榮 里，張光輝，梁 勇，田萬平

(海軍工程大學 艦船綜合試驗訓練基地，湖北 武漢 430033)

火旋風是一種特殊的火行為，常發(fā)生于森林、城市、船舶甲板等開放空間，火旋風由燃燒產(chǎn)生的火羽流與周圍環(huán)境渦量場的相互作用誘發(fā)形成[1]。不少科研人員已經(jīng)開展火旋風形成條件與機制的研究，并取得了豐碩的研究成果[2]。常見的火旋風形成類型有多火災燃燒誘發(fā)、環(huán)境誘發(fā)和障礙物誘發(fā)等。“L”形油池火災容易在燃油流淌過程中遭遇較低障礙物阻擋的情況下出現(xiàn)，屬于多火災誘發(fā)類型中的一種。ZHOU等[3]使用多火焰燃燒誘發(fā)火旋風，采用數(shù)值模擬、試驗觀測和簡化物理分析的方法研究火旋風旋轉(zhuǎn)速度對火焰高度的影響，以及主火焰與周圍火焰的相互作用。研究發(fā)現(xiàn)在火焰能夠合并的條件下，如果沒有環(huán)境風，火旋風只能持續(xù)2～3 s，發(fā)生的時間和位置也是隨機的；環(huán)境風風速的增加會導致對稱性偏差、火旋風發(fā)生頻率增大，火旋風主要發(fā)生在強效應區(qū)和中效應區(qū)之間的邊界區(qū)域。該研究燃料盤直徑6 cm、深3 cm，燃料盤之間的距離在20～50 cm 之間變動，其結(jié)論對于多火災燃燒誘發(fā)火旋風具有重要的理論意義。但該研究屬于小尺度研究范疇，而火災尺度大小是火災研究的一個重要影響因素，為了判斷艦船甲板火災這種特殊情況下能否出現(xiàn)火旋風現(xiàn)象和發(fā)生的基本條件，以及發(fā)生后的火災物理特性等問題，需要從工程角度，采用試驗的方法進行研究。因此，筆者采用計算機仿真和中尺度火災試驗兩種方法進行研究[4]，分析“L”形油池在普通油池火和火旋風狀態(tài)下的流體力學特征變化及燃油燃燒物理特性參數(shù)上的差別，為有效預防和撲救火旋風提供可靠的理論依據(jù)。

1 計算機仿真模擬

1.1 模擬仿真條件

“L”形油池布局如圖1所示，可知“L”形油池由兩部分組成，橫向主油池為8 m×3 m，線性油池為12.0 m×1.2 m，主油池和線油池相鄰，且相互獨立，油池內(nèi)充滿柴油。油池左側(cè)為風速可在0～15 m/s范圍調(diào)節(jié)的風洞，風口尺寸為23 m×9 m，風口中軸與X軸重合，采用FDS進行場模擬仿真。

(1)網(wǎng)格設置。模擬區(qū)域大小為20 m×20 m×20 m，劃分為11套非均勻網(wǎng)格。中心油池區(qū)域網(wǎng)格最小，網(wǎng)格尺寸為0.1 m×0.1 m×0.1 m，上層網(wǎng)格最大，網(wǎng)格尺寸為0.4 m×0.4 m×0.4 m。網(wǎng)格總數(shù)為73萬。

(2)燃燒過程和燃料特性參數(shù)設置。MLR-PUA：單位面積質(zhì)量損失率為0.045 kg/(m2·s)；TAU_Q：t2火發(fā)展曲線，5 s后達到最大值120 MW，該值在前期大空間火災實驗中進行了測量[5]；DENSITY：密度為850 kg/ m3；HEAT_OF_COMBUSTION：燃燒熱為44.8 MJ/kg；NU_SPEC：柴油蒸發(fā)效率為0.8。

圖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)燃燒環(huán)境參數(shù)設置。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 模擬仿真結(jié)果

風速為2 m/s時FDS模擬燃燒過程如圖2所示，可以看出燃料被點燃后，主油池產(chǎn)生的火焰根部近似水平，火羽流部分在外界風的作用下大幅度向下游傾斜，并與略微向中間傾斜的線性油池火相互作用，線性油池中心附近形成火旋風。高度為3 m的水平面上的流場信息如圖3所示，可以看出主油池的下游形成了渦旋結(jié)構(gòu)，此時火焰不斷從四周卷吸空氣，且具有很高的空氣卷吸速率，形成旋轉(zhuǎn)的空氣渦流，渦旋結(jié)構(gòu)氣體的整體速度約為10.5 m/s，火旋風的高度約為8 m。

圖2 U=2 m/s時FDS模擬燃燒過程

圖3 U=2 m/s時在Z=3 m處的流場切面圖

火焰燃燒過程中，由于熱輻射、熱傳導等因素使油池溫度升高，油池燃料加快汽化，加速燃燒反應從而使油池火燃燒強度變大。熱釋放速率隨時間的變化曲線如圖4所示，可以看出在燃燒過程初期，油池火的熱釋放速率隨著時間增加而快速增大，約10 s之后形成火旋風，熱釋放速率趨于穩(wěn)定，由擬合結(jié)果可知，穩(wěn)定階段熱釋放速率在119 985 kW附近波動，且從模擬流場切面圖可以看出，此時已經(jīng)形成了火旋風，故可說明火旋風是一種穩(wěn)定的燃燒現(xiàn)象[6-9]。

圖4 U=2 m/s時的熱釋放速率隨時間變化曲線

在油池中心高度2 m和9 m處分別布置溫度傳感器，監(jiān)測此高度水平上溫度隨時間的變化曲線，如圖5所示。由圖5可知，在油池中心高度2 m處，由于火焰的湍流脈動和外界風的作用，燃料被點燃5 s后，氣體溫度在1 100 °C以下波動，而在高度9 m處，前5 s內(nèi)溫度較低，5～45 s內(nèi)氣體溫度在650 °C以下波動，隨后氣體溫度不再發(fā)生變化。

圖5 U= 2 m/s時油池中心高度方向的溫度隨時間變化曲線

將主油池上游端和線性油池下游端高度為1 m處的兩個測點分別視為油池的上下邊界，監(jiān)測油池邊界輻射熱流隨時間的變化曲線，如圖6所示。從圖6可以看出，油池邊界輻射熱流隨時間表現(xiàn)出一致的變化趨勢，燃料點燃后的5 s內(nèi)，輻射熱流迅速增加，在油池火達到穩(wěn)定階段后，邊界輻射熱流以振蕩的形式緩慢增加，最終達到穩(wěn)定，兩點處的輻射熱流約為25 kW/ m2。

圖6 U=2 m/s時油池邊界輻射熱流隨時間變化曲線

2 中尺度試驗工況設計

2.1 測量設備布置

主油池內(nèi)注油時長約為3.5 min，線性油池內(nèi)注油時長約為2.7 min，主油池注油1 003.88L，線性油池注油728.99 L，兩個油池共使用了1 732.87 L柴油。在“L”形油池外側(cè)0.5 m處設置5個非水冷熱流計，測量油池豎直方向上的熱流分布，非水冷熱流計將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆囼灤鎯ζ?。在地面高度上，油池中心的軸向上分別布置4臺DV攝像機D1～ D4，距油池中心的距離分別為35 m、31 m、40 m和33 m。在油池北側(cè)距油池中心35 m處布置一臺紅外熱像儀T1。試驗采用超聲波風速儀、熱線風速儀分別測量環(huán)境風場和試驗場的風場數(shù)據(jù)，在垂直于風洞方向，距離風洞邊緣15 m、距離地面高5 m的位置進行環(huán)境風的測量，環(huán)境風速為超聲波風速儀采集的風速的平均值。

2.2 試驗觀察結(jié)果

試驗點火后，在風機轉(zhuǎn)速較低時，油池火維持普通油池火狀態(tài)，當火旋風在前期形成后，火旋風主要位于主油池西側(cè)，并向主油池和線性油池的相鄰處傾斜，形成明顯的螺旋結(jié)構(gòu)火旋風，如圖7所示。當轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大時，火旋風逐漸轉(zhuǎn)移到線性油池南側(cè)，此時形成的火旋風相對于前期形成的火旋風偏小，油池火燃燒臨近結(jié)束后，轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ǖ牡桶挠统鼗?，并發(fā)生揚沸現(xiàn)象，油池火可以短暫地轉(zhuǎn)變?yōu)樾⌒突鹦L[10]。

在試驗過程中，根據(jù)風機轉(zhuǎn)速的變化情況將試驗過程劃分為對應不同風機轉(zhuǎn)速的8段區(qū)域，記錄每個區(qū)域的油池火特性，不同轉(zhuǎn)速下火焰形態(tài)如表1所示。

圖7 火旋風現(xiàn)象形成

表1 不同轉(zhuǎn)速下的火焰形態(tài)

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 質(zhì)量損失速率

試驗中使用電子天平來測量油池的質(zhì)量，得到油池質(zhì)量隨時間變化曲線即可估算油池的質(zhì)量損失速率和熱釋放速率，進而判斷油池火燃燒可能造成的危害[11]，“L”形油池質(zhì)量隨時間變化曲線如圖8所示，其中零點表示點燃油池時刻，縱向點橫線代表風機轉(zhuǎn)速改變時刻，圖上方的數(shù)字代表8種風機轉(zhuǎn)速下的試驗狀態(tài)。

圖8 質(zhì)量損失速率隨時間變化曲線

不同轉(zhuǎn)速下油池的質(zhì)量損失速率如表2所示，可以看出在試驗開始后，在0～1區(qū)間(轉(zhuǎn)速為0.5 r/min)時，隨著風速加快，燃燒加劇，主油池西側(cè)開始間歇性火旋風狀態(tài)，油池的質(zhì)量損失速率基本保持穩(wěn)定，其標準差在2.69～9.86 g/(m2·s)范圍內(nèi)；在4～5區(qū)間，質(zhì)量損失速率的標準差不超過2 g/(m2·s)；在6～7區(qū)間，油池產(chǎn)生揚沸現(xiàn)象，揚沸現(xiàn)象的出現(xiàn)大大增加了油池的質(zhì)量損失速率，試驗末期油池的質(zhì)量損失速率在不斷降低的過程中出現(xiàn)兩次較大的回升，回升時的質(zhì)量損失速率接近柴油在無風條件下的極限燃燒速率。

3.2 火焰高度

根據(jù)ZUKOSKI通過間歇率概念提出的平均火焰高度的定義[12]，間歇率為0.5時對應的火焰高度hf為平均火焰高度，間歇率為0.95時對應的火焰高度hfmax為最大火焰高度，間歇率為0.05時對應的火焰高度hfmin為最小火焰高度。試驗過程中火焰高度變化如圖9所示，測量的最高高度為10 m。

普通油池火階段(區(qū)間0)：試驗開始0～42 s內(nèi)，整個油池被引燃開始燃燒，火焰高度數(shù)值波動較小，火焰高度隨時間穩(wěn)步增加。該階段油池火最大火焰高度、最小火焰高度、平均火焰高度依次為6.56 m、2.67 m、4.11 m。

表2 不同轉(zhuǎn)速下油池的質(zhì)量損失速率

圖9 火焰高度隨時間變化曲線

間歇性火旋風階段(區(qū)間1～2)：試驗開始42～225 s內(nèi)，最大火焰高度、最小火焰高度、平均火焰高度3個數(shù)值波動較大，其中平均火焰高度快速超過普通油池火階段。發(fā)生此現(xiàn)象的原因為油池火開始進入間歇性火旋風階段，火旋風被油池火不充分燃燒產(chǎn)生的濃煙覆蓋。本階段油池火最大火焰高度、最小火焰高度、平均火焰高度依次為10 m、5.36 m、8.2 m。

穩(wěn)定火旋風階段(區(qū)間3～5)：試驗開始225～632 s內(nèi)，在出現(xiàn)火旋風尤其是穩(wěn)定火旋風時，火焰高度迅速增大以致超出了DV的測量范圍。在該階段前期，火旋風規(guī)模較大；而在后期受限于線性油池寬度與可燃物濃度，形成的火旋風規(guī)模較小。該階段三區(qū)間的最小火焰高度依次為5.53 m、4.31 m、3.99 m；平均火焰高度依次為9.69 m、7.37 m、7.15 m。即便是三區(qū)間中最低的最小火焰高度，也仍然高于普通油池火階段相應的火焰高度。利用已有數(shù)據(jù)可以計算得到該階段油池火最大火焰高度、最小火焰高度、平均火焰高度依次為10.00 m、4.46 m、8.57 m。

揚沸階段(區(qū)間6)：試驗開始632～989 s內(nèi)，本階段產(chǎn)生的火旋風規(guī)模不大，主要燃燒方式為普通油池火，但由于油池發(fā)生揚沸現(xiàn)象，火焰高度仍高于普通油池火階段，最大火焰高度可達8.55 m、最小火焰高度為2.96 m、平均火焰高度為3.83 m。

3.3 火焰溫度

通過紅外熱像儀采集油池火試驗過程中火旋風形成后的紅外圖像，得到火旋風發(fā)生過程中火焰燃燒區(qū)域最高溫度，通過提取DV拍攝數(shù)據(jù)繪制火旋風火焰面溫度隨時間變化曲線，如圖10所示。

圖10 火羽流最高溫度隨時間變化曲線

普通油池火階段(區(qū)間0)：在油池火點火開始燃燒53 s后，整個油池開始全部燃燒，火焰面溫度迅速升溫接近1 400 K，此階段火焰面最高溫度為1 523.18 K，平均溫度為1 419.82 K。

間歇性火旋風階段(區(qū)間1～2)：油池火開始71～328 s階段內(nèi)，油池火進入間歇性火旋風階段，火焰面溫度處于總體上升、區(qū)域內(nèi)較穩(wěn)定的狀態(tài)，本階段火焰面溫度比普通油池火溫度高，達到1 400 K以上，火焰面最高溫度為1 671.92 K，平均溫度為1 469.37 K。

局部火旋風階段(區(qū)間3～5)：油池火開始328～634 s階段內(nèi)，由于對流影響，燃燒區(qū)域散熱加快，導致火焰面溫度呈下降趨勢，此階段火焰面最高溫度為1 652.22 K，平均溫度為1 145.64 K。

揚沸階段(區(qū)間6)：油池火開始634～872 s階段內(nèi)，火焰面溫度從634 s狀態(tài)持續(xù)下降，低于普通油池火階段。本階段后期油池火發(fā)生短期揚沸現(xiàn)象，此階段火焰面最高溫度為1 532.32 K，平均溫度為1 133.47 K。

3.4 熱輻射

通過分析油池火輻射熱通量數(shù)據(jù)可知燃燒的劇烈程度，輻射熱通量大小與油池燃燒劇烈程度成正比。本試驗通過水冷熱流計測量油池火水平方向輻射熱通量，通過非水冷熱流計測量油池火豎直方向的輻射熱通量，并通過提取DV攝像數(shù)據(jù)資料，繪制油池火輻射熱通量變化曲線，結(jié)果如圖11所示。

圖11 輻射熱通量隨時間變化曲線

普通油池火階段(區(qū)間0)：試驗開始后42 s時間內(nèi)，非水冷熱流計測得油池火豎直方向上的輻射熱通量數(shù)值波動相對較小，從零開始逐漸上升到513.64 W/ m2，平均值為166.74 W/ m2；油池火水平方向上的輻射熱通量由水冷熱流計測得，數(shù)值幾乎沒有變化，從零開始緩慢上升到53.74 W/ m2，平均值為25.97 W/ m2。

間歇性火旋風階段(區(qū)間1～2)：試驗開始180 s后，“L”形油池開始全部燃燒，油池火以普通油池火為主，間歇性出現(xiàn)火旋風。豎直方向輻射熱通量增加較快但相對穩(wěn)定，最大值為13 167.99 W/m2，平均值為7 591.00 W/m2；水平方向輻射熱通量增加較慢但數(shù)值波動較大，最大值為1 968.45 W/m2，平均值為835.39 W/m2，180 s后兩個方向上輻射熱通量均趨于穩(wěn)定。

局部火旋風階段(區(qū)間4～5)：試驗開始225 s后，油池火發(fā)展為穩(wěn)定的火旋風。豎直方向輻射熱通量比較穩(wěn)定且波動不大，輻射熱通量最大值為14 525.70 W/m2，平均值為13 161.11 W/m2；水平方向輻射熱通量波動相對較大，輻射熱通量比普通油池火階段顯著增加，輻射熱通量最大值為2 620.58 W/m2，平均值為1 310.51 W/m2。

揚沸階段(區(qū)間6～7)：試驗開始后700 s左右，主油池首先發(fā)生揚沸現(xiàn)象，使油池火在水平方向和豎直方向的輻射熱通量出現(xiàn)上升趨勢；840 s左右，線性油池產(chǎn)生了揚沸現(xiàn)象，水平方向和豎直方向的輻射熱通量出現(xiàn)第二次回升，豎直方向輻射熱通量最大值為14 970.58 W/m2，平均值為8 602.64 W/m2，水平方向輻射熱通量最大值為1 919.48 W/m2，平均值為762.32 W/m2。

4 結(jié)論

(1)計算機模擬仿真和中尺度試驗表明，“L”形油池可以出現(xiàn)火旋風現(xiàn)象，誘發(fā)條件是風速大小在2～4 m/s之間。熱釋放速率的大小和變化規(guī)律是影響計算機仿真和中尺度火災試驗數(shù)據(jù)差異的主要因素。

(2)中尺度火災試驗表明，在特定環(huán)境風作用下，普通油池火可以轉(zhuǎn)變形成火旋風，火旋風從形成到結(jié)束可分為普通油池火階段、間歇性火旋風階段、局部火旋風階段和揚沸油池火階段4個階段。

(3)“L”形油池火旋風形成后，火旋風主要出現(xiàn)在主油池西側(cè)和線性油池南側(cè)?；鹦L的產(chǎn)生加強了熱對流與熱輻射作用，一方面加快了燃料的燃燒速率，另一方面加快了火焰與油池之間的熱交換，從而導致油池質(zhì)量損失速率遠大于普通油池火在無風條件下的最大值。

(4)間歇性火旋風階段、穩(wěn)定火旋風階段和揚沸油池火階段的最大火焰高度分別為普通油池火最大火焰高度的1.52倍、1.52倍和1.30倍，平均火焰高度分別為普通油池火的2.01倍、1.52倍和1.30倍。間歇性火旋風階段、穩(wěn)定火旋風階段的最大火焰面溫度分別為普通油池火的1.10和1.14倍，平均火焰面溫度分別為普通油池火的1.19和1.18倍。豎直和水平方向上的平均輻射熱通量是普通油池火的1.57倍和1.73倍。

(5)“L”形油池穩(wěn)定火旋風與同尺度方形油池火旋風相比，平均火焰高度是方形油池火旋風的1.35倍，最大火焰面溫度基本相當，豎直和水平方向熱輻射通量偏小。

(6)采用計算機模擬方法只能粗略判斷火旋風出現(xiàn)的風速大小范圍，不能準確地計算出火旋風的熱特性參數(shù)，仿真結(jié)果與試驗存在較大差距，相關(guān)數(shù)據(jù)還需根據(jù)火災尺度的大小開展試驗研究。