曹雅婷 高月
（安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南 232001）
【摘要】本文为了研究不同类型的易燃液体槽罐车火灾的影响范围，利用Fire Dynamics Simulator（FDS）软件，以不同场景下的槽罐车火灾为研究对象，分析了易燃液体槽罐车火灾的原因和种类。对装有易燃液体的槽罐车的罐内池火灾和罐外池火灾进行数值模拟，通过对火场特征参数的研究，得出无风和有风情况下，槽罐车火灾对周围人员和物体的热辐射影响，并与经验模型进行比较。以热通量准则作为判断标准，确定火灾事故的影响区域。结果表明，罐外池火灾比罐内池火灾造成的影响范围更大；有风时，下风向目标处所受热辐射显著提高；无风罐内池火灾场景中，罐壁的遮挡效应对近火源处的温度和热辐射有影响。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 槽罐车；池火；热辐射；数值模拟
Numerical Simulation of Tanker Fire at Different Scenarios
CAO Ya-ting GAO Yue
(School of Energy and Safety, Anhui University of science & Technology, Huainan Anhui 232001, China)
【Abstract】This paper presents a study of the tanker fire at different scenarios based on the Fire Dynamics Simulator (FDS) software. In order to study the effect range of different types of flammable liquid tank fire, reasons and types of flammable liquid fires of tanker have been analyzed based on different scenarios of tanker fire as object of study. Through taking numerical simulation of pool fires inside or outside of the tanker which containing flammable liquids, thermal radiation effected on persons and objects around the fired tanker under windless and windy conditions has been derived from the fire characteristic parameters and compared with the empirical model. The division of dangerous area has also been discussed based on heat flux guidelines as criteria. The simulation results show that influence area of pool fire outside of the tanker is greater than influence area of pool fire in the tanker; in windy condition, the thermal radiation received by the target located at the downwind direction has significantly increased; in the scene of windless pool fire in tanker, the shielding effect of tank wall has effect on temperature and heat radiation near the fire source. The results can provide reference for prevention and control of tanker fire accident.
【Key words】Tanker; Pool fire; Thermal radiation; Numerical simulation
0 引言
化工产品的运输是企业生产不可缺少的环节，每一天都有大量的车辆在运输危险化学物品，其中就包括槽罐车对易燃液体的运输。在运输过程中，易燃液体的意外泄漏和起火经常会引起一系列的灾难性事件，造成运输路线周围的人员伤亡和财产损失[1]。因此，对槽罐车在运输易燃液体时发生的火灾事故的场景和危害进行研究具有现实意义。
不同的原因和环境条件可以导致不同种类的槽罐车火灾，其表现的火灾特征也有显著的不同。随着计算机模拟技术成熟而发展起来的数值模拟和模型实验相比具有很大的优越性。利用Fire Dynamics Simulator (FDS)软件，以不同场景下的槽罐车火灾为研究对象，通过对火场特征参数进行分析，得出无风和有风情况下，槽罐车火灾对周围人员和物体的热辐射影响，确定火灾事故的影响区域，可以为槽罐车火灾事故的预防、控制提供参考。
1 火灾场景分析
对易燃液体的公路运输，通常采用槽罐车运输的方式。槽罐车的火灾和工厂中储罐的火灾都可以看作是开放空间中的易燃液体火灾[2]。然而，槽罐车火灾有大型储罐火灾不具备的特殊特性。由于易燃液体的固有性质，生产、储存、使用这些物质的企业一般都会在选址过程将工厂建在周围人员较少的偏远地区，并且通过设置防火堤、增加安全距离等方式对储罐火灾的风险进行有效控制。和工厂内固定的储罐相比，在对易燃液体进行运输时，槽罐车的路线受公路路网的限制，有时会非常接近甚至穿过居民的活动区域[3]。槽罐车发生火灾事故时周围的人员和财产分布状况是无法预测的。
导致槽罐车火灾事故的原因是多方面的。首先，易燃液体闪点低，容易被点燃，在运输和装卸过程中，易产生静电积聚，产生电火花。其次，槽罐车本身重心较高，罐内液体在汽车转弯、刹车时会发生晃动，影响车辆稳定性。再加上运输线路较长，车辆较多，多变的天气和路面状况使槽罐车容易发生交通事故，与其它车辆相撞或侧翻，导致易燃液体泄漏、溅洒。车上人员和装卸人员缺乏安全意识、违规操作，在遇到液体泄漏或着火的情况时也无法进行正确及时的应急处置，加大了槽罐车火灾事故的严重程度。
起火原因和环境的不同，可以导致不同种类的池火灾。如果易燃液体被碰撞导致的电火花点燃，产生的巨大热量会使易燃液体上方的空气迅速膨胀，巨大的压力会破坏槽罐车罐体，继而使燃烧暴露于开放环境之内，形成罐内池火灾。当槽罐车发生侧翻时，易燃液体会从罐体破损处泄漏溅洒出去。泄漏后的液体受到地形或障碍物的限制形成液池。当液池遇点火源被引燃时，就形成了罐外池火。这两种场景都是开放空间环境中的池火灾，液池在燃烧时可以得到充足的空气供应，燃烧产生的烟气可以自由扩散，热辐射是造成人员损伤的首要机制。
2 火灾模型的建立
2.1 计算场景
罐体内直接起火和泄漏后形成液池起火是槽罐车火灾的两种基本形式。罐体内直接起火的情况下，液池面积受罐体体积和截面积的限制，且有罐壁的阻挡作用，燃烧的表面距地面有一定高度。泄漏形成的液池是非受限的，液池面积受泄漏量、地面种类以及地形的限制，同时还与起火时间有关。本文假设槽罐车内的易燃液体是庚烷，分别在无风和有风的条件下对罐内火灾和罐外火灾这两种场景进行模拟：
场景一，罐内火灾：槽罐车内部的庚烷由于碰撞、电火花等原因被引燃，着火后罐顶被直接掀翻，庚烷暴露在空气中，形成油罐全面积池火。由于燃烧的主体是罐体内的庚烷，车头以及支撑槽罐的车架对火灾特性相关参数影响较小，模拟中只对罐体建模，液池面积相当于罐内液体的上表面面积。
场景二，罐外火灾：槽罐车行驶过程中出现交通事故，发生侧翻，罐体破裂，罐内庚烷泄漏后沿地面扩散，形成液池。精确地确定起火时液池面积在实际运用中有困难，根据不同资料中的公式非受限液池面积的变动范围很大，考虑实际情景中地形的限制，假定液池面积达到100m2时，遇引火源被点燃。
2.2 火源设定
FDS可以通过为燃烧表面指定一个固定的单位面积热释放速率来设定火源。
庚烷的单位面积热释放速率可以由下式确定[4]
q=Δhcmf(1-e-kβD)
q——单位面积热释放速率
Δhc——燃烧热，kJ/kg
mf——液体的最大燃烧速率，kg/(m2·s)
k——火焰的吸收衰减系数，m-1
β——平均光线长度校正系数
D——燃烧表面的直径，m
相关文献给出的庚烷相关参数如表1所示[5]
对于非圆形的燃烧表面，D可以由当量直径代替，场景一与场景二的直径分别为3.91m和11.28m。计算得出的场景一与场景二的单位面积热释放速率为4423.6kW/m2和4484.4kW/m2。
2.3 FDS模拟相关参数确定
FDS模拟中需要设定模拟区域，网格数，物体大小、位置，材料属性等相关参数，还需要对各个物体和网格设定边界条件。无风条件下，除地面外其它5个边界都设为OPEN。通过设置边界条件可以模拟出风速不为0的场景。本文中，根据某市年平均风速，设定风速为2.9m/s，方向恒定。两种场景的FDS参数设定如表2。模拟时间均为120s。
3 数值模拟结果与分析
3.1 火焰几何参数
FDS模拟得到的火焰高度及由经验公式得出的火焰高度如表3[6-7]。开放空间中的大尺寸易燃液体火灾与普通稳态燃烧不同，它的火焰会呈现周期性地波动。在FDS模拟中也可以观察到火焰的抖动现象。利用火焰中心位置的单位体积热释放率切片文件判断火焰高度，可以看出，无风时，罐外池火的底部直径更大，火焰高度也更高。将火焰形状等效为圆柱体，罐外池火的体积约为罐内池火的18倍。
3.2 火场温度
图1和图2分别为罐内火灾和罐外火灾的火焰温度切片文件。无风时罐内池火和罐外池火的最高温度分别为965℃和1000℃，两者差别不大。高温集中在火焰的1/3处，燃料表面部分由于氧气浓度较低，导致不完全燃烧，因此温度相对较低。而火焰上部，由于大尺寸池火燃烧的紊流现象，导致了高温区不连续。在火焰直径较大的罐外池火灾中这种现象更为明显。
以人眼的特征高度为基准将热电偶分别布置在高为1.5m的顺风和逆风位置，同一方向测点间间隔为1m。模拟结果表明测点的温度基本随与火源距离的增大而减小。其中，罐外池火测得的最高温度是418.2℃，而罐内池火由于罐壁的遮挡作用，温度随距离呈现先上升后下降的现象，测点的最高温度为76.1℃。
3.3 火灾辐射
图3和图4显示的是水平方向上目标点的热辐射强度的数值模拟结果以及经验公式计算结果[8-9]。可以看出，随着距离增加，目标处所受热辐射迅速减小，无风状况下，模拟结果与经验公式能够较好的相符。罐外池火对周围的热辐射要明显高于罐内池火。罐内火灾中热辐射最大值没有出现在距储罐最近的测点上，这主要是罐壁上沿部分的遮挡作用导致的，这与温度上出现的先升高后下降现象也表现一致。
从上下风向与无风状况的对比可知，有风时，各测点所受辐射强度相比无风时有所都提高。下风方向和上风方向相比，测得的最大辐射强度有了显著的提高，罐内火灾中，上下风向测得最大辐射强度相差了20kW/m2，在罐外火灾中，更是达到了60kW/m2。随着水平方向上与火源中心距离的增长，上下风向相同距离测得的热辐射强度的差距逐渐减小，并且与无风情况下的热辐射强度基本一致，证明风速对火焰的热辐射传播的影响作用随水平距离的增加而减小，在相对远的距离上这种影响已经很微小。
3.4 安全距离
大尺寸开放空间的易燃液体池火的首要伤害机制就是热辐射。热辐射可以造成设备损坏，引起人员伤亡，不同热辐射造成的损害如表4所示[10]。如果以表4内所示的热通量准则作为判断标准来确定槽罐车火灾的影响范围，那么从FDS模拟结果可以得出如表5所示的死亡（37.5kW/m2）、重伤（25kW/m2）、轻伤（12.5kW/m2）半径。
从模拟结果可以看出，罐外火灾比罐内火灾的破坏范围更大，有风时的影响范围比无风时的影响范围更大。危害最小的情况是无风时的罐内池火，其产生的热辐射只会在一定水平范围内引起人的轻伤，而影响最大的是罐外池火造成的对下风方向目标的伤害，在一定范围内已经可以造成人员死亡。造成这种情况的原因主要是，虽然易燃液体的总量一致，但泄漏导致易燃液体的表面积增大，产生的池火火焰直径就更大，总辐射量就随之增大。以人的特征高度1.5m进行分析，罐外火灾发生在高度相当于0m的地面上，而罐内火灾发生时燃烧面的高度在2m左右，由于火焰的热量是伴随着热烟羽向上运动的，因此位于火源面以下受到罐壁遮挡的人体的热量明显少于暴露在火羽流侧旁的热量，这种效果在有风的时候更为明显。因此，在槽罐车火灾事故现场中要特别注意下风方向人员的防护。
4 结论
通过对不同事故场景下的槽罐车火灾进行数值模拟与分析，可以得出以下结论：
（1）槽罐车火灾产生的热辐射对周边人员的生命安全构成威胁，和工厂内储罐火灾相比，它发生的原因、时间、地点更加具有不确定性，火灾类型更加多样。
（2）对比热通量伤害准则，侧翻、泄漏、溅洒导致的罐外火灾的影响范围比罐内火灾的影响范围更大；有风时下风向目标处的热辐射有明显的增加。
（3）在人体特征高度1.5m处，温度、热辐射强度随与火源中心距离的增加而增加；无风情况下，由于罐壁的遮挡效应，和距离罐壁较远处相比，在靠近罐壁有减小的现象。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献
［1］闫利勇,陈勇光.危险化学品公路运输事故新特点及对策研究[J].中国安全生产科学技术,2010,6(4):65-70.
［2］贾玉莲.油罐车火灾的数值模拟[D].太原:中北大学,2010.
［3］Paltrinieri N, Landucci G, Molag M, et al. Risk reduction in road and rail LPG transportation by passive fire protection[J]. Journal of hazardous materials,2009,167(1):332-344.
［4］Zabetakis M G, Burgess D S. Research on hazards associated with production and handling of liquid hydrogen.[Fire hazards and formation of shock-sensitive condensed mixtures][R]. Bureau of Mines, Washington, DC (USA),1961.
［5］DiNenno P J. SFPE handbook of fire protection engineering[M]. SFPE, 2008.
［6］Thomas P H. The size of flames from natural fires[C]//Symposium (International) on Combustion. Elsevier, 1963,9(1):844-859.
［7］Heskestad G. Luminous heights of turbulent diffusion flames[J]. Fire Safety Journal, 1983,5(2):103-108.
［8］Shokri M, Beyler C L. Radiation from large pool fires[J]. Journal of Fire Protection Engineering, 1989,1(4):141-149.
［9］Mudan K S. Thermal radiation hazards from hydrocarbon pool fires[J]. Progress in energy and combustion science, 1984,10(1):59-80.
［10］蒋军成.事故调查与分析技术[M].北京:化学工业出版社,2004.
［责任编辑：汤静］