舰船燃油火灾的燃烧速率间接测量实验研究

张光辉, 夏子潮, 浦金云, 李 昂

(海军工程大学 动力工程学院, 湖北 武汉 430033)

实验室安全与环保

舰船燃油火灾的燃烧速率间接测量实验研究

张光辉, 夏子潮, 浦金云, 李 昂

(海军工程大学 动力工程学院, 湖北 武汉 430033)

采用连通器原理,推导了间接测量燃油火灾燃烧速率转化公式,构建了间接测量系统。根据4种实验工况测量了直径40 cm油池燃烧过程中的实时质量变化规律和燃烧速率变化规律,并用理论公式进行验证。测量结果不受燃烧环境变化影响,测量方法可应用于中大尺度火灾实验研究,解决热释放速率实时测量的难题,为有效计算火灾的火焰高度、火焰直径、对外辐射热量及空气卷吸量等参数指标提供了技术支撑。

燃烧速率； 间接测量； 燃油火灾

火灾是舰船生命力的主要威胁,不仅破坏舰船的结构、装置和设备,而且会对舰员的生命造成伤害[1]。定量研究舰船火灾发生原因、蔓延规律和危险度是确保舰船安全使用的重要理论基础；解决这些理论问题首先需测量燃烧物质的热释放速率(heat release rate,HRR)。热释放速率是指可燃物燃烧时单位时间内释放的热量,是表征火灾特性最基本、最重要的参数,决定了火焰高度、火焰直径、对外辐射热量及空气卷吸量[2-3]。热释放速率常用的测试方法有失重法、耗氧法和绝热箱法。这3种方法对于测量小尺度燃油燃烧热释放速率比较方便和精确,但是不适用于中大尺度油池火[4]。主要问题是测量平台搭建困难、经济性差，且测量精度较低。本文构建了适用于中大尺度油池火燃烧速率间接测量实验平台,并进行了验证实验研究。通过该实验研究可以直接计算出热释放速率的动态情况,为火灾产生的热辐射、烟气浓度等特性参数计算提供技术支撑,解决船舶、化工等消防设计实验验证,以及消防训练操演、决策应用等问题[5-8]。

1 热释放速率实验原理和系统组成

1.1 实验原理

实验原理如图1所示,假设中大尺度油池的表面积为S。油池下部为水层,水层上是一定厚度的正庚烷。横截面积为s的敞口小容器置于电子天平上的升降台表面,电子天平的数据传输到采集系统终端,采用不锈钢引压管(入口距油池燃油表面h)将中大尺度油池与敞口小容器底部相连,形成自由流动的连通器系统。当中大尺度油池的正庚烷开始燃烧后,油面不断下降,同时敞口小容器中的水位也会持续下降。

图1 间接测量系统原理

则,初始时刻的压力平衡关系式为

ρ1gh1+ρ2gh2=ρ0gh0

经过Δt时间后,压力平衡关系式为

实验过程中,油池中正庚烷的质量变化量为

敞口小容器中水的质量变化量为

故

因此,只需要测量与中大尺度油池火相连通的外部小容器的质量变化,就能得到中大尺度油池燃料的燃烧速率,且测量值与燃烧过程中油池水温和油温升高引起的密度变化无关。

1.2 系统组成

该油池火燃烧速率测量验证系统包括3部分：油池火燃烧测量系统、外接小容器测量系统和数据采集系统。油池火燃烧系统如图2所示,用于测量油池火的真实燃烧速率,包括不锈钢油盘(直径

40 cm,深度10 cm,中心底部孔直径20 mm)；电子天平(量程64 kg,精度0.1 g)。

图2 油池火燃烧测量系统

外接小容器测量系统如图3所示,用于测量与油池连接的敞口小容器的质量损失速率,包括不锈钢小容器(直径10 cm和5 cm,高度7 cm,中心底部孔直径12 mm)；空压管(长度5 m,外径12 mm,内径8 mm)；电子天平(量程36.2 kg,精度0.1g)。

图3 外接称重系统

数据采集系统(见图4)用于实时记录油池和敞口小容器的质量变化、测量燃烧前后油池水层温度的变化、记录实验过程图像,包括单反相机(Nikon D200)、热电偶及采集器(1 mm热电偶)、USB串口线、数据采集软件和笔记本计算机。

图4 数据采集系统

2 实验方法

2.1 实验工况

本实验共有4组验证实验工况,如表1所示。实验使用直径为10 cm敞口小容器。燃油为正庚烷,燃料层初始厚度控制在1.0～1.2 cm,底部水层厚度约为5.5 cm,燃烧时间约250 s。

表1 实验验证工况

2.2 实验步骤

(2) 测试称重系统,确保电子天平工作正常;

(3) 向大油池中加入约5.5 cm厚度水层;

(4) 调节小容器下方的手动升降平台,使小容器中水层厚度大致在5.5 cm左右;

(5) 等待一段时间,直到油池与小容器的质量不变,系统达到稳定;

(6) 电子天平全部调零,数据采集系统开始启动;

(7) 向大油池中迅速加入1 000 g左右正庚烷;

总之，高校作为人才培养的重要阵地，必须紧跟时代发展的步伐，迎接大数据时代发展带来的机遇和挑战。加快高校学生管理信息化建设的步伐，才能在充分发挥大数据价值的基础上，促进高校学生管理信息化数据分析能力的不断提升，为培养符合社会发展需求的综合型应用人才奠定坚实的基础。

(8) 等待2个电子天平的示数重新平衡后,点燃油池;

(9) 采集2个天平的数据;

(10) 油池火熄灭后,等待电子天平数据到达稳定后停止采集数据;

(11) 测量水层温度;

(12) 分析数据,准备下一次实验。

3 实验结果

3.1 工况1的实验结果

实验工况1。图5和图6给出了油池火及小容器质量及失重速率随时间的变化规律。小容器的失重速率已经通过公式换算成油池的失重速率。工况1中油池快速注油之后,没有等待系统达到稳定,直接点火。从图6可以看到,小容器需要比较长的时间才能响应油池中质量的减小,但是2者在稳态燃烧段符合得很好。

图5 油池与小容器的实时质量

图6 油池与小容器的实时燃烧速率

3.2 工况2的实验结果

实验工况2。图7和图8给出了油池火及小容器重量及失重速率随时间的变化规律。当油池点火后,小容器下的电子天平需大约50 s响应到油池火的燃烧。图8表明,两者在稳定段具有较好的吻合性。小容器称重数据计算得到的油池火燃烧速率在400～ 500 s有较小的波动,可能原因是由于管路略微漏水。

图7 油池与小容器的实时质量

图8 油池与小容器的实时燃烧速率

3.3 工况3的实验结果

实验工况3。图9和图10给出了油池火及小容器重量及失重速率随时间的变化规律。可以看到,油池从注油到达稳定需要约100 s。点火后,小容器失重速率曲线滞后于油池火失重速率曲线约30 s。油池点火后约130 s达到稳态燃烧。实验结果表明,油池真实失重速率和使用小容器失重速率得到的油池失重速率吻合得非常好。另外,测量表明油池水层表面温度从点火前的23 ℃升高为45 ℃。这说明燃烧过程中油池水层温度及水的密度发生了显著变化,但是本文的测量燃烧速率方法给出了可靠的结果。

图10 油池与小容器的实时燃烧速率

3.4 工况4的实验结果

实验工况4。图11和图12给出了油池火及小容器重量及失重速率随时间的变化规律,2组燃烧速率曲线吻合得很好。

图11 油池与小容器的实时质量

图12 油池与小容器的实时燃烧速率

4 实验分析

在火灾研究中,一般最关注稳态段的平均燃烧速率[9]。表2给出了4种工况下油池火稳态段的燃烧速率结果。结果表明,各个工况下2个燃烧速率曲线的稳态区间基本重合,油池火的稳态燃烧速率具有很好的重复性,平均值为4.60 ± 0.22 g/s。小容器数据计算得到的油池火燃烧速率为4.54 ± 0.22 g/s。2种测量方法得到的油池火稳态段失重速率最大误差小于3%。因此,本文提出测试方法可以应用于中大尺度油池火燃烧速率的间接测量,具有较高的精度。

表2 稳定段燃烧速率结果比较

5 结论

在实验的基础上,得出以下研究结果:

(1) 发展了一种基于连通器原理的油池火燃烧速率间接测量系统。理论分析表明,油池燃烧速率和外部小容器失重速率成正比,比例系数只是两种容器表面积之比。油池燃烧过程中的水温和油温升高对测量结果没有影响。

(2) 小容器失重速率与油池真实燃烧速率存在一定的时间滞后,滞后时间约30 s。

(3) 油池稳态段的真实燃烧速率与利用小容器失重速率换算得到的燃烧速率非常接近,最大相对误差小于3%。

)

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Experimental study on indirect measurement of burning velocity for ship oil fire

Zhang Guanghui, Xia Zichao, Pu Jinyun, Li Ang

(College of Power Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

The principle of the connected devices is used to derivate the transformation formula of indirect measurement for the burning velocity of oil fire and set up an indirect measurement system. Based on 4 kinds of experimental working conditions,the changing laws of the real time mass and the burning velocity in the burning process in a 40cm diameter oil pool are measured and the theoretical formulae is used to prove the laws. The measurement results are not affected by the burning environment and the measurement methods can be used for the experimental research on medium and large fires so as to solve the problem of real time measurement of the heat releasing rate and provide technical support for the parameters of effective calculation of the flame height,flame diameter,external radiation heat,the air entrainment,etc.

burning velocity; indirect measurement; oil fire

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.065

2016-10-11 修改日期：2016-12-06

国家自然科学基金项目(51206157)

张光辉(1979—),男,湖北大悟,博士,讲师,主要研究方向为船舶消防技术与工程研究

E-mail：41964730@qq.com

浦金云(1961—),男,江苏江阴,博士,教授,主要研究方向为舰艇安全工程与技术.

E-mail：zghshining@sina.com

X928.1

A

1002-4956(2017)4-0257-05