关于地下复杂组合受限空间火灾分区现象与初期模式实验研究
目录
1 实验装置与测量
2 实验结果与讨论
2.1 火灾发展与分区现象
2.2 火灾初期模式
3 结论
关键词:组合受限空间;火灾;火灾分区现象;火灾初期模式;实验与讨论
代发地下建筑论文
前言众所周知地下建筑包括地下油库、地下物资储备库、人防工程、地下商场、地下车库、隧道、地铁等,在我国正快速发展。地下建筑是典型的受限空间。一般都由狭长的坑道式建筑(有的长达1000米以上,如地下油料储存库)和容积式空间(如罐、室)组成。我们所完成的实验和其它资料表明,对容积式空间和狭长的坑道式建筑来说火灾初期和发展的现象、规律及结果相差很大[1,2]。所以,为了更清楚阐述有关问题,在这里将房间式、储罐式等受限空间称为容积式受限空间;而把坑道式结构称为狭长受限空间。地下建筑一般由这二种受限空间组合而成。故可称为组合受限空间。地下建筑的火灾较之地面火灾研究进程缓慢、更难。由于发生在地下,而不易为人们所直观认识。这样人类对地下建筑火灾所积累的资料很少;目前地下建筑火灾的基础与应用基础、防治与扑救技术等方面研究大大落后于地上其它领域火灾的研究。火灾的关键现象研究是火灾基础实验研究的三种形式之一。鉴别出全部的火灾关键现象并逐一进行细节研究是今后火灾研究领域重点方向之一[3~5]。地下建筑火灾与地面火灾相比无论从现象、机理来看,还是从火灾发展及后果来看都有着很大区别,在某些方面甚至呈现本质的区别[6~10]。本论文将重点介绍地下狭长受限空间与组合受限空间油料介质火灾分区现象、初期火灾主要模式模拟实验研究结果;在本论文的实验中,地下狭长受限空间与组合受限空间火灾分区现象的发现尤为重要。本论文将重点介绍该分区现象以及相关问题的讨论。
1 实验装置与测量
地下复杂组合受限空间火灾模拟实验装置如图1所示。模拟实验装置分为上下两层。直径:0.254m。下部狭长受限空间总长为12m。容积式受限空间有三个。直径:1000mm,高:700mm。地下复杂组合受限空间火灾模拟实验装置可拆装为单一狭长受限空间、容积式受限空间以及其它形式结构的实验装置。模拟实验装置能够承受火灾介质爆炸时的高压。为了观察、记录罐室内坑道内燃烧或爆炸的情况,模拟实验装置上都开有观察孔,孔上安装有能承受高温高压的玻璃,厚20mm,直径150mm。 在火灾实验中,有大量的实验数据需要采集。如温度、压力、油气浓度、燃烧前后各成分的浓度(如图1所示,共设计有40个规格相同的可根据实验需要安装温度、压力一次传感器和作为取样用的小孔)、爆炸或燃烧现象的记录等等。这些数据的采集对定性和定量分析火灾现象,探索火灾规律都是必须的。在本实验室中,数据采集与处理主要包括以下几个方面:(1)温度、压力数据采集与处理系统。本系统采用由深圳研华(ADVANTECH)公司研制开发的数据采集/控制系统,该系统由多块采集板卡组成。压力传感器采用瑞士生产的压电压力传感器、西安仪表厂生产的GP/AP型压力、绝对压力电容式变送器;温度传感器采用重庆长江仪表厂生产的WRNK-201A型铠装热电偶。采集来的温度、压力值以数据格式自动保存,自研的数据后处理系统可对该数据文件进行任何编辑、分析和绘图、制表处理。(2)烟气成份分析。我们采用的仪器仪表有三种,即由日本COSMOS电子有限公司研制生产的便携式报警仪、奥塞特烟气分析器和由日本HORIBA公司研制的烟道分析仪。(3)图像捕捉与分析处理系统。本系统由动态图象实时压缩/回放卡、摄像头和软件构成。通过多点观察窗,我们可以清楚看到爆炸、燃烧的全过程。再通过图像捕捉与分析处理系统,可对爆炸、燃烧各过程进行分析,获取各种资料。(4)光电火焰速度测量系统。为了测量爆炸时火焰的传播速度,以结合其它参数分析判断燃烧模式,我们自行设计了光电测速系统。光电测速系统的实验采样频率可达1000Hz,根据测点调整,在本实验装置上可测出火焰速度达8000m/s的速度。所以完全满足了实验要求。所有仪器的校对由我院油测中心和有关计量所完成。
2 实验结果与讨论
2.1 火灾发展与分区现象
如图2所示,在已经完成的地下组合受限空间油料介质火灾模拟实验中所发现、鉴别的特殊现象中以火灾分区现象尤为重要和关键。实验表明地下单一或多开口受限狭长空间中油气爆炸后引发的火灾火焰不是象地面上在整个油面(可燃物)上都在燃烧,而是呈“点或线式”火焰,火焰象“火帘”一样,将整个地下组合受限空间分为燃烧区、新鲜空气补充区、烟气流区、过渡区和火焰后面的“惰流区”(由于前人没发现该现象并命名,这是我们按照该区与活跃的火焰区、流动区比较而言所命名,如有不妥可商议)五区。火焰区受高温烟气流动和空气补充的控制,同时它提供热浮升动力,是整个过程得以进行的“增压泵”。如图3所示,烟气与空气分层状态良好。图4是典型的火焰前断面处温度分布的情况。此断面温度分布极不正常。上部温度达575℃,下部温度为70℃左右,中部温度居中,这也为分区提供了重要依据。在上部的高温烟气流动区中,受热浮力驱动,这些气体紧贴上部流出;在火灾发展的不同过程,高温烟气流动区温度会发生变化;变化幅度随断面位置不同而发生变化,一般为400℃~600℃。但下部新鲜空气流动补充区温度几乎不变。所以新鲜空气流动补充区流体几乎不受燃烧过程影响。与图4实验结果相对应,图5给出了火焰区后部断面温度分布结果;此时上部温度为160℃,比火焰前要低400℃左右。所以,可以认为高温烟气没有流向后部,这是一个火灾的“死区”,靠与火焰的自然对流、辐射、热传导交换热量。与上述实验结果相对应高温烟气流区、新鲜空气流动补充区、惰流区三个区的组份分析结果如表1所示。此时新鲜空气补充流动区O2浓度最高,惰化区O2浓度很低,这是惰化区不能燃烧的主要原因。在高温烟气流区中CO的浓度很高且明显高于CO2,这说明本论文实验条件下地下建筑火灾是典型的缺氧燃烧。同时,该区中HC浓度很高,满足爆炸的条件。只是因为缺氧没有发生爆炸或燃烧。但是,为火灾暂时“熄灭”后的二次爆炸或自燃提供了条件。实验中确实是发生了二次爆炸或自燃。由于论文篇幅限制,该实验结果将另外撰文讨论。有上下狭长受限空间的复杂组合受限空间(地下多层坑道结构,这也是地下建筑常见结构,例如地铁、矿山、海底隧道、地下储油库等)结构的地下复杂组合受限空间则分为燃烧区、烟气流区、新鲜空气补充区和“惰化区”4区,此时,上部狭长受限空间是烟气流区。该现象的发展揭示了地下复杂组合受限空间火灾蔓延、发展及受控的本质,并将为地下组合复杂受限空间消防技术以及地下建筑安全性能设计提供新的思想和方向。
2.2 火灾初期模式
地下受限空间中油料介质火灾初期现象及模式的实验研究在前述实验装置上完成。实验装置结构包括地下复杂组合受限空间、容积式受限空间和狭长受限空间。狭长受限空间结构直径从50 mm~265 mm四种尺寸,长度从1m~13m五种尺寸。实验介质为90#汽油,以长方型油盘的形式置于实验装置内。油盘可在燃烧时沿装置前后移动。火灾初期油气浓度从0.8%~6.9%。分为开口和密闭两种边界条件。共完成700多次有效实验。系统的模拟实验结果表明,在地下受限空间中(包括地下复杂组合受限空间、容积式受限空间和狭长受限空间)油料介质火灾初期现象及模式受初始油蒸汽浓度的影响一般伴随爆炸,或者说火灾在绝大多数情况下由爆炸引发。在这些实验中,油蒸汽由油盘中的油料自然蒸发形成。表2给出了直径为265 mm的狭长受限空间中密闭边界条件下油料介质火灾初期模式模拟实验一组典型实验结果。实验数据表明,火灾模式随初期油气平均浓度而变化。随不同的初期条件,火灾的初期主要模式有:爆炸、爆炸强度逐步减弱、爆炸强度逐步加强、燃烧、爆炸由爆燃发展为爆轰。在保证封闭条件的前提下,洞内初期爆炸不会引发后续火灾的发展,不管有无油蒸汽补充,也没有出现爆炸后继续燃烧的情况。带来这种现象的原因分析如下:如表3所示,这是爆炸后模拟洞库不同部位的烟气成分分析的一组典型数据。表3表明,无论哪个部位,尽管HC浓度较高且在爆炸极限内,但O2浓度极低。这是封闭条件下爆炸不会发展的主要原因。当然,实际地下建筑结构复杂,空间较大,油气不均匀性更加严重,其火灾发展将增加更多的影响因素。当从点火处油蒸汽浓度由高到低分布,则出现爆炸强度由强到弱的减弱现象,反之,则相反。 复杂组合受限空间上、下部狭长受限空间分别全开口条件下着火后火灾模式的一组典型实验结果如表4所示。在复杂组合受限空间,均匀油汽轴向分布条件下,着火爆炸后火焰与烟气混合物喷出的强度比在小型狭长受限空间模拟装置上大得多。爆炸声也要强烈得多。主要模式为爆炸、燃烧、爆炸后持续燃烧、爆炸后短时燃烧、爆炸后发展为出口外爆炸;爆炸又分可为爆炸又可分为爆炸强度逐步加强、爆炸由爆燃发展为爆轰、爆炸强度逐步减弱。对复杂组合受限空间而言,模式预测比较复杂。如爆炸后燃烧的情况,对不同复杂组合受限空间结构,不同的洞口风向条件下,可燃烧的部位是完全不同的。换句话说,复杂组合受限空间内火灾能否发展为燃烧与敞开空间中容积式空间或罐群燃烧完全不同;能否燃烧,哪一个部位先燃,哪一个部位后燃都受通气条件、烟气流动,即洞内复杂的烟气流向状况控制。在我们所完成的实验中,当下部狭长受限空间有两个出口,上部狭长受限空间有两个出口时,上部狭长受限空间是烟气的出口,其判断并不复杂。但烟气喷出呈不稳定状态,说明里面压力波动大;下部狭长受限空间一个表现为正压口,另一个却出现在负压口和正压口的波动中。当出现压力平衡,此时,烟气像凝固状,即无烟气流出,也无空气补充。临近正压口的容积式空间将持续燃烧。临近压力波动口的油罐将出现燃烧不稳定甚至熄灭。在两燃烧点之间的区域没有发现燃烧。综上所述,地下建筑火灾及发展呈现出自身的规律。消防措施及火灾防治技术将以这些实验研究结果为指导。所以,这些规律的发现是非常有应用价值的实验结果。
3 结论
(1)地下组合受限空间火灾可分为燃烧区、新鲜空气补充区、烟气流区、过渡区和火焰后面的“惰化区”五区。有上下狭长受限空间的地下复杂组合受限空间则分为燃烧区、烟气流区、新鲜空气补充区和“惰化区”四区。(2)大量实验表明,在受限空间中(包括复杂组合受限空间、容积式受限空间和狭长受限空间)油料介质火灾初期现象及模式受初始油蒸汽浓度的影响一般伴随爆炸,或者说火灾在绝大多数情况下由爆炸引发。密闭受限空间中火灾初期模式主要有:爆炸、爆炸强度逐步减弱、爆炸强度逐步加强、燃烧、爆炸由爆燃发展为爆轰。(3)复杂组合受限空间上、下部狭长受限空间分别全开口条件下着火后火灾主要模式为爆炸、燃烧、爆炸后持续燃烧、爆炸后短时燃烧、爆炸后发展为出口外爆炸;爆炸又可分为爆炸强度逐步加强、爆炸由爆燃发展为爆轰、爆炸强度逐步减弱。(4)复杂组合受限空间内火灾能否发展为燃烧、哪一个部位先燃、哪一个部位后燃受通气条件、烟气流动,即洞内复杂的烟气流向状况控制。
摘要:主要介绍地下狭长与组合受限空间油料介质火灾分区现象、初期火灾主要模式模拟实验研究结果与讨论;地下组合受限空间火灾呈现出特殊的分区现象。一般可分为燃烧区、新鲜空气补充区、烟气流区、过渡区和火焰后面的“惰化区”五区。有上下两层的地下复杂组合受限空间可分为燃烧区、烟气流区、新鲜空气补充区和“惰化区”4区。地下受限空间(包括组合受限空间、容积式受限空间和狭长受限空间)密闭条件下火灾初期模式主要有:爆炸、爆炸减弱、爆炸增强、燃烧、爆燃向爆轰发展。地下复杂组合受限空间下部与下部狭长受限空间分别全开口条件下着火后火灾主要模式为爆炸、燃烧、爆炸后持续燃烧、爆炸后短时燃烧、爆炸后发展为出口外爆炸;爆炸又可分为爆炸强度逐步加强、爆炸由爆燃发展为爆轰、爆炸强度逐步减弱。