部燃烧，油池火以普通油池火为主，间歇性出现火旋风。竖直方向辐射热通量增加较快但相对稳定，最大值为13 167.99 W/m2，平均值为7 591.00 W/m2；水平方向辐射热通量增加较慢但数值波动较大，最大值为1 968.45 W/m2，平均值为835.39 W/m2，180 s后两个方向上辐射热通量均趋于稳定。

局部火旋风阶段(区间4～5)：试验开始225 s后，油池火发展为稳定的火旋风。竖直方向辐射热通量比较稳定且波动不大，辐射热通量最大值为14 525.70 W/m2，平均值为13 161.11 W/m2；水平方向辐射热通量波动相对较大，辐射热通量比普通油池火阶段显著增加，辐射热通量最大值为2 620.58 W/m2，平均值为1 310.51 W/m2。

扬沸阶段(区间6～7)：试验开始后700 s左右，主油池首先发生扬沸现象，使油池火在水平方向和竖直方向的辐射热通量出现上升趋势；840 s左右，线性油池产生了扬沸现象，水平方向和竖直方向的辐射热通量出现第二次回升，竖直方向辐射热通量最大值为14 970.58 W/m2，平均值为8 602.64 W/m2，水平方向辐射热通量最大值为1 919.48 W/m2，平均值为762.32 W/m2。

4 结论

(1)计算机模拟仿真和中尺度试验表明，“L”形油池可以出现火旋风现象，诱发条件是风速大小在2～4 m/s之间。热释放速率的大小和变化规律是影响计算机仿真和中尺度火灾试验数据差异的主要因素。

(2)中尺度火灾试验表明，在特定环境风作用下，普通油池火可以转变形成火旋风，火旋风从形成到结束可分为普通油池火阶段、间歇性火旋风阶段、局部火旋风阶段和扬沸油池火阶段4个阶段。

(3)“L”形油池火旋风形成后，火旋风主要出现在主油池西侧和线性油池南侧。火旋风的产生加强了热对流与热辐射作用，一方面加快了燃料的燃烧速率，另一方面加快了火焰与油池之间的热交换，从而导致油池质量损失速率远大于普通油池火在无风条件下的最大值。

(4)间歇性火旋风阶段、稳定火旋风阶段和扬沸油池火阶段的最大火焰高度分别为普通油池火最大火焰高度的1.52倍、1.52倍和1.30倍，平均火焰高度分别为普通油池火的2.01倍、1.52倍和1.30倍。间歇性火旋风阶段、稳定火旋风阶段的最大火焰面温度分别为普通油池火的1.10和1.14倍，平均火焰面温度分别为普通油池火的1.19和1.18倍。竖直和水平方向上的平均辐射热通量是普通油池火的1.57倍和1.73倍。

(5)“L”形油池稳定火旋风与同尺度方形油池火旋风相比，平均火焰高度是方形油池火旋风的1.35倍，最大火焰面温度基本相当，竖直和水平方向热辐射通量偏小。

(6)采用计算机模拟方法只能粗略判断火旋风出现的风速大小范围，不能准确地计算出火旋风的热特性参数，仿真结果与试验存在较大差距，相关数据还需根据火灾尺度的大小开展试验研究。