基于貨物集裝箱的受限空間轟燃火災行為研究

高佳鑫,黃志祥,陳 斌,趙悠霖

(1.深圳市城市公共安全技術研究院有限公司 消防安全研究所,廣東 深圳 518000;2.鹽田國際集裝箱碼頭有限公司 安全保安部,廣東 深圳 518000;3.深圳市消防救援支隊 防火監督處,廣東 深圳 518000;4.廣東省消防救援總隊 法制與社會消防工作處,廣東 廣州 510000)

集裝箱作為海路、公路、鐵路運輸中專門用于周轉運輸的金屬容器,是一種特殊的受限空間。集裝箱火災對堆場的危害程度因可燃物種類及數量、集裝箱位置、外部環境因素、集裝箱尺寸等因素不同而存在較大差異,受時間、成本等因素限制,難以全部采用全尺寸實驗方法進行論證分析[1-2]。近年來,隨著計算機技術及火災動力學的不斷發展,火災計算機模擬技術得到的快速發展和廣泛應用,該方法能較好的預測火災的發生及發展過程,具有較好的可靠性與經濟性[3]?；馂闹修Z燃現象的發生標志著受限空間火災由局部燃燒向全面燃燒轉變,不僅容易造成群死群傷,對自身的結構安全也會造成嚴重威脅。因此,通過模擬,分析導致轟燃發生的臨界條件及轟燃后火勢發展的態勢對集裝箱火災防治具有重要的意義,可為集裝箱類安全管理和滅火救援提供理論指導。

研究者們通過理論研究、數值模擬、實體實驗等方式對受限空間的轟燃理論進行了大量研究,BENGT等[4]根據熱力學理論,在尺寸為 2.90 m×3.73 m×2.70 m 的全尺寸房間中開展了一系列火災轟燃實驗,發現引發轟燃所需的臨界條件為天花板下方 1 cm 處的溫度達到 600 ℃,提出了根據臨界轟燃燃燒速率預測轟燃的方法,并推導出經驗公式。牛少偉[5]在前人的基礎上提出發生轟燃的又一判據,火災時室內其他可燃物熱解產生的可燃揮發成分迅速和空氣混合,達到其著火濃度下限且接觸到超過可燃物自燃點的高溫煙氣層。王伯牙等[6]綜述了轟燃發生的成因及臨界條件,總結了目前描述轟燃發生的臨界條件的參數有熱通量、房間內的溫度、燃料的燃燒速率、室內體積燃空比(室內可燃氣和空氣的體積比)等。韋善陽等[7]利用突變理論結合數值模擬軟件量化分析受限空間內火災發展過程中的轟燃臨界值。驗證了達到轟燃的溫度臨界值,并且理論與模擬結果一致,還證明了轟燃現象與外界風的關聯性不大。KLOPOVIC等[8]在尺寸為 5.3 m×3.6 m×2.4 m 的燃燒室中研究了通風條件對轟燃的影響,研究結果表明燃燒室頂棚溫度達到530 ℃左右時能夠引發轟燃,此后溫度會急劇上升,為避免火災發展至轟燃,應關注熱輻射的變化。

綜上,當前研究主要集中在轟燃發現的臨界條件以及通風等外界條件對轟燃發生的影響。故以受限空間理論為基礎,對典型集裝箱碼頭的貨物集裝箱進行火災模擬研究,建立集裝箱FDS模型,通過設定不同的火災場景,探究火源功率和開口大小對集裝箱火災的燃燒過程及特殊燃燒行為的影響。用數值模擬的方式探究集裝箱發生火災時是否會造成轟燃現象以及造成轟燃的臨界條件,以期對集裝箱火災救援及集裝箱碼頭的消防管理提供理論指導。

1 模型建立及工況設定

1.1 物理模型建立及初始參數設置

1.1.1 FDS模型建立

典型集裝箱主要分為兩個型號:20 ft和40 ft標準集裝箱,其尺寸及容量如表1所示。

表1 集裝箱結構尺寸

為驗證FDS模擬集裝箱火災的準確性,模擬采用的集裝箱物理模型的尺寸與現有集裝箱一致。采用鋼制集裝箱,木質底板,尺寸為12.0 m(長)×2.4 m(寬)×2.4 m(高),集裝箱相關尺寸如圖1所示,簡化的FDS模型如圖2所示。

圖1 全尺寸實驗集裝箱示意圖

圖2 FDS模型示意圖

1.1.2 測點設置情況

集裝箱內共設17個熱電偶監測點、22個熱輻射監測點,具體布置位置如圖3～圖4所示?；鹪瓷戏?.8 m處設一個熱電偶,距地面1.4 m處、頂棚內外貼壁每隔1.5 m處設一個熱電偶,以測量集裝箱內溫度變化。

圖3 溫度監測位置布置圖

圖4 熱輻射監測點位置示意圖

1.2 模擬工況設定

主要模擬不同開口方式下,不同火源功率的集裝箱火災燃燒特性,模擬過程中設定火災類型為超快速t2火[9],火災增長速率為0.187 6 kW/s2,火源位置為集裝箱中部,火源尺寸為1.0 m×1.0 m,設定火源功率分別為2.00 MW、2.50 MW、3.00 MW、3.75 MW、4.00 MW、4.50 MW、5.00 MW;開口方式設定為箱門全開和箱門半開,共設定9種不同的工況,具體如表2所示。設定環境溫度為20℃,濕度為40%,風速為0 m/s。

表2 火災模擬工況設定

2.3 網格敏感性分析

在場模擬方法中FDS以網格作為最小計算單位,網格的大小決定了模型內部偏微分方程在空間上的精度,良好的網格劃分能得到較準確的計算結果。理論上,網格劃分越細,計算結果越精確。而一個計算模型通常有數十萬甚至數百萬的網格,以及成千上萬個時間步長。因此,需要結合計算機的性能和對計算時間的控制,在模型精度和計算時間之間取平衡點。

FDS 用戶手冊引入火源特征直徑D*與單位網格的公稱尺寸δx的相對大小D*/δx來衡量網格質量的好壞,D*/δx越大表示丈量火源尺寸的網格數量越多,網格質量越好[10-11]。D*的計算公式如式(1)所示。

(1)

式中:Q為熱釋放速率;ρ0為環境空氣密度;T0為環境溫度;cp為定壓比熱;g表示重力加速度,取9.8 m/s2。

FDS用戶手冊中指出模型建立時,網格尺寸宜控制在0.06D*～0.25D*范圍內,具體如表3所示。

表3 火源特征直徑計算表

設定網格尺寸為0.2 m×0.2 m×0.2 m,所有工況中,火災規模處于0.625～10.000 MW之間,網格尺寸小于0.25D*,因此,網格選取較為合理,能有效保證計算結果的精度及準確性。

2 模擬結果分析

2.1 轟燃發生判定依據

目前得到廣泛認可的轟燃判據主要包括溫度判據和熱流判據[12]:①集裝箱內部接近頂棚熱煙氣溫度超過600 ℃;②集裝箱內部地板平面輻射熱通量超過20 kW/m2。

相關研究表明,可采用轟燃所需最小釋熱速率預測轟燃,并提出不同的計算最小轟燃釋熱速率的經驗公式,如THOMAS[13]提出的公式(2)和BABRAUSKAS[14]提出的公式(3)。

(2)

(3)

式中:Qmin為最小轟燃釋熱速率;W0和H0分別為通風口寬度和高度;AT為房間內表面總面積。

2.2 箱門全開時不同火源功率對轟燃發生的影響

2.2.1 集裝箱內溫度場變化情況

為了對比火源功率對集裝箱發生轟燃火災的影響,設定2.0 MW、30.0 MW、4.0 MW、5.0 MW共4種不同的火源功率,通過對比不同位置的溫度場變化和輻射影響[15-16],根據轟燃判定公式來判斷是否發生轟燃。模擬過程中測定了火源上方0.8 m處的溫度變化情況,發現其溫度變化與火源功率變化情況關系不大,這是由于各工況條件下,0.8 m處測點均處于火焰中,在火源的炙烤下,測點溫度持續保持高溫,該測點的溫度隨火源功率的變化較小。

各工況下不同位置的溫度平均值和最高值如表4所示,1～16號測點的溫度變化情況如圖5所示。由表4和圖5可知,1.4 m高度處測點溫度隨著火源功率的增大而升高。頂棚區域溫度方面,測點13位于火源正上方,溫度最高;測點14～16溫度明顯低于測點9～12,其最高溫度均不超過600 ℃。

圖5 不同位置溫度監測值

表4 火源中心垂直方向測點溫度值

2.2.2 集裝箱內熱輻射場變化情況

(1)箱體底部不同位置熱輻射影響。箱體內底部熱輻射曲線如圖6所示,可知火源規模越大,集裝箱底面所受到的熱輻射越強,當火源功率達到5.0 MW時,其集裝箱內部分測點的熱輻射強度超過10 kW/m2,未超過轟燃臨界值20 kW/m2。

圖6 集裝箱內部不同位置熱輻射值

(2)箱體頂部不同位置的熱輻射影響。集裝箱頂棚處熱輻射監測曲線如圖7所示,可知隨火源功率的增大,該測點的熱輻射強度也隨之增大,當火源功率達到5 kW/m2時,頂部區域的最大熱輻射強度約為70 kW/m2,能夠引燃的集裝箱內其他可燃物。

圖7 集裝箱外側不同位置熱輻射值

(3)箱體開口位置的熱輻射影響。集裝箱外側各測點的熱輻射情況如圖8所示,對于集裝箱開口一側不同位置的熱輻射強度,相同位置測點,火源功率越大,其受到的熱輻射影響越強,當火源功率達到5 MW后,距箱門水平距離為1 m處的測點熱輻射強度超過10 kW/m2。

圖8 集裝箱外側不同位置熱輻射值

2.3 箱門半開時火源功率對轟燃行為的影響

2.3.1 集裝箱內溫度場變化情況

對于火源正上方0.8 m處的測點溫度,隨著火源功率的增大,集裝箱頂部的煙氣層厚度也隨之增加,隨著煙氣層往下沉降,火焰高度隨之降低,導致0.8 m測點位置的溫度也隨著不斷降低。集裝箱箱門半開時,火源上方0.8 m處的溫度變化情況,且當火源功率小于3.75 MW時,除火源正上方外,其他區域各測點的頂棚溫度處于400 ℃～600 ℃之間。當火源功率大于3.75 MW時,頂棚部分區域的溫度超過600 ℃。

火源中心垂直方向的各測點溫度值如表5所示,不同位置的溫度監測值如圖9所示。通過對比5個工況的溫度場情況發現,對于靠近開口一側區域,火源功率越大,其內部空間溫度越高。隨著火源功率的不斷增大,燃燒所需的氧氣也隨之增加,由于火源內側區域不能及時補充新鮮空氣,且大量煙氣在端部蓄積沉降,因此,該區域溫度相對來說低于火源外側的溫度。

圖9 不同位置溫度監測值

表5 火源中心垂直方向測點溫度值

3.3.2 集裝箱內熱輻射場變化情況

(1)箱體內部不同位置熱輻射影響。集裝箱內各測點的溫度曲線如圖10所示,可知隨著火源功率的增大,該測點的熱輻射強度也隨之增大,當熱輻射強度達到10 kW/m2時,可引燃集裝箱底部紙質包裝材料等物質。

圖10 集裝箱內部不同位置熱輻射值

(2)箱體開口位置的熱輻射影響。集裝箱外各測點的溫度曲線如圖11所示,可知對于集裝箱開口一側不同位置的熱輻射強度,相同位置測點,火源功率越大,受到的熱輻射影響越強,當火源功率達到5.00 MW后,距箱門水平距離1 m處的測點熱輻射強度超過10 kW/m2。

圖11 集裝箱外側不同位置熱輻射值

4 不同場景發生轟燃情況

設定模擬的集裝箱尺寸為12.0 m×2.4 m×2.4 m,在模擬過程中,設定開口為一端箱門全部開啟,其開口尺寸為2.2 m×2.4 m。故集裝箱的轟燃的最小熱釋放速率計算如表6所示。根據文獻[13]的計算結果,當一端箱門開啟時,在尺寸為12.0 m×2.4 m×2.4 m的集裝箱內發生轟燃的最小熱釋放速率不小于2 165 kW;當一端箱門僅開啟一扇箱門時,其發生轟燃的最小熱釋放速率不小于1 352 kW。根據文獻[14]計算結果,當一端箱門開啟時,在尺寸為12.0 m×2.4 m×2.4 m的集裝箱內發生轟燃的最小熱釋放速率不小于6 692 kW;當一端箱門僅開啟一扇箱門時,其發生轟燃的最小熱釋放速率不小于3 346 kW。

表6 火災場景下發生轟燃情況對比

由表6可知,文獻[13]中當一端箱門全開時,火源功率超過2.10 MW時即可發生轟燃,箱門僅打開一半時火源功率超過1.30 MW時即可發生轟燃;而由文獻[14]的結果可知,當集裝箱一端箱門全開時,其最小熱釋放速率應為6 692 kW,這與模擬結果也較為吻合。從模擬結果中可知,一端箱門全開、火源功率小于5.00MW的火災規模的模擬工況下,均未發生轟燃現象。結合模擬結果發現依據文獻[14]的理論計算結果與模擬結果更接近。

當一扇箱門開啟(開口尺寸為2.4 m×1.2 m)條件下,對各工況模擬結果進行分析可知,火災規模小于3.75 MW的工況均未達到轟燃判定的條件;當火源功率達到3.75 MW時,其頂棚溫度超過600 ℃,集裝箱內地面熱輻射強度最大值約為10 kW/m2,且集裝箱內充滿火源且火焰通過開口噴出,集裝箱內部的可燃物被引燃,結合上述相關判據,該工況中發生了轟燃現象。當火源功率增大到5.0 MW時,根據模擬結果顯示各工況發生了轟燃。

5 結論

利用FDS模擬對集裝箱火災進行模擬,通過設置不同火源功率、不同開口方式的模擬工況,對各模擬工況下不同測點的熱通量和溫度進行對比分析,結果表明:①火源功率為3.00 MW,集裝箱箱門全開時,對內頂棚處溫度影響不大,但對距火源0.8 m和1.4 m處測點的溫度影響較大,分別比箱門半開時高出49 ℃和53 ℃,;火源功率為5.00 MW時,集裝箱箱門開放程度對內頂棚和距火源1.4 m處溫度影響較大,其溫度分別比箱門半開時的溫度高出129 ℃和248 ℃,而對距火源0.8 m處測點的影響較小;②箱門全開時,火源功率越大,測點的熱輻射強度越大,且集裝箱外側各測點熱輻射值均高于集裝箱內部,最高能達到75 kW/m2;箱門半開時,熱輻射通量反而下降,且內部值與外部值相差不大。③分別使用文獻[13]和文獻[14]的公式計算了相同工況下是否發生轟燃,并與模擬結果進行對比,發現V.Babrauskas公式更接近模擬結果,且當箱門全開時,集裝箱不會發生轟燃,而箱門半開時,火源功率為3.75 MW時就會發生轟燃。