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          不同環境溫度對RP-5油池火燃燒特性影響

          發布時間: 2021-08-23 16:27:18

          池火災是一類以可(易)燃液體為燃料的火災,常見于船舶石油運輸、海上石油開采等[1],池火災可以直接造成人員傷亡和財產損失,也可以引發沸騰液體擴展為蒸氣爆炸或蒸氣云爆炸,導致事故規模擴大。RP-5號航空煤油是屬于高閃點型的多組分混合燃料。其由于芳烴低,燃燒熱值高,在軍事領域應用廣泛。相對于低碳氫(酒精等)燃料,其具有燃燒速度快、火勢兇猛、輻射熱強等特點[2]。

          自上世紀60年代以來,國內外眾多研究機構圍繞油池火的燃燒特性做了大量的研究,取得了大量有價值的數據。Topi Sikanen[3]對機械通風艙內液體池火災進行了預測模擬,正確地捕捉了氧耗降低對池火燃燒速率的影響,并利用火災動力學模擬器進行了模擬,并在OECD PRIME項目中進行了實驗研究。Gan-su Shen[4]等對開發區的火災羽流溫度和小型丙烷池火的熱輻射分布進行了實驗研究和理論分析,對火羽流溫度分布進行了修正,同時對三種輻射模型進行了比對。Liang Zhou[5]等利用ASTM e2058/ISO 12136型火災傳播裝置(FPA)上研究了11種不同煤煙傾向的液體燃料,分別用狹縫法和廣角輻射計測量了所有燃料的輻射功率分布(沿火焰軸線)和整體輻射發射,研究了測量位置和燃料類型對測量數據的影響。Jinlong Zhao[6]等研究了汽油的薄層燃燒行為,證明了隨著液體層厚度的減小,穿透熱輻射逐漸增大。Sinai[7]建議根據油池的直徑尺寸選取不同的火焰表面熱輻射通量。McCaffrey[8]通過分析小功率甲烷火的實驗數據,得出了羽流中心線溫度分布規律,并將整個羽流劃分為三個區域。Eulalia Planas-Cuchi[9]等研究碳氫化合物池火在整個燃燒過程中火焰溫度隨時間和高度的變化情況,提出了火焰溫度隨時間和高度變化的預測方法。M.A. Brosmer[10]總結出油盤直徑小于5m時,對大多數烴類火災而言,輻射分數為0.4∽0.5,并且輻射分數隨油盤直徑的增加而下降。

          近年來,國內外研究者對于油池火做了大量的研究,大部分只是研究池火災的某一特征。但是對RP-5 號煤油池火的研究以及專門對RP-5煤油池火的燃燒特性進行系統研究的實驗非常少。本文通過改變甲板和燃燒的初始溫度,進行不同尺寸油池的燃燒試驗,探究艦面升溫對燃油池火的燃燒熱釋放速率和熱輻射特性,溫度分布特性等燃燒特性的影響。

          1實驗裝置與測量方法

          在ISO9705[11]實驗臺基礎上建立了系統研究不同尺度和溫度工況下的油池火燃燒特性的實驗臺,見圖1.整個實驗臺可以分為油盤和數據測量系統。

          圖1實驗臺示意圖(單位:mm)

          本實驗測量了面積為0.1和0.2油池,燃油初溫和甲板初溫分別為常溫、40℃、60℃情況的燃燒特性;試驗采用圓形油池,油池深度為150mm,油池壁厚為5mm,見圖2。

          圖3 ISO9705熱釋放速率試驗測點布置

          表1 溫度測點和輻射測點的位置

          溫度測量使用K型鎧裝熱電偶,數據采集使用DAQ數據采集系統。熱輻射的測量采用水冷式輻射熱流密度計,試驗過程中全程錄像。

          2試驗結果與分析

          2.1熱釋放速率實驗結果與分析

          熱釋放速率[12]是可燃物燃燒時單位時間內釋放出的熱量。一直以來,熱釋放速率都被視為反映火災場景、表征火災過程最重要的參數。本文采用氧消耗原理法[13]進行熱釋放速率測量。

          為保證實驗結果的可靠性,每種工況的實驗重復進行兩次,通過對不同面積油池各條次實驗的結果進行平均化處理,分析得到的相應火源熱釋放速率結果如圖4所示。

          圖40.1m2和0.2 m2油池火在不同溫度環境下的熱釋放速率變化過程

          由圖4可知,在油池面積為0.1m2時,對于燃油初溫為常溫的工況中,在經歷了池火的初期發展階段后,熱釋放速率到了峰值,約為108kW,發生時間在500秒附近,在2750秒附近,燃燒發展到衰退階段。

          當燃油溫度和甲板初溫改變為40℃和60℃時,四種不同工況下的熱釋放速率最大值基本變化不大,平均值在120kW附近,發生時間在500秒附近。四種工況總池火熱釋放速率的平均值約為100kW,在點燃時間達到2700秒后,開始逐漸熄滅。

          在0.1m2油池中的五種工況下,不同工況的熱釋放速率變化趨勢保持一致,只有燃油初溫為常溫的工況下,熱釋放速率略微偏低。因為油池是在開放空間中燃燒,某一組實驗受到風的影響也是難以避免的,冷空氣會帶走池火的部分熱量,并抑制燃燒,造成熱釋放速率偏低。

          同樣的對于面積為0.2m2的油池,在五種溫度環境的工況下,熱釋放速率都保持同樣的變化趨勢,整體實驗結果重合度較高。五種工況下的熱釋放速率基本維持在285kW附近,熱釋放率最大值發生時間幾乎相同,約在420秒;總燃燒時間也基本相同,約為2250秒;熱釋放率平均值也基本相同,約240kW。

          由面積為0.1m2和0.2m2的油池燃燒過程分析都可以發現,油池周圍水浴加溫基本不影響熱釋放率和燃燒時間。并且得出結論:一方面提高甲板溫度和油溫兩種加熱形式差別不明顯;另一方面在從常溫到60℃的溫度區間內時,甲板和燃油的初始溫度對小尺寸池火災的熱釋放速率和燃燒時間基本沒有影響。

          2.2 熱輻射結果與分析

          對每種工況下的兩次重復實驗結果進行平均化處理,得出不同面積的油池在不同的甲板溫度時燃燒所產生的熱輻射結果如圖6.1-圖6.4所示。不同面積油池在不同的水浴溫度(油溫)時燃燒所產生的熱輻射結果如圖6.5-圖6.10所示。

          圖5  RP-5油池火在不同溫度環境下的熱輻射隨時間變化過程

          由圖5可知,0.1m2和0.2m2油池的燃油初溫和甲板初溫在常溫、40℃、60℃三種溫度工況下,熱輻射溫度重復性都很好,燃油初始溫度改變未影響輻射強度值。0.1m2油池在1倍直徑和1.5倍直徑距離處,平均熱輻射強度分別為5kW/m2和10kW/m2,燃燒時間均相同。0.2m2油池在1倍直徑和1.5倍直徑處平均熱輻射強度為15kW/m2和7.5kW/m2,燃燒時間均相同。0.1m2和0.2m2油池相比,后者燃燒時間縮短了約500秒,輻射強度在1倍直徑和1.5倍出分別平均增大了5kW/m2和2.5kw/m2。

          綜合上述從熱輻射強度測量得到的試驗結果可以看出0.1m2和0.2m2油池在五種溫度工況下的輻射強度沒有收到明顯影響,因此可以得出,在常溫到60℃的溫度區間范圍內,艦船艦面甲板和燃油的初始溫度變化對燃燒熱輻射基本沒有影響。

          2.3溫度結果與分析

          對每種工況下的兩次重復實驗結果進行平均化處理,得出不同面積油池在不同的燃油初溫和甲板溫度時燃燒的溫度曲線