, 石朗, 鲍益朋, 张宇伦中南大学 土木工程学院, 长沙 410075
收稿日期：2023-05-10
基金项目：国家自然科学基金面上项目(52274250);国家自然科学基金重大项目(72091512)
作者简介：陈长坤(1977-), 男, 教授。E-mail: cckchen@csu.edu.cn
摘要：为探究液体燃料(煤油和0#柴油)浸润多孔介质砂床(石英砂)表面火蔓延特征行为, 开展了一系列不同颗粒粒径(0.428~4.500 mm)工况的燃烧测试, 实验测量了燃料质量损失速率、砂床内部温度分布、砂床表面火蔓延速率等特征参数, 分析了颗粒粒径对浸润燃烧场景下燃烧蔓延特性的影响机制。实验结果表明: 在当前实验中, 毛细管作用影响了燃烧反应进程的传热速率, 较细颗粒砂床(直径0.428 mm)的传热速率快于较粗颗粒砂床(直径2.180 mm)。不同颗粒粒径工况下的质量损失速率的增长快慢存在差异, 准稳定燃烧阶段质量损失速率的增长速率随颗粒粒径的增大而先减小后增大。在准稳定燃烧阶段中, 随着颗粒粒径增大, 煤油和0#柴油浸润石英砂床表面的平均火蔓延速率呈现出先减小后增大的趋势。在相同颗粒粒径条件下, 0#柴油的平均火蔓延速率低于煤油。
关键词：液体燃料多孔介质火蔓延颗粒粒径
Experimental study on the characteristics of fire spread on porous sand bed infiltrated by high flash point liquid fuel
CHEN Changkun
, SHI Lang, BAO Yipeng, ZHANG YulunSchool of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China
Abstract: [Objective] Previous studies on propagation-type combustion have yielded fruitful results. However, relatively few studies have investigated the characteristics of fire spread behavior of nonvolatile high flash point liquid fuel in porous media. [Methods] A series of combustion tests were performed on typical high flash point liquid fuels (kerosene, 0# diesel) infiltrating quartz sand beds of various particle sizes. The average particle sizes of quartz sand under the designed experimental conditions were 0.428, 0.715, 1.200, 2.180, 3.675, and 4.500 mm. The fire spread was recorded using a high-definition video camera at 25 frames per second, with the camera positioned 100 cm away from the experimental tank. The mass loss rate was measured using an electronic balance with a 0.1 g accuracy, and the fire spread rate was determined from the flame front position data using MATLAB. A series of K-type armored thermocouples with a diameter of 0.5 mm were arranged on the side wall of the experimental tank to measure the temperature distribution in the quartz sand bed. [Results] The experimental results reveal that the heat transfer rate of a fine-grained sand bed (d=0.428 mm) is faster than that of a coarse-grained sand bed (d=2.180 mm) at the same depth. This difference can be attributed to the effect of capillary action on the mass transfer efficiency of the sand layer, which in turn affects the heat transfer rate during the combustion reaction process. Furthermore, a preheating zone of a certain length exists near the flame front, which is primarily dominated by heat conduction and has minimal effect on convection and radiation heat transfer. In the process of fire spreading on the quartz sand bed with liquid fuel, the mass loss rate increases over time. However, the growth rate of mass loss rate varies under different particle size conditions. In the quasi-stable combustion stage, the growth rate of mass loss rate initially decreases and then increases with increasing particle size. As the particle size increases, the average fire spreading rate of kerosene and 0# diesel on the surface of the quartz sand bed first decreases and then increases. Because of the relatively high flash point and viscosity of 0# diesel, its average fire spreading rate on the surface of the quartz sand bed is lower than that of kerosene. [Conclusions] This study analyzes the characteristics of fire spread on the surface of a typical porous sand bed infiltrated with high flash point liquid fuel and reveals the mechanism of the effect of particle size on the characteristics of fire spread to a certain extent. The research results provide references for the security protection and decontamination treatment of the fire spread problem when liquid fuel leaks into porous media.
Key words: liquid fuelporous mediafire spreadparticle size
液体燃料在运输、储存及使用过程中经常会发生泄漏事故，泄漏的液体燃料会迅速渗入多孔介质(砂石、土壤等)中，如果遇到点火源极有可能被引燃，液体燃料将形成大范围的火蔓延现象，对生命和财产造成重大损失[1-2]。此外，砂石、土壤等多孔介质常被用来覆灭、扑救液体燃料火灾。灾后的多孔介质环境去污化处理问题同样值得重视。因此，有必要对液体燃料浸润多孔介质场景下的燃烧蔓延特性进行深入研究。
目前，对于液体燃料浸润和润湿多孔介质场景下的燃烧特征行为的研究较少。陈长坤等[3-4]开展了不同可燃液体层高度下浸润多孔介质砂床燃烧特性实验研究，揭示了液体层高度对燃烧特性的影响机制。此外，他们还研究了颗粒级配对液体燃料浸润多孔介质砂床燃烧特性的影响机理，发现液体燃料浸润不同级配多孔介质条件下的燃烧特性受毛细管作用和多孔介质的热导率共同影响。李满厚[5]探究了初始温度对碳氢燃料(RP-5煤油和0#柴油)在无多孔介质流淌火场景下燃烧蔓延特性的影响，研究结果表明随着初始温度的增大，火蔓延速率逐渐增大。Fu等[6]研究了柴油浸润多孔介质表面火蔓延实验场景在不同颗粒粒径和燃料比条件下的特征参数变化，发现火蔓延速度随着颗粒粒径的增大而减小，随着燃料比的增大而增大。Zanganeh等[7]研究了可燃液体润湿多孔介质表面火蔓延特征行为，对可燃液体润湿多孔介质表面燃烧蔓延过程进行传热分析，定性地分析了火蔓延中传质过程。Takeno等[8]研究了癸烷浸润多孔介质表面火蔓延，发现存在临界粒径，当颗粒粒径小于临界粒径时，火蔓延速率随粒径增大而减小，而当颗粒粒径大于临界粒径时，火蔓延速率随粒径增大而增大。尹艺[9]研究了乙醇浸润多孔介质表面火蔓延特性，发现当砂层温度小于化学计量温度时，随着颗粒粒径的增加(由0.1 mm增加至2.5 mm)，平均火蔓延速率减小。Ishida等[10-12]研究了可燃液体浸润多孔介质砂床表面燃烧蔓延实验场景在外界风作用下的火蔓延特征行为，发现外界风可以影响砂床表面可燃蒸气层结构。Kong等[13]对不同浸润深度下可燃液体浸润多孔介质砂床的非传播型火焰的燃烧特性进行了研究，揭示了不同浸润深度下多孔介质砂层的毛细效应传热传质的能力，分析了燃烧初始阶段传热的主导机制。
前人对液体燃料浸润多孔介质燃烧的研究主要集中在非传播型和传播型燃烧场景。非传播型燃烧场景重点关注了燃料质量损失速率、羽流温度分布、火焰形态等特性参数，为传播型燃烧场景的研究提供了理论基础。传播型燃烧场景主要关注砂床内部温度分布和火蔓延速率等参数，该方面的研究目前还比较少，特别是对于难挥发性高闪点液体燃料浸润多孔介质表面火蔓延特征行为的研究相对较少。
本工作针对颗粒粒径这一影响因素，开展了高闪点液体燃料(煤油、0#柴油)浸润不同粒径石英砂床的燃烧测试，测量和分析了燃料质量损失速率、砂床内部温度分布和火焰蔓延速率等特性参数，研究了颗粒粒径对火蔓延特性参数的影响机制。本研究可为液体燃料泄漏浸入多孔介质环境火蔓延问题的安全防治及应急处理提供一定程度的参考。
1 实验方法图 1为液体燃料浸润多孔介质表面火蔓延实验装置图。实验槽尺寸为60 cm(长)× 4 cm(宽)× 5 cm(高)。高闪点液体是指闭杯试验闪点在18 ℃至61 ℃的液体[9]，该类液体普遍为难挥发性液体。本实验采用体积分数为99%的难挥发性高闪点液体燃料: 煤油(闭杯闪点为30 ℃)、0#柴油(闭杯闪点为55 ℃)。多孔介质砂床由纯度为96% (质量分数)石英砂堆积而成，石英砂的平均粒径分别为0.428、0.715、1.200、2.180、3.675、4.500 mm。使用粉体孔隙率测定仪对不同粒径的石英砂进行了孔隙率测定，测量的孔隙率分别为0.489、0.483、0.476、0.471、0.455、0.426，符合前人****给出的经验范围0.37~0.50[14]。各组实验均在无风环境下进行，环境温度和砂床初始温度均为18 ℃，空气湿度为70%。
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| 图 1 实验装置示意图 |
| 图选项 |
使用高清摄像机记录火蔓延过程，拍摄速度为25帧/s。高清摄像机距实验槽水平距离为100 cm。使用精度为0.1 g的电子天平记录下质量损失，经过数据处理得到质量损失速率。利用MATLAB从火焰前锋位置随时间变化的数据中提取出火蔓延速率。在实验槽侧壁，布置24根直径为0.5 mm的K型铠装热电偶以测量石英砂床内部的温度分布，详细的热电偶测点位置如图 2所示。以石英砂床表面(与液体燃料液面齐平)为y=0基准平面，基准平面以下布置24个温度测点，布置成6×4的石英砂床内部温度测点阵列。最靠近砂床表面的温度测点设置在砂床表面以下0.5 cm位置处(y=-0.5 cm)，最下部区域测点纵向间距为1.5 cm，其余测点纵向间距为1.0 cm。多孔介质温度测点阵列的6列热电偶所处位置横坐标分别为x=5、15、25、35、45、55 cm。
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| 图 2 热电偶测点位置分布图 |
| 图选项 |
使用定制的实验槽来控制煤油和0#柴油液面的初始高度，加入液体燃料至液面与石英砂床表面齐平，使液体燃料充分浸润石英砂床。点火后，火焰从点火端蔓延至实验槽末端。由于煤油、0#柴油的闪点较高，在砂床初始温度18 ℃时不易被点燃，因此在位于实验槽点火端处x=0~3 cm的位置范围内设置了点火区，向点火区内加入3 mL左右的乙醇进行引燃。点火区和实验区由一块云母板隔开，云母板周边用锡箔纸包裹，用来隔绝点火区的点火操作对实验区液体燃料初始温度的影响。引燃10 s后，抽离云母板，待火焰蔓延至末端x=60 cm处，利用窒息法人为熄灭火焰，保存好摄像机的实验视频，并记录下实验数据。为了保证实验数据测量的准确性，各实验工况重复进行1~2次。
2 结果及分析2.1 燃料质量损失速率图 3给出了颗粒粒径d=2.180 mm工况下，煤油和0#柴油浸润石英砂床表面火蔓延过程中的火焰前锋序列图像。可以发现，主火焰为亮黄色，而不同时刻的火焰前锋存在2种形态: 蓝色火焰前锋位于主火焰前方，亮度相对较暗，属于闪燃火焰；黄色火焰前锋与主火焰颜色一致，均属于扩散火焰。由于火焰对前方未燃区域的预热作用，导致预热区液体燃料温度达到其闪点，液面上方的燃料蒸气浓度增大，蓝色闪燃火焰在主火焰前方形成，并以较快的速度向前蔓延，待传播至较远处时消失，随后呈现出周期性“出现、消失”的变化规律。由于液体燃料浸润石英砂床，砂床内部燃料供应充足，在液面上方形成的燃料蒸气燃烧不充分生成碳烟。碳烟向上流动并且进一步被氧化，因此主火焰和黄火焰前锋均呈现出亮黄色[2]。图 3a和3b显示，在相同时间间隔下，火焰蔓延过程相对稳定。蓝色闪燃火焰前锋几乎都位于一条直线上，而黄色扩散火焰前锋距离直线较远，说明蓝色闪燃火焰蔓延过程较稳定，且蔓延速率较快；待其消失时，黄色扩散火焰还未到达原闪燃火焰前锋处，说明黄色扩散火焰的蔓延速率较慢。
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| 图 3 火焰前锋序列图像(石英砂粒径d=2.180 mm) |
| 图选项 |
图 4给出了煤油燃料浸润不同粒径石英砂床燃烧蔓延的质量损失速率变化趋势。在整体趋势上，质量损失速率随着燃烧时间的推进而逐渐增大，但是不同粒径工况下的质量损失速率增长的快慢存在差异。由于在火焰蔓延初始阶段以及火焰蔓延至实验槽末端时，火焰传播不够稳定。因此，选取各组工况准稳定燃烧阶段的测量数据进行线性拟合，获得准稳定燃烧阶段的质量损失速率随时间变化的拟合直线，其斜率代表质量损失速率的增长速率。
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| 图 4 煤油浸润不同粒径石英砂床燃烧蔓延的质量损失速率变化趋势 |
| 图选项 |
由图 5可知，质量损失速率的增长速率随颗粒粒径的增大而先减小后增大。这可能与砂床的毛细管作用和传热作用有关。毛细管作用是指具有一定黏度的液体在毛细管中能够自发地上升或下降，其本质是由内聚力和附着力的相对大小关系来驱动液体上升或下降[14]。由于砂床内部存在孔隙，故将其看作一团毛细管簇[1]。砂床可通过一定强度的毛细管作用将液体燃料从砂床内部输送到砂床表面。毛细管作用力与颗粒粒径在一定范围内成反比关系[13, 15]，粒径越小，毛细管作用力越强，毛细管作用传质效率越高。在当前实验粒径范围内，d=0.428 mm和d=0.715 mm工况为6组工况中粒径较小的工况，因此具有较强的毛细管作用，质量损失速率的增长较快。在大粒径工况中，质量损失速率的增长速率随粒径增大而增大。这可能是因为颗粒粒径增大，砂层内孔隙也随之增大，液体燃料在浸润较大粒径砂床的条件下，能接收到更多的热量，因此传热速率增大，使得燃烧反应更迅速。
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| 图 5 质量损失速率的增长速率随颗粒粒径的变化趋势 |
| 图选项 |
2.2 石英砂床内部温度分布图 6给出了液体燃料(煤油、0#柴油)浸润石英砂床燃烧蔓延过程中(d=0.428、2.180 mm)砂床内部温度的变化趋势。在火焰前锋蔓延至典型位置x=25 cm处之前，位置y=-0.5 cm处的热电偶所测的温度就已经开始上升。这说明在火焰前锋前方的石英砂床表面存在预热区。由图 6可知，在相同深度y处，较细颗粒砂床(d=0.428 mm)的传热速率快于较粗颗粒砂床(d=2.180 mm)，使得前者能够更快升温。这可能是因为液体燃料汽化从多孔介质孔隙中溢出扩散至燃烧表面，参与燃烧反应。粒径越小，毛细管作用相对越强，砂层的传质效率相对越高。因此，较细颗粒砂床(d=0.428 mm)的燃烧反应进程更迅速，传热速率相对更快。
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| 图 6 石英砂床温度变化趋势(粒径d=0.428、2.180 mm) |
| 图选项 |
图 7给出了液体燃料(煤油和0#柴油)浸润多孔介质表面火蔓延过程的控制机理。图 8给出了液体燃料浸润石英砂床(d=2.180 mm)内部温度云图。结合两者可以看出，在液相层次，未燃区域温度为18 ℃，随着火焰的蔓延，热量逐渐向前方未燃区和砂床内部传递，使得砂床表面燃料的温度高于砂床底部燃料的温度，因此砂床表面燃料的密度小于底部燃料的密度，在毛细管作用以及由密度差产生的浮力的共同作用下，底部燃料沿着细小的石英砂孔隙输送到砂床表面。砂床内部温度的升高使得燃料供应效率加快，质量损失速率也随之逐渐增大。此外，由于石英砂床的传热作用，砂床表面始终存在一定长度的温度过渡区域，为预热区。火焰根部的燃料温度高于预热区的燃料温度，根据液体表面张力系数与温度在一定温度范围内成反比关系，火焰根部处液体的表面张力小于预热区液体的表面张力，该表面张力的差值会将火焰根部的热流体拉向温度较低的区域，即火焰向前方蔓延。在气相层次，预热区液体燃料的温度高于其闪点，燃料蒸气在液面上方不断积累。由于对流传质作用，燃料蒸气与空气混合成为燃料蒸气混合物。火焰蔓延逐渐消耗燃料蒸气混合物，闪燃火焰消失，火焰蔓延停滞，待燃料蒸气混合物重新积聚，又重新开始上述过程。
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| 图 7 液体燃料浸润多孔介质表面火蔓延机理示意图 |
| 图选项 |
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| 图 8 石英砂床内部温度云图(煤油，d=2.180 mm) |
| 图选项 |
在图 7所示的火蔓延过程中，根据能量平衡，液体燃料浸润多孔介质砂床火焰蔓延过程中控制体总热通量QT[6]表示为:
| $Q_{\mathrm{T}}=Q_{\mathrm{cd}}+Q_{\mathrm{cv}}+Q_{\mathrm{g}}+Q_{\mathrm{fr}}-Q_{\mathrm{rr}}$ | (1) |
| $Q_{\mathrm{T}}=\rho_1 V_{\mathrm{f}} c_p\left(T_{\mathrm{c}}-T_0\right) \delta_{\mathrm{T}} .$ | (2) |
可以看出，由于煤油和0#柴油的黏度较大，在砂层孔隙之间的移动存在阻力，这导致液体对流较为困难，传递的热量Qcv较少；由于燃烧蔓延过程中火焰的尺度较小，预热区接收到的火焰辐射热量Qfr也较少[9]。在砂床内部向预热区的热传导Qcd和燃料蒸气混合物向预热区的热传导Qg的共同作用下，预热区的温度升高，使得液体燃料的蒸发加快。液面上方积聚的燃料蒸气进入反应区进行燃烧反应，使得火焰不断向前蔓延。因此，液体燃料浸润石英砂床火蔓延过程预热区传热的主导机制为热传导。
2.3 砂床表面火焰蔓延速率本实验中砂床初始温度为18 ℃，低于煤油和0#柴油的闪点，远低于煤油和0#柴油的化学计量温度。化学计量温度是指当可燃液体的温度处于超过其闪点的特定温度时，液面上方的可燃预混蒸气层恰好能完全燃烧。当砂床初始温度高于化学计量温度时，颗粒粒径的变化不影响火焰的蔓延速度；当砂床初始温度低于化学计量温度时，火蔓延速率受到颗粒粒径变化的影响[1]。
图 9给出了煤油浸润不同粒径石英砂床表面火焰前锋位置随时间的变化曲线。选取准稳定燃烧阶段的数据点进行线性拟合，得到了准稳定燃烧阶段的平均火蔓延速率。图 10给出了煤油和0#柴油浸润不同粒径石英砂床表面平均火蔓延速率的变化趋势。随着颗粒粒径增大，平均火蔓延速率先减小后增大，整体呈现出与质量损失速率的增长速率类似的趋势。平均火蔓延速率随着粒径的增大先减小，这可归因于砂床的毛细管作用，颗粒粒径越小，毛细管作用越强，输送燃料的能力越强；当粒径继续增大时，平均火蔓延速率随之增大。以煤油为例，在当前6组工况中，d=0.428 mm工况的平均火蔓延速率较大，为6.30×10-2 cm/s；d=1.200 mm工况的平均火蔓延速率最小，为4.89×10-2 cm/s；d=4.500 mm工况的平均火蔓延速率最大达到6.87×10-2 cm/s，超过了d=0.428 mm工况的6.30×10-2 cm/s。这可能是因为大粒径工况下，液体燃料在相同时间内接收到更多的热量，因此在孔隙内更容易向前蔓延，传热效率增大，使得燃烧反应更迅速。
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| 图 9 煤油浸润不同粒径石英砂床火焰前锋的位置随时间的变化曲线 |
| 图选项 |
此外，由图 10可以发现，在相同颗粒粒径条件下，0#柴油浸润石英砂床表面的平均火蔓延速率低于煤油。这可归因于0#柴油闪点比煤油高，燃料蒸气层需要更长时间达到更高的温度以维持燃烧蔓延。因此，在相同条件下，0#柴油浸润多孔介质表面燃烧蔓延需要更长时间来完成整个火焰蔓延过程。0#柴油的黏度更大，在砂层内部的对流阻力增大。这使得0#柴油在石英砂床内部的传输更加困难，火蔓延过程中燃料供应效率降低。图 10所示的平均火蔓延速率随颗粒粒径的变化规律与Takeno等的实验[8]所得结果相似。Takeno等发现在癸烷(闪点为46 ℃)浸润多孔介质表面燃烧蔓延场景下，火蔓延速率随粒径变化时存在临界值。当介质粒径d小于临界粒径d0时，火蔓延速率随粒径增大而减小；而当介质粒径d大于临界粒径d0时，火蔓延速率随粒径增大而增大。根据本文实验结果分析，推测在当前实验场景下，煤油和0#柴油浸润石英砂床表面火蔓延的临界粒径位于0.715至2.180 mm之间。
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| 图 10 煤油和0#柴油浸润不同粒径石英砂床表面平均火蔓延速率的变化趋势 |
| 图选项 |
3 结论为了研究高闪点液体燃料(煤油、0#柴油)浸润多孔介质砂床(石英砂)表面火蔓延特征行为，开展了一系列不同颗粒粒径(0.428~4.500 mm)工况的浸润场景的燃烧实验，测量分析了燃料质量损失速率、石英砂床内部温度分布及平均火蔓延速率等特性参数的变化规律，探究了颗粒粒径对浸润燃烧场景下火蔓延的影响机制。主要结论如下:
1) 在当前实验中，对于相同深度位置，较细颗粒砂床(d=0.428 mm)的传热速率快于较粗颗粒砂床(d=2.180 mm)，这可归因于毛细管作用通过影响砂层的传质效率，进而影响了燃烧反应进程的传热速率。此外，砂床表面火焰前锋附近存在一定长度的预热区，该区域传热的主导机制是热传导，对流换热和辐射换热的影响相对较小。
2) 在液体燃料浸润石英砂床表面火蔓延过程中，质量损失速率整体上呈现出随时间推进而逐渐增大的趋势。但是，不同粒径工况下的质量损失速率的增长快慢存在差异，准稳定燃烧阶段质量损失速率的增长速率随粒径增大先减小后增大。
3) 在准稳定燃烧阶段中，随着颗粒粒径增大，煤油和0#柴油浸润石英砂床的平均火蔓延速率先减小后增大。由于0#柴油的闪点和黏度相对较高，0#柴油浸润石英砂床的平均火蔓延速率低于煤油。
尽管本工作探究了典型高闪点液体燃料浸润多孔介质砂床表面火蔓延特征行为，在一定程度上揭示了颗粒粒径对燃烧蔓延特性的影响机理，但是当前实验场景仅采用了黏度较大的液体燃料，只选用了单一组分的颗粒粒径。如果采用黏度较小的液体燃料，或者更复杂的多孔介质粒径级配模式，特性参数的变化趋势也将更加复杂。进一步的实验研究及理论分析将在未来的工作中进行。
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