王靜舞，方?俊，劉?穎，鄭素梅，張永明，孫金華

插入鋁板對(duì)小尺寸油罐火燃燒行為的模擬分析

王靜舞1, 2，方?俊1，劉?穎1，鄭素梅1，張永明1，孫金華1

(1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230027；2. 清華大學(xué)合肥公共安全研究院，合肥 230601)

利用FDS軟件對(duì)正庚烷油罐火在插入不同高度鋁板情況下的燃燒行為進(jìn)行研究．發(fā)現(xiàn)火焰高度隨鋁板高度先增后減；通過核態(tài)沸騰對(duì)流傳熱公式對(duì)FDS燃燒速率結(jié)果進(jìn)行修正，修正后的插板燃燒速率大于無插板時(shí)．在無量綱鋁板高度為2.5～3.0時(shí)插板對(duì)燃燒的增強(qiáng)作用最大，這一非單調(diào)變化主要是兩個(gè)效應(yīng)博弈的結(jié)果：一是鋁板通過熱傳導(dǎo)將火焰熱量反饋給燃料，二是鋁板吸收火焰熱量后對(duì)外的輻射和對(duì)流散熱．

正庚烷；油罐火；對(duì)流熱反饋；置入物；數(shù)值模擬

2018年1月6日巴拿馬籍“Sanchi”號(hào)油船與中國香港散貨船相撞發(fā)生火災(zāi)，在持續(xù)燃燒整整8天8夜之后，“Sanchi”號(hào)沉沒于我國東海，而船舶溢出的油也依然在船只沉沒后繼續(xù)在附近海域燃燒．對(duì)于海上油泄漏導(dǎo)致的火災(zāi)，一個(gè)最基礎(chǔ)的難題就是如何快速清理殘油，這一問題可以追溯到1989年“埃克森·瓦爾迪茲”號(hào)油輪漏油事故．對(duì)于油類泄漏事故的處理一般采用原位燃燒或者任其燃盡的方法，這類方法可以清理90%的油量[1]．但這種方法仍然剩余了極其大量的未處理油，且導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染；這主要是因?yàn)榇罅康幕鹧婺芰客ㄟ^浮力對(duì)流和輻射散失到環(huán)境中，只有有限的一部分反饋到燃料表面用于燃料的蒸發(fā)和燃燒[2]．為了提高海上泄漏流淌燃油的原位燃燒清除效率，亟需進(jìn)行減小火焰熱損失進(jìn)而提高燃燒速率的研究．

對(duì)于液體油池(罐)火的研究主要集中在沒有置入物情況下的燃燒，如早期Blinov和Khudiakov[3]對(duì)不同尺度池火進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，de Ris[4]發(fā)現(xiàn)油池邊緣造成的空氣卷吸帶來的燃料表面的對(duì)流熱傳輸對(duì)池火燃燒速率有重要影響；近期，涂然等[5-7]研究了低壓條件下不同熱反饋機(jī)制對(duì)燃燒速率的影響，Ditch?等[8]對(duì)池火燃燒速率、輻射熱反饋等實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，并給出了實(shí)驗(yàn)擬合結(jié)果，Hu等[9]研究了橫向風(fēng)條件下火焰拖曳行為．

對(duì)于存在置入物情況下的池火燃燒，2015年，Rangwala等[10]研究了在液體油池中插入易導(dǎo)熱物體(細(xì)鋁棒)對(duì)池火燃燒速率的影響，發(fā)現(xiàn)在這種情況下，提高燃燒速率的最主要原因是，由核態(tài)沸騰導(dǎo)致的熱反饋增大，繼而增大了燃料蒸發(fā)速率．2017年，在Rangwala等[10]研究工作的基礎(chǔ)上，Sezer等[11]通過建立數(shù)值模型進(jìn)一步分析了熱的良導(dǎo)體對(duì)己烷池火燃燒行為的影響，分別建立了火焰-鋁棒的一維熱傳輸模型和鋁棒-液體燃料的二維熱傳輸模型，進(jìn)而得到了鋁棒和燃料的溫度場(chǎng)分布．

本文對(duì)不同插入鋁板高度下正庚烷油罐火進(jìn)行模擬研究，分析鋁板自身的傳熱過程對(duì)正庚烷燃料的熱反饋?zhàn)饔?，及這一反饋?zhàn)饔脤?duì)油罐火燃燒行為的影響，為提高原位燃燒效率及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)依據(jù)．

1?數(shù)值模擬

1.1?工況設(shè)計(jì)

油罐池火實(shí)驗(yàn)采用FDS(fire dynamic simulation)軟件模擬，計(jì)算采用大渦模擬(LES)方法處理．實(shí)驗(yàn)裝置示意如圖1所示．燃料采用正庚烷，油層厚40mm．模擬中使用一個(gè)1000℃的高溫?zé)嵩催M(jìn)行點(diǎn)火，點(diǎn)火源在模擬開始5s后移走．模擬時(shí)長(zhǎng)300s．

油罐材質(zhì)為不銹鋼，直徑10cm(內(nèi)徑)，深5cm，罐壁厚10mm．由于罐壁對(duì)未燃燃料的熱反饋受環(huán)境條件及燃燒狀態(tài)影響較大，實(shí)驗(yàn)中常常在油罐外側(cè)與底部設(shè)置水冷夾層以屏蔽罐壁的熱反饋?zhàn)饔?，因此在模擬中將罐壁溫度設(shè)置為保持環(huán)境溫度．

由于鋁具有較高的熱導(dǎo)率，插板材質(zhì)為鋁；鋁板寬80mm、厚10mm，分別高15cm、20cm、25cm、30cm、35cm和40cm，位于油罐正中；鋁板與油罐壁之間存在10mm的空隙，以確保鋁板側(cè)面與油罐壁之間無直接換熱．沿著鋁板中央布置測(cè)溫點(diǎn)(TP1～TP7/12)用于測(cè)量板的溫度分布，其中油面以下測(cè)溫點(diǎn)TP1～TP4的布置間距為10mm；油面以上，從距油面10mm處開始每隔50mm布置一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)(TP5～TP7/12)；圖2中的測(cè)溫點(diǎn)布置是基于15cm鋁板，在更高鋁板工況下，則依次每隔50mm繼續(xù)布置測(cè)溫點(diǎn)(TP8～TP12)．在油面附近布置3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)(TF1～TF3)用于測(cè)量燃料溫度．

圖1?實(shí)驗(yàn)裝置示意(單位：mm)

在文獻(xiàn)[11]中，使用熱電偶測(cè)量油面上下鋁棒的溫度，認(rèn)為當(dāng)兩者存在溫差時(shí)即發(fā)生了熱傳導(dǎo)；得益于FDS軟件的優(yōu)勢(shì)，本文直接在鋁板與液面交界面高度處，設(shè)置一個(gè)熱流測(cè)量面，測(cè)量鋁板上部(油面以上)向下部(油面以上，浸沒于正庚烷)的傳導(dǎo)熱量.

模擬中使用的正庚烷和鋁板的相關(guān)參數(shù)如表1所示．

表1?模擬采用的正庚烷及鋁板相關(guān)參數(shù)

Tab.1?Related parameters of n-heptane and aluminum plate adopted in simulations

1.2?網(wǎng)格劃分及其獨(dú)立性分析

FDS用戶手冊(cè)[13]給出了用于模擬浮力羽流時(shí)的無量綱表達(dá)式*/，其中特征火源尺寸由式(1)計(jì)算：

現(xiàn)有研究表明，直徑10cm正庚烷池火火焰高度通常在30cm左右[5, 17]，本文模擬區(qū)域設(shè)置為0.3m×0.3m×0.7m．為重點(diǎn)模擬火焰對(duì)燃料表面、浸沒鋁板對(duì)周圍燃料的熱反饋?zhàn)饔?，將油池及鋁板部分的網(wǎng)格進(jìn)行加密，加密后網(wǎng)格特征尺寸為0.005m．

2?結(jié)果與分析

2.1?火焰高度

在油罐火燃燒達(dá)到穩(wěn)定階段后，不同工況下的無量綱火焰高度如圖2所示，在讀取火焰高度數(shù)據(jù)時(shí)，認(rèn)為熱釋放速率不低于200kW/m3的區(qū)域?yàn)榛鹧鎱^(qū)域，其余則為環(huán)境區(qū)域．f是火焰高度，p是鋁板高度，是油池內(nèi)徑．

圖2?無量綱火焰高度與無量綱插板高度的關(guān)系

模擬結(jié)果顯示，在所有插板工況下，火焰全部高于插板高度，且隨著插板高度的增大，火焰高度呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)．這一非單調(diào)變化表明，插板對(duì)火焰的增強(qiáng)作用是由兩個(gè)效應(yīng)相互博弈造成的：一是鋁板將火焰的熱量通過板自身的傳導(dǎo)作用傳遞給未燃燃料，二是鋁板吸收火焰的熱量后鋁板自身對(duì)外的輻射和對(duì)流散熱．基于火焰高度數(shù)據(jù)，最佳插板高度為p/=3時(shí)燃燒增強(qiáng)效益最顯著．

2.2?鋁板溫度與傳導(dǎo)熱流密度

在燃燒穩(wěn)定階段，鋁板不同高度處的溫度如圖3所示．在油面以下，隨著測(cè)溫點(diǎn)布置高度的增大，溫度逐漸升高；并且不同p/的數(shù)據(jù)表明，隨著p/的升高(即鋁板高度的增大)，TP1～TP4測(cè)得的鋁板溫度呈現(xiàn)出先略微增大后慢慢降低的趨勢(shì)，溫度最高值出現(xiàn)在p/=2.5～3工況．這一現(xiàn)象印證了插板具有熱反饋效應(yīng)和散熱效應(yīng)的解釋．

圖3?不同高度處鋁板溫度

對(duì)于油面以上的鋁板，其溫度隨著測(cè)溫點(diǎn)高度先增后減，不同p/工況之間差異不大．分析鋁板最高點(diǎn)火焰溫度可以發(fā)現(xiàn)，火焰溫度隨著p/增大而降低，一方面是因?yàn)殇X板與火焰的相對(duì)位置(圖2)，隨著p/的增大鋁板所處的位置越來越高，根據(jù)池火火焰軸向溫度的變化趨勢(shì)，鋁板最高點(diǎn)的溫度必然降低；另一方面，鋁板越高，受到的火焰加熱作用減弱，自身的熱損失效應(yīng)也會(huì)變得明顯，使得最高點(diǎn)溫度有所降低．

圖4是油面以上鋁板向油面以下鋁板的傳導(dǎo)熱流密度．與火焰高度結(jié)果類似，熱流密度呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，在p/＝3時(shí)達(dá)到最大，但p/＝2.5工況與其相差甚少．鋁板從上部向下部的熱傳導(dǎo)作用也側(cè)面驗(yàn)證了Flame RefluxerTM中關(guān)于輻射和對(duì)流熱對(duì)燃燒熱反饋并形成熱反饋回路的理論[10]．

圖4?鋁板上部向下部的傳導(dǎo)熱流密度

2.3?燃燒速率

繼而求得由鋁板的對(duì)流熱反饋增加的燃料質(zhì)量損失速率：

圖5給出了不同插板高度下，油罐火FDS模擬的質(zhì)量損失速率、根據(jù)公式(2)～(4)計(jì)算得到的對(duì)流熱反饋造成的質(zhì)量損失速率以及進(jìn)行對(duì)流熱反饋修正后的質(zhì)量損失速率(即FDS模擬結(jié)果與對(duì)流熱反饋計(jì)算結(jié)果之和)．與火焰高度結(jié)果類似，質(zhì)量損失速率呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)，說明存在某一臨界插板高度，這一高度的插板可以通過對(duì)流熱反饋?zhàn)饔?，使油罐火的燃燒速率得到顯著提升．

圖5?單位面積質(zhì)量損失速率與無量綱插板高度的關(guān)系

FDS模擬結(jié)果表明，最佳插板高度為30cm，即p/=3；而對(duì)流熱反饋結(jié)果則表明最佳高度應(yīng)為25cm，即p/=2.5．

此外，在插板情況下，鋁板將火焰中的熱量通過板自身的熱傳導(dǎo)傳遞到浸沒于燃料內(nèi)的鋁板下部，進(jìn)而通過核態(tài)沸騰下的對(duì)流熱傳導(dǎo)反饋給火焰．分析FDS模擬與對(duì)流計(jì)算結(jié)果的比值可以發(fā)現(xiàn)：相比與無板情況，這種熱反饋形式使火焰對(duì)未燃燃料的熱反饋增大了2～9倍，即插板帶來的對(duì)流熱反饋增加效應(yīng)可以顯著提高油罐火的燃燒速率．

3?結(jié)?論

(1) 在本文研究范圍內(nèi)，插板對(duì)池火燃燒有促進(jìn)作用，且在p/=2.5～3.0時(shí)促進(jìn)燃燒作用達(dá)到最大.

(2) 隨著插板高度的增大，火焰高度先增后減，在p/=3.0時(shí)火焰達(dá)到最大值；油面以下鋁板溫度隨著測(cè)溫點(diǎn)位置的升高而升高，并且在p/=2.5～3.0時(shí)最高；油面以上鋁板溫度先增后減，且鋁板頂點(diǎn)溫度隨鋁板高度增大而降低．

(3) 通過核態(tài)沸騰對(duì)流傳熱公式對(duì)FDS的燃燒速率計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，修正后的插板燃燒速率遠(yuǎn)大于無插板時(shí)，且在p/=2.5～3.0時(shí)燃燒速率達(dá)到最大值．

(4) 鋁板對(duì)燃燒行為的影響主要是兩個(gè)效應(yīng)博弈的結(jié)果：一是鋁板通過自身的熱傳導(dǎo)將火焰熱量反饋給燃料，二是鋁板吸收火焰熱量后對(duì)外的輻射和對(duì)流散熱作用．這兩個(gè)相反的作用使得燃燒行為出現(xiàn)了非單調(diào)的變化．

［1］ Zhou Xiangyu，Wang Feifei，Ji Yali，et al. Fabrication of hydrophilic and hydrophobic sites on polypropylene nonwoven for oil spill cleanup：Two dilemmas affecting oil sorption[J].，2016，50(7)：3860-3865.

［2］ Koseki Hiroshi，Hayasaka Hiroshi. Estimation of thermal balance in heptane pool gire[J].，1989，7(4)：237-250.

［3］ Hottel H C. Review：Certain laws governing the diffusive burning of liquids[J].，1959，1：41-43.

［4］ de Ris John L. Fire radiation：A review[J].()，1979，17(1)：1003-1016.

［5］ 涂?然. 高原低壓低氧對(duì)池火燃燒與火焰圖像特征的影響機(jī)制[D]. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2012.

Tu Ran. Effects of Low Air Pressure in High Altitude Area on Pool Fire Burning Behavior and Flame Image Characteristics[D]. Hefei：State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，2012(in Chinese).

［6］ 涂?然，雷?佼，王?彥，等. 利用壓力相似預(yù)測(cè)高原低壓環(huán)境小尺寸池火燃燒速率的變化特性[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2010，16(5)：467-471.

Tu Ran，Lei Jiao，Wang Yan，et al. Small scale pool fire burning rate under reduced atmospheric pressure using pressure modeling[J].，2010，16(5)：467-471(in Chinese).

［7］ Tu Ran，F(xiàn)ang Jun，Zhang Yongming，et al. Effects of low air pressure on radiation-controlled rectangular ethanol and n-heptane pool fires[J].，2013，34(2)：2591-2598.

［8］ Ditch Benjamin D，de Ris John L，Blanchat Thomas K，et al. Pool fires—An empirical correlation[J].，2013，160(12)：2964-2974.

［9］ Hu Longhua，Zhang Xiaolei，Delichatsios Michael A，et al. Pool fire flame base drag behavior with cross flow in a sub-atmospheric pressure[J].，2017，36(2)：3105-3112.

［10］ Rangwala Ali S，Arsava Kemal S，Mahnken Glenn，et al. A Novel Experimental Approach to Enhance Burning of Oil-Water Emulsions by Immersed Objects[R]. Worcester：Worcester Polytechnic Institute，2015.

［11］ Sezer Hayri，Arsava Kemal S，Kozhumal Shijin P，et al. The effect of embedded objects on pool fire burning behavior[J].，2017，108：537-548.

［12］ Bergman Theodore L，Incropera Frank P，Dewitt David P，et al.[M]. USA：John Wiley & Sons，2011.

［13］ Mcgrattan Kevin，Hostikka Simo，Mcdermott Randall，et al.(6. 4. 0)，[M]. USA：National Institute of Standards and Technology，2016.

［14］ Fang Jun，Tu Ran，Guan Jinfu，et al. Influence of low air pressure on combustion characteristics and flame pulsation frequency of pool fires[J].，2011，90(8)：2760-2766.

［15］ 張?軍，方?俊，王靜舞，等. 近墻乙醇池火熱反饋對(duì)燃燒速率的影響[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2014，14(5)：85-89.

Zhang Jun，F(xiàn)ang Jun，Wang Jingwu，et al. Effect of heat feedback on the fire-burning rate of ethanol pool fire close to the wall[J].，2014，14(5)：85-89(in Chinese).

［16］ 張鋮鋮，方?俊，林樹寶，等. 多因素下小尺度油罐火燃燒速率的研究[J]. 火災(zāi)科學(xué)，2015，24(1)：52-58.

Zhang Chengcheng，F(xiàn)ang Jun，Lin Shubao，et al. Study on burning rates of small-scale oil tank fires[J].，2015，24(1)：52-58(in Chinese).

［17］ Fang Jun，Wang Jingwu，Tu Ran，et al. Optical thickness of emissivity for pool fire radiation[J].，2018，124(Supplement C)：338-343.

Simulation Analysis of Small-Scale Oil Tank Fire Behavior with Embedded Aluminum Plates

Wang Jingwu1, 2，F(xiàn)ang Jun1，Liu Ying1，Zheng Sumei1，Zhang Yongming1，Sun Jinhua1

(1. State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230027，China；2. Hefei Institute for Public Safety Research，Tsinghua University，Hefei 230601，China)

The combustion behavior of n-heptane tank fire with embedded aluminum plates of different heights was studied using software fire dynamic simulation(FDS)．It was found that the flame height first increased and then decreased with the height of the aluminum plate．The simulated burning rate was corrected by the convection heat transfer formula at nucleate boiling．The corrected burning rate with embedded plates was larger than that without．When the dimensionless aluminum plate height was 2.5—3.0，the enhancement effect of embedded plates on combustion was the maximum．This non-monotonic change was mainly the result of two effects：the first was the heat feedback from the aluminum plates to the fuel through heat conduction，and the second was the radiative and convective heat loss of the aluminum plates to the ambient environment after they had absorbed the flame heat.

n-heptane；oil tank fire；convective heat feedback；embedded object；numerical simulation

X915.5

A

1006-8740(2019)05-0384-05

10.11715/rskxjs.R201902004

2019-02-04．

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51576186；51636008)；安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1908085QE205)；中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2018M632549)．

王靜舞（1989—??），女，博士，助理研究員，wjw1997@ustc.edu.cn.

方?俊，男，博士，副教授，fangjun@ustc.edu.cn.