受限空间溢流火灾动力学与热释放率估算模型研究：基于气体浓度演变的实验与理论分析

针对核电站、地下变电站等受限空间内液体燃料泄漏引发的溢流火灾安全问题，研究人员通过构建3 m×3 m×4 m实验平台，系统研究了正庚烷在不同燃料释放速率(5.8-12.6 g/s)下的燃烧特性。创新性提出基于O2/CO2/CO浓度演变的HRR(热释放率)估算模型，揭示燃烧四阶段特征及临界阈值(O2≤15.0%，CO2≥3.8%，CO≥1200 ppm)，为受限空间火灾风险评估提供理论支撑。

　　

在能源基础设施快速发展的背景下，核电站反应堆建筑、地下变电站等受限空间的液体燃料泄漏事故频发。据统计，美国核电站1990-2014年间9.2%的火灾源于燃料泄漏，而现有研究多聚焦开放环境或半封闭隧道，对完全密闭场景下的溢流火灾(Spill fire)动力学认知存在显著空白。这类火灾因燃烧产物积聚和热反馈增强表现出独特行为，传统池火灾(Pool fire)模型已不适用，亟需建立针对性的风险评估方法。

为攻克这一难题，国内某研究团队在3 m×3 m×4 m的碳钢密闭舱内开展系统实验，通过精密控制正庚烷释放速率(5.8-12.6 g/s)，结合高速摄像与气体分析技术(O₂/CO₂/CO实时监测)，创新融合氧消耗法(OC)和二氧化碳生成法(CDG)构建HRR计算模型。研究采用工业级气体传感器(精度±0.1%)记录浓度梯度，通过热流计与热电偶阵列量化热反馈效应，所有数据以1 Hz频率采集确保动态过程解析。

燃烧阶段划分
实验捕捉到区别于开放环境的四阶段特征：(1)燃烧层扩展阶段：火焰呈环形扩散，半径增速达3.2 mm/s；(2)过渡阶段：燃烧面积达到峰值后出现涡旋状火焰；(3)游动火阶段(Ghosting fire)：火焰碎片化运动伴随CO浓度骤升；(4)熄灭阶段：O₂浓度跌破15.0%临界值时火焰猝灭。

关键参数关联
提出无量纲参数τ=燃料释放率/空间容积，发现熄灭时间t_e与τ呈线性正相关(R²>0.96)。气体浓度呈现"缓-急-缓"三阶段下降模式，最终稳定阈值与释放速率无关：O₂≤15.0%±0.3%，CO₂≥3.8%±0.2%，CO≥1200±50 ppm。

HRR模型验证
新建模型相较传统OC法误差降低至7.8%，揭示受限空间内CO₂生成对HRR贡献率达18.6%，证实CDG法修正的必要性。模型在12.6 g/s工况下预测HRR峰值(1.87 MW)与实测值(1.92 MW)吻合良好。

该研究首次系统阐释了完全密闭空间溢流火灾的动力学机制，建立的HRR混合计算模型为工业场所防火设计提供量化工具。发现的临界气体阈值可直接用于智能火灾报警系统开发，而τ-t_e关系式为应急响应时间预估奠定理论基础。研究成果对核电站等高风险场所的燃料安全管理具有重要实践价值，论文发表于能源领域顶级期刊《Fuel》。