开放空间和隧道空间中横向布置双池火的燃烧特性及热反馈演化研究

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Study on combustion characteristics and heat feedback evolution of transverse arranged dual pool fires in open and tunnel spaces

　　

# 摘要

燃料表面接收到的热反馈直接决定了燃烧速率，从而显著影响火灾的发展动态和危害严重程度。与开放空间相比，受限空间中的火灾具有空气卷吸受限和高温度烟气积聚的特征，这些因素显著增强了燃料表面的热反馈，从而加剧了火灾危害。为研究开放空间和隧道环境中横向双火源的热反馈演化机制，本研究在40种不同条件下开展了正庚烷池火实验。研究变量包括燃料盘火间距、火源功率（比值）和燃烧环境。本研究揭示了隧道空间中热反馈机制的演化规律，并通过与开放空间场景的结果进行比较，阐明了空间限域的影响。此外，本研究引入了"有效间距"（S_eff）和"隧道交互参数"（λ_tunnel），建立了隧道空间中质量损失速率的预测模型。该模型量化了火焰交互与壁面约束对质量损失速率的耦合影响。研究结果表明，在恒定火间距下，由于空气卷吸受限，隧道空间中的火焰高度和质量损失速率均高于开放空间，且质量损失速率随火间距减小而进一步增加。与开放空间相比，隧道侧壁的二次辐射和反射效应补偿了火间距增大导致的热反馈衰减，从而缓解了质量损失速率随火间距增大而下降的趋势。辐射热在开放空间和隧道空间中始终是主要的热反馈机制；然而，空间限域效应进一步强化了辐射热反馈，使其在总热反馈中所占比例显著高于开放空间。本研究有助于理解多源燃烧的耦合动态，为受限空间火灾规模的定量预测和性能化消防设计提供了必要的理论基础和数据支持。

# 引言

作为湍流扩散燃烧的一种典型形式，池火不仅是火灾科学研究的基础课题，也是石化、交通和仓储等领域灾难性事故中的常见场景（如大型储罐火灾和隧道车辆火灾）。为系统阐明此类火灾的动态演化机制，科学研究通常将复杂的实际燃烧过程简化为具有代表性的池火模型。由于该模型能够有效捕捉液态燃料受浮力驱动的湍流扩散燃烧特征，因此深入研究其燃烧机制对于揭示火灾行为和精准评估潜在风险具有重要的研究和实践价值。

在池火背景下，热反馈是指燃烧过程中产生的热量与周围环境相互作用，进而维持或促进燃烧过程的现象。热反馈机制包括热辐射、传导和对流[1]。这些机制的相对比例反映了燃烧过程的能量传递特征。此外，总热反馈作用于燃料表面的总量严格决定了蒸发速率，进而决定了火灾发展趋势和危害严重程度。因此，阐明热反馈机制对于预测火灾行为和评估火灾风险至关重要。

在开放空间中，池火燃烧过程的热反馈和能量守恒方程如图1(a)所示，并以公式(1)表示[2]。在公式中，左侧的$\dot{Q}_{fuel}$代表作用于燃料表面的总热反馈。右侧各项分别对应燃料通过辐射（$\dot{Q}_{rad}$）、对流（$\dot{Q}_{conv}$）和传导（$\dot{Q}_{cond}$）接收的热量，以及燃烧过程中的能量耗散。这些耗散项包括从燃料盘底部损失的热流（$\dot{Q}_{lose}$）和燃料向周围环境辐射发射的热流（$\dot{Q}_{re-rad,l}$）[2]，[3]。鉴于热反馈机制的关键作用，众多研究者围绕作用于燃料表面的热反馈总量和主要模式开展了大量研究。Hamins等人[2]通过实验证明，单个火源的主要热反馈模式主要取决于池火直径（D）：(1) 当D < 10 cm时，热传导为主导机制，单位面积质量损失速率随D增大而降低；(2) 当10 ≤ D < 20 cm时，热对流占主导，单位面积质量损失速率随D增大而增加；(3) 当D ≥ 20 cm时，热辐射成为主导机制，单位面积质量损失速率基本不随D变化。Liu等人[4]研究了燃料表面与盘壁之间的间隙距离（即液面高度ullage height）对热反馈的影响。研究结果表明，液面高度增大导致液体表面接收的热量减少，从而使质量损失速率降低。Hu等人[5]探讨了燃料类型对热反馈的影响。实验结果显示，对于庚烷池火，辐射反馈在燃烧中起主导作用，而对于乙醇池火，辐射的主导地位相对较弱。在此基础上，Hu等人[6]分析了水平风条件下中等规模池火（15 ≤ D ≤ 25 cm）的热反馈演化。研究发现，横向气流显著改变了火焰结构，导致辐射反馈减弱而对流反馈增强。

$$\dot{Q}_{fuel} = \dot{Q}_{conv} + \dot{Q}_{rad,f,A-A} + \dot{Q}_{cond} - \dot{Q}_{loss} - \dot{Q}_{re-rad,l}$$

$$\frac{\dot{Q}_{fuel}}{A} = \frac{\dot{Q}_{conv}}{A} + \frac{\dot{Q}_{rad,f,A-A}}{A} + \frac{\dot{Q}_{rad,f,B-A}}{A} + \frac{\dot{Q}_{cond}}{A}$$

与单一火源相比，多池火场景中的反馈过程由于火焰间的相互作用而复杂得多，呈现出截然不同的演化模式。多火源热反馈的能量传递路径和能量守恒方程如图1(b)和公式(2)所示。如图所见，在多火源场景中，燃料除接收自身火焰的能量外，还受到相邻火焰的热辐射。这一额外的能量输入导致其热反馈演化与单一火源存在显著差异。关于多火源热反馈演化的研究相对较少。现有研究表明，盘尺寸和火间距是影响热反馈的主要因素，热辐射通常起主导作用。随着盘尺寸或火间距的增大，对流的贡献逐渐增强，而辐射和传导的相对贡献则逐渐减小[7]，[8]，[9]，[10]。质量损失速率是燃料接收总热反馈的间接指标，火间距是影响燃烧速率的关键因素。具体而言，随着火间距减小，来自相邻火灾的热辐射增强，导致质量损失速率增加。然而，当火源间距过于接近时，空气卷吸受限效应变得更加明显，导致质量损失速率略有降低[11]，[12]，[13]。此外，通风条件对多火源的燃烧特征有显著影响。Li等人[14]通过使用不同直径的燃料盘，并改变横风速、池火直径比和火间距，进行了多次实验。他们的结果表明，横风条件下存在明显的非对称耦合效应：较大池火的燃烧速率因对流热传递和火焰卷吸增强而增加，而较小池火的燃烧速率则因辐射屏蔽和氧气供应不足而降低。

以往关于多池火的研究主要集中在火源参数方面，如池火尺寸、火间距和通风条件。然而，在隧道、船舱和仓库等受限空间中，由于空气卷吸受限和高温度烟气积聚，热反馈受到火灾交互和边界约束的共同影响，其耦合效应对热反馈演化和质量损失速率的影响仍不够充分。对于隧道火灾，相应的热反馈路径和能量守恒方程如图2和公式(3)所示。空间限域对热反馈的影响主要体现在守恒方程右侧的各项中，具体包括天花板下烟气层的辐射热反馈（$\dot{Q}_{rad,S}$）以及来自隧道侧壁的辐射（包括受加热壁面的二次辐射$\dot{Q}_{rad,W}$和反射辐射$\dot{Q}_{re-rad,W}$）。Nasr等人[15]研究了受限空间中单一火源的热反馈机制。研究发现，与开放空间相比，受限空间中壁面的反射和二次辐射效应显著增强。这导致燃料表面接收的热量增加，从而使质量损失速率通常高于开放环境。然而，当通风不足导致严重缺氧时，燃烧过程受到抑制，质量损失速率下降。Chen等人[16]研究了不同氧浓度下池火的燃烧。结果表明，在高氧浓度条件下，沸腾燃烧阶段发生较早；相反，当氧浓度降至15%时，沸腾现象消失。

$$\dot{Q}_{fuel} = \dot{Q}_{conv} + \dot{Q}_{rad,f,A-A} + \dot{Q}_{rad,S} + \dot{Q}_{rad,W} + \dot{Q}_{rad,re} + \dot{Q}_{cond}$$

$$\frac{\dot{Q}_{fuel}}{A} = \frac{\dot{Q}_{conv}}{A} + \frac{\dot{Q}_{rad,f,A-A}}{A} + \frac{\dot{Q}_{rad,f,B-A}}{A} + \frac{\dot{Q}_{rad,S}}{A} + \frac{\dot{Q}_{rad,W}}{A} + \frac{\dot{Q}_{rad,re}}{A} + \frac{\dot{Q}_{cond}}{A}$$

综上所述，现有关于池火热反馈机制的研究主要集中在开放空间中的单一火源场景，并已建立了较为系统的理论框架。然而，针对多火源场景，尤其是隧道等典型受限空间的研究仍然不足。在隧道环境中，火焰的空气卷吸受到限制，高温烟气倾向于积聚。同时，侧壁的存在导致显著的二次辐射（受热壁面对液面的辐射效应）和反射。此外，受限空间中的火灾通常涉及火灾蔓延，火源之间的相互作用进一步加剧了热反馈机制的复杂性和火灾危害的严重程度（受限空间中双火源的热反馈能量传递示意图和能量守恒方程如图2(b)和公式(4)所示）。

目前，关于受限空间中多火源耦合作用下热反馈机制的研究存在明显的空白。为研究开放空间和隧道空间中横向双火源的热反馈机制演化模式，本文考虑了火间距、火源功率（比值）和燃烧环境等变量。研究揭示了隧道空间中横向双火的燃烧特征和热反馈演化，并通过与开放空间场景的比较，阐明了空间限域对热反馈的影响。

此外，本研究在传统的仅基于火间距的交互参数基础上，引入了综合考虑火间距和火源到壁面距离的"有效火间距"（S_eff）。在此基础上，开发了隧道交互参数（λ_tunnel）和相应的质量损失速率预测模型，以量化火灾交互与隧道壁面约束的耦合影响。本研究有助于理解受限空间中多源燃烧的耦合行为，为火灾规模的定量预测和性能化消防设计提供了理论和实验支持。

## 章节片段

### 实验装置

实验分别在开放空间和模型隧道中进行。如图3所示，隧道由七个隧道段（标记为C1至C7，火源位于C4段）组装而成。每个隧道的尺寸为2 m（长度）× 1.2 m（宽度）× 1.1 m（高度），隧道总长度为14 m。隧道侧壁由耐火玻璃制成，天花板由4 mm厚的不锈钢板制成。铝硅酸棉粘附于天花板。

### 火焰形态评估

图6展示了开放空间和隧道空间中的火焰形态（其中零刻度线对应燃料盘顶部）。视觉数据清楚地表明，随着火间距增大，两种燃烧环境中的火焰高度均呈现逐渐下降的趋势，同时火焰倾斜角和羽流合并程度也相应减小。在恒定火间距下，隧道空间中的火焰高度略高于开放空间。

### 横向双火源质量损失速率预测模型

对于开放空间，单一火源的质量损失速率如公式(10)所示。以下公式适用于本研究的二元火源条件，由于相邻火焰之间相互辐射增强，辐射热反馈占主导地位。对于多火源情况，燃料盘A的质量损失速率取决于自身火焰和相邻火焰的热辐射，详见公式(11)[20]。

假设火源的火焰特性为……结论：为了研究开放空间和隧道空间中正交双火源的热反馈机制演变规律，本研究在40种不同条件下进行了正庚烷池火实验，考虑了火源间距、开放空间和隧道空间中的火源功率（比值）等变量。本研究揭示了隧道空间中横向双火源的燃烧特征及热反馈演变机制。通过与开放空间场景进行对比，分析了……CRediT作者贡献声明：杨建：撰写—原始草稿、可视化、验证、软件、调查。叶继红：撰写—审阅与编辑、监督、经费获取。利益冲突声明：作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。致谢：本研究得到国家自然科学基金（项目编号：52478572和52127814）的资助。杨建 | 叶继红