基于不同燃料下隧道火灾模型试验火源热释放速率研究

李 琦， 朱 乔， 杨 畅， 王发豪， 王 雪

(四川农业大学建筑与城乡规划学院， 四川 成都 611830)

0 引言

随着社会的快速发展，隧道的数量和长度逐年递增，隧道内列车行驶的安全性也越来越受到人们的重视。隧道内列车事故主要分为碰撞、脱轨、火灾3类[1]。隧道内空间狭小，列车上人员众多，发生火灾时旅客随身携带的行李极易助长火灾的发展，且车厢内空间有限，火灾产生的热量大量聚集且不能及时排出，短时间内温度能达到1 000 ℃，不仅会损伤隧道结构，造成隧道顶部掉落和塌陷，而且因隧道的烟井效应，高温烟气会迅速沿列车车厢纵向蔓延，对旅客安全构成极大威胁。因此，开展隧道火灾方面的研究对隧道内的防灾减灾意义重大。其中，火源大小的不同对于模拟各种火灾情况下的火源热释放速率极为重要。燃料的热释放速率即单位时间内消耗的燃料释放出的热能量[2]，是表征火灾发展的重要参数，只有确定了热释放速率的大小及其变化规律，才能进行火灾发展和烟气流动的研究，从而确定隧道内的最高温度及温度变化范围和能见度及能见度变化范围，并以此制定防灾疏散救援策略。

国内外学者对隧道火灾试验中的火源热释放速率进行过大量的试验研究。国内方面，张念[2]以93#汽油为燃料，通过缩尺试验的方式，分别在关角隧道和太原开展了燃烧试验，研究油池面积对火灾燃烧特性的影响，得到油池面积越大，火源热释放速率越大的结论；谭锐[3]利用缩比例的油池进行了隧道内紧急救援站的温度场研究，但油池的热释放速率仅通过理论计算得到，并未进行现场实测；王彦富等[4]在全尺寸试验中利用柴油产烟的特性，以此作为火源，进行隧道中烟气逆流距离的研究；李智胜等[5]、杨晓菡[6]、钟委等[7]、陈长坤等[8]通过全尺寸试验、缩尺试验、数值模拟的方法，分别采用不同的燃料作为火源，通过改变油池面积来控制火源功率。国外方面， Jiang等[9]进行的全尺寸试验中，以柴油作为火源，以2个不同的圆形钢锅作为容器，得到3种不同的火源规模，但隧道内伴随着通风，会影响火源热释放速率的大小；Shota Takeuchi等[10]在2个缩尺试验中，以丙烷气体作为火源，在火灾试验中直接测量丙烷气体的质量流量，以丙烷气体质量流量、丙烷气体较低热值和燃烧效率的乘积确定其热释放速率； Fan等[11]在缩尺试验中，以甲醇为燃料，采用9个不同面积的正方形和矩形油池控制火源的热释放速率，对隧道拱顶温度变化进行了研究； Miho Seike等[12]在缩尺试验中，以乙醇为燃料，通过燃烧失重法确定乙醇的热释放速率，对比模拟与试验的HRR曲线，发现二者高度重合；Tasuku Ishikawa等[13]在缩尺试验中，以丙烷和庚烷为燃料，研究了隧道长度对火源热释放速率的影响，但并未说明油池面积过大时热释放速率的变化规律。

综上，目前国内外学者针对不同燃料油池尺寸及热释放速率间关系的系统研究较少，尤其是关于二者理论关系的建立更为鲜见，并且对于不同燃料之间的燃烧特性和热释放速率的差异关注过少，并不完全明确不同燃料作为火源的不同。因此，本文针对不同燃料下火源油池尺寸与热释放速率的关系进行分析研究。由于火灾试验过程复杂，燃料种类众多且不易获取，燃料挥发速度快，不仅需要设置至少3个油池以便拟合出油池面积和热释放速率对应的曲线，而且热释放速率也难以定量测量，会对最终拟合出的曲线产生较大干扰。所以，本文总结了大量国内外既有火灾试验不同燃料的火源热释放速率参数，以此拟合出不同燃料火源油池尺寸和热释放速率的关系，并采用90#汽油进行试验验证。

1 国内外既有隧道火灾模型试验

本文针对国内外33起隧道火灾模型试验火源类型进行研究分析，其中国内试验16项，国外试验17项，如表1和表2所示。

由表1和表2可知：

1)国内隧道火灾模型试验的火源中化石燃料约占56%，醇类燃料约占31%；国外隧道火灾模型试验的火源中烷烃和化石燃料各占29%，约35%的火源为汽车、木材、橡胶等真实燃料。

2)国内隧道火灾模型试验中全尺寸试验数占近30%，国外隧道火灾模型试验中全尺寸试验数占近60%。

2 隧道火灾试验火源热释放速率研究

隧道火灾模型试验中火源燃料主要为醇类、烷烃及化石燃料，常用作火源的醇类包括甲醇、酒精，烷烃包括正庚烷，化石燃料包括90#汽油、0#柴油、液化石油气等。火源的热释放速率与火源燃料类型和油池尺寸大小有密切关系。前人的研究中，有的学者为方便试验，将大尺寸火灾试验的油池折算为方便试验的小尺寸油池；有的学者为了减小误差，以便更大程度地模拟火灾发生时造成的影响，直接使用大尺寸油池。本文通过对前人所做火灾试验的大量调研，搜集了火灾试验中不同火源燃料、不同油池面积下的实测火源热释放速率，以及液化石油气供气速度对应的热释放速率，如表3和表4所示。

表3 不同燃料和油池面积下的火源热释放速率

表4 液化石油气供气速度对应的热释放速率

(1)

(2)

整理得：

(3)

(4)

式(1)—(4)中：f(x)为拟合的回归曲线；a、b为拟合曲线的一次项系数与常数；xi、yi(i=1,2,…，n)为数据点的横、纵坐标；M为差方和。

误差公式也使用最小二乘法求得，拟合曲线获得的函数值与实际值的差值作为纵坐标值，求得误差公式。

2.1 甲醇

甲醇含氧量高、辛烷值高、清洁性好、燃烧速率快，并且可与汽油任意比例融合，在汽柴油中掺加甲醇可以提高燃烧效率[39]，是一种良好的燃料。甲醇的油池面积与热释放速率的关系如图1所示。

图1 甲醇的油池面积与热释放速率的关系

由图1可知： 随着甲醇油池面积的增大，火源热释放速率越大，二者基本呈线性关系，拟合得到二者关系表达式为

Q甲= 405.23A甲。

(5)

误差公式为

W甲=8×106A甲6-7×106A甲5+2×106A甲4-331 875A甲3+20 956A甲2-432.26A甲+3.733 1。

(6)

式(5)—(6)中：Q甲为甲醇热释放速率，kW；A甲为甲醇油池面积，m2；W甲为甲醇热释放速率拟合值与实际值的误差。

2.2 99%酒精

酒精(乙醇)作为燃料，易点燃，火焰温度稳定，燃烧效率高，无污染，酒精浓度越高，燃烧时温度越高，火焰高度越大，热释放速率越大，可与汽油任意比例互溶，应用广泛，在日常生活中常被用作燃料[40]。酒精(乙醇)的油池面积与热释放速率的关系如图2所示。

图2 99%酒精的油池面积与热释放速率的关系

由图2可知： 随着99%油精油池面积的增大，火源热释放速率越大，二者基本呈线性关系，拟合得到二者关系表达式为

Q酒= 425.99A酒。

(7)

误差公式为

W酒=3×1012A酒6-3×1011A酒5+1010A酒4-2×108A酒3+2×106A酒2-9 351.3A酒+14.605。

(8)

式(7)—(8)中：Q酒为99%酒精热释放速率，kW；A酒为99%酒精油池面积，m2；W酒为99%酒精热释放速率拟合值与实际值的误差。

2.3 正庚烷

正庚烷的成分稳定，容易获取，且成本合理，燃烧时火焰的形态稳定，池火燃烧获得的热释放速率计算具备理想的对照数据，并且重复性高。正庚烷油池火燃烧时，烟气扩散及收集情形能真实观察掌握得到，通常正庚烷是进行池火热释放速率分析与研究的一种常用燃料[6]。正庚烷的油池面积与热释放速率的关系如图3所示。

图3 正庚烷的油池面积与热释放速率的关系

由图3可知： 随着正庚烷油池面积的增大，火源热释放速率越大，二者基本呈线性关系，拟合得到二者关系表达式为

Q正= 1 649.5A正。

(9)

误差公式为

W正=-23.732A正6+380.44A正5-2 135.1A正4+5 257.9A正3-

5 684.1A正2+2 117.5A正-17.689。

(10)

式(9)—(10)中：Q正为正庚烷热释放速率，kW；A正为正庚烷油池面积，m2；W正为正庚烷热释放速率拟合值与实际值的误差。

2.4 90#汽油

90#汽油高度易燃。90#汽油的油池面积与热释放速率的关系如图4所示。

图4 90#汽油的油池面积与热释放速率的关系

由图4可知： 随着90#汽油油池面积的增大，火源热释放速率越大，二者基本呈线性关系，拟合得到二者关系表达式为

Q90=1 439.2A90。

(11)

误差公式为

W90=172.8A906-862.3A905+1 089.3A904+485.7A903-1 500.7A902+547.1A90+7.11。

(12)

式(11)—(12)中：Q90为90#汽油热释放速率，kW；A90为90#汽油油池面积，m2；W90为90#汽油热释放速率拟合值与实际值的误差。

2.5 0#柴油

0#柴油与95#柴油相比，产热量更高，来源更广泛，但燃烧效率低，容易产生大量颗粒尘，因此，可用于隧道火灾试验中对烟气的研究。与酒精池火相比，柴油池火发展过程中烟气层高度更低，柴油池火烟气层温度和火焰温度均低于酒精，燃烧时会产生大量浓烟，燃烧效率不高[41]。0#柴油的油池面积与热释放速率的关系如图5所示。

图5 0#柴油的油池面积与热释放速率的关系

由图5可知： 随着0#柴油油池面积的增大，火源热释放速率越大，二者基本呈线性关系，拟合得到二者关系表达式为

Q0= 2 079.9A0。

(13)

误差公式为

W0=14.195A06-195.5A05+917.08A04-1 534.3A03-40.171A02+1 633.7A0+1.651 6 。

(14)

式(13)—(14)中：Q0为0#柴油热释放速率，kW；A0为0#柴油油池面积，m2；W0为0#柴油热释放速率拟合值与实际值的误差。

2.6 液化石油气

液化石油气污染少、产热量高、易燃、应用广泛。液化石油气供气速度与热释放速率的关系如图6所示。

图6 液化石油气供气速度与热释放速率的关系

由图6可知： 随着液化石油气供气速度的增大，火源热释放速率呈线性增加，拟合得到二者关系表达式为

Q液= 31.665v液。

(15)

误差公式为

W液=-8.1v液3+52.8v液2-109.7v液+72.8。

(16)

式(15)—(16)中：Q液为液化石油气热释放速率，kW；v液为液化石油气供气速度，m3/h；W液为液化石油气热释放速率拟合值与实际值的误差。

3 不同燃料下火源热释放速率对比

通过上文获得的各燃料油池面积和热释放速率关系的拟合公式，将各类燃料的热释放速率进行对比，如图7所示。

图7 不同燃料油池面积与热释放速率的关系

由图7可知： 1)相同油池面积条件下，0#柴油的热释放速率最大，甲醇的热释效速率最小，热释放速率的大小关系为0#柴油>正庚烷>90#汽油>99%酒精>甲醇。2)随着油池面积的增加，五者之间的差异越来越明显，当油池面积为3 m2时，0#柴油的热释放速率为6 239.7 kW，约为正庚烷的1.26倍、90#汽油的1.45倍、99%酒精的4.88倍、甲醇的5.13倍。

不同燃料缩尺火灾试验常见的火源热释放速率与油池尺寸的对应关系如表5所示。

表5 火源热释放速率与油池尺寸的对应关系

4 火灾试验

4.1 试验原理

油池火热释放速率通常采用燃料质量损失率来计算，通过油池燃烧试验，测得质量损失率，代入式(17)则可计算得到火源热释放速率。

Q′=ηm′hc。

(17)

式中：Q′为火源热释放速率；η为燃烧效率，通常试验中的油池为正方形，取η=0.75；m′为燃料质量损失率，常由电子秤测得；hc为燃料的热值，汽油一般取为44 000 kJ/kg。

4.2 试验设备

本次试验采用90#汽油作为燃料，油池尺寸分别为11.3 cm×11.3 cm、16.0 cm×16.0 cm、21.6 cm×21.6 cm的正方形(见图8)。燃料质量损失率通过测量油池燃料的质量随时间变化计算得到，采用电子秤(量程10 kg，精度0.1 g，见图9)对油池燃料质量变化进行实时测量。

图8 试验油池

图9 试验所用电子秤

本次试验场地无风，温度为12.9 ℃，湿度为51.5%，油池燃烧稳定，燃烧情况如图10所示。整个燃烧过程均采用视频录制。

图10 油池燃烧情况

4.3 试验结果

4.3.1 燃料燃烧速率变化规律

不同油池剩余质量随时间变化曲线如图11所示。

图11 油池剩余质量随时间变化曲线

由图11可知： 1)油池内燃料剩余质量随时间发展基本呈线性减少，油池面积越大，燃料燃烧速率越快，单位时间内质量减少越多； 2)21.6 cm×21.6 cm油池燃烧速率约为16.0 cm×16.0 cm油池的2.4倍、11.3 cm×11.3 cm油池的7.8倍。

4.3.2 质量损失率变化规律

不同油池质量损失率随时间变化曲线如图12所示。

图12 质量损失率随时间变化曲线

由图12可知，油池面积越大，燃料的质量损失率越大。

不同油池尺寸对应的稳定阶段燃料质量损失率及热释放速率如表6所示。

表6 不同油池尺寸对应的稳定阶段燃料质量损失率及热释放速率

4.4 试验验证

依据式(11)和式(12)可计算得到90#汽油燃烧热释放速率理论修正值，对应试验中21.6 cm×21.6 cm、16.0 cm×16.0 cm、11.3 cm×11.3 cm 3个油池尺寸下理论修正热释放速率分别为38.08、17.09、4.74 kW，与试验实测数据较吻合，理论计算公式较为可靠。90#汽油燃烧热释放速率试验实测值与理论拟合曲线及误差修正数值如图13所示。

图13 90#汽油燃烧热释放速率试验实测值与理论拟合曲线及误差修正数值

5 结论与建议

5.1 结论

通过对国内外隧道火灾模型试验所用火源燃料及不同油池面积下不同火源燃料的热释放速率相关数据进行分析研究，并对90#汽油的油池火进行试验验证，最终得出以下结论。

1)国内隧道火灾模型试验的火源中化石燃料约占56%，醇类燃料约占31%；国外隧道火灾模型试验的火源中烷烃和化石燃料各占29%，约35%的火源为汽车、木材、橡胶等真实燃料。

2)国内隧道火灾模型试验中全尺寸试验数占近30%，国外隧道火灾模型试验中全尺寸试验数占近60%。

3)油池面积越大，燃料燃烧速率、质量损失率及热释放速率越大，燃料的油池面积与热释放速率基本呈线性关系，理论修正误差公式基本为6次多项式。

4)相同油池面积条件下，燃料热释放速率由大到小依次为0#柴油、正庚烷、90#汽油、99%酒精、甲醇，油池面积越大，五者之间的差异越明显。当油池面积为3 m2时，0#柴油的热释放速率为6 239.7 kW，约为正庚烷的1.26倍、90#汽油的1.45倍、99%酒精的4.88倍、甲醇的5.13倍。

5.2 建议

1)研究隧道火灾烟气产烟量及烟气浓度等参数时，宜采用柴油等容易产烟的燃料。若在室内进行试验，应配备良好的排烟系统。若研究隧道火灾温度分布规律等，可选用燃烧稳定的醇类和烷烃类燃料，试验亦可以配合发烟物质进行，可观察到热压下烟气的扩散规律。

2)在隧道内采用混合燃料作为火源时，由于醇类燃料可与其他化石燃料以任意比例互溶，因而可采用甲醇和乙醇等易燃的醇类掺配其他燃料配合任意火源热释放速率参数，如甲醇体积占比85%的M85甲醇汽油、甲醇体积占比15%的MH15甲醇柴油、乙醇占比10%的E10乙醇汽油、E10乙醇柴油。

3)因在无风条件下火焰形态更好，火源能稳定燃烧，热释放速率也更好测量，所以，火源热释放速率的测定宜在无风条件下进行。