室內(nèi)火災(zāi)旋轉(zhuǎn)火焰燃燒特性實(shí)驗(yàn)研究

●崔曉星

(寧波市消防支隊(duì)，浙江 寧波 315000)

0 引言

旋轉(zhuǎn)火焰是燃料燃燒所形成的火焰的一種特殊存在方式。在火焰運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，它不僅具有水平方向的旋轉(zhuǎn)速度，且還具有向上運(yùn)動(dòng)的羽流速度[1－2]。國(guó)外對(duì)于旋轉(zhuǎn)火焰的研究工作始于20世紀(jì)60年代，絕大部分研究工作著眼于森林火災(zāi)中的大型旋轉(zhuǎn)火焰現(xiàn)象，也即人們通常所說(shuō)的火旋風(fēng)現(xiàn)象[3－4]。對(duì)旋轉(zhuǎn)火焰的研究仍局限于小型旋轉(zhuǎn)火焰的重現(xiàn)及對(duì)火焰本身的模擬，且對(duì)周圍條件的假設(shè)過(guò)于理想化[5－7]。實(shí)際中，旋轉(zhuǎn)火焰在火災(zāi)中的行為與單純的產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的火焰有很大區(qū)別，與傳統(tǒng)意義上的火旋風(fēng)也大不相同，因此科學(xué)地認(rèn)識(shí)這些行為對(duì)性能化防火分析與設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及條件設(shè)置

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及燃燒源設(shè)置

實(shí)驗(yàn)選取煤油作為燃料。實(shí)驗(yàn)的主要裝置是SNHZ－01實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由火災(zāi)實(shí)驗(yàn)箱、火災(zāi)數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)和上位機(jī)等部分組成?；馂?zāi)實(shí)驗(yàn)箱呈長(zhǎng)方體，其外部尺寸為長(zhǎng)0.68m、寬0.42m、高 0.42m。頂棚處開設(shè)天窗，開口面積可變。燃燒池位于箱內(nèi)地板中心點(diǎn)上方20mm處，下有金屬托盤，如圖1所示。溫度檢測(cè)系統(tǒng)主要由熱電偶和多路火災(zāi)信號(hào)檢測(cè)儀組成，熱電偶排布情況見圖1。熱通量測(cè)量系統(tǒng)主要由兩個(gè)連接火災(zāi)多路信號(hào)檢測(cè)儀的輻射熱流計(jì)和計(jì)算器組成。為了檢測(cè)箱內(nèi)地板處的輻射熱流量，在地板上距離短邊0.20m處設(shè)置一個(gè)熱流計(jì)(見圖1)。質(zhì)量損失測(cè)量系統(tǒng)由電子天平和電子打印機(jī)組成。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要設(shè)置一定的時(shí)間間隔，實(shí)時(shí)測(cè)量燃料質(zhì)量的變化數(shù)據(jù)，用以計(jì)算質(zhì)量損失速率。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，熱電偶、輻射熱流計(jì)分別實(shí)時(shí)測(cè)量實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)各測(cè)試點(diǎn)的溫度、地板處的輻射熱通量等參數(shù)，并通過(guò)火災(zāi)信號(hào)檢測(cè)儀同步記錄到與之相連的上位機(jī)內(nèi)，保證測(cè)得的溫度值與輻射熱通量值在時(shí)間上同步;電子天平置于燃料托盤下，根據(jù)設(shè)置的時(shí)間間隔測(cè)量出燃料的質(zhì)量變化，由電子打印機(jī)輸出相關(guān)數(shù)據(jù)，手工輸入到上位機(jī)內(nèi)以便進(jìn)行差值計(jì)算，因此溫度變化與質(zhì)量損失速率之間的同步性需要人為控制。

圖1 實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)實(shí)驗(yàn)器件布置情況

1.2 房間結(jié)構(gòu)

房間結(jié)構(gòu)采用兩種形式:一是軸對(duì)稱雙門式房間結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示。房間的前后寬墻上各設(shè)一高、寬均可調(diào)節(jié)的全敞開門，分別位于前后墻的左右兩端，這樣的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)使氣流從火焰的兩側(cè)切向卷入，更有利于形成旋轉(zhuǎn)火焰。二是單側(cè)雙門式房間結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示。該結(jié)構(gòu)改變了卷吸氣流進(jìn)入燃燒區(qū)域的方向從而阻止火焰的旋轉(zhuǎn)，繼而形成了相似條件下的非旋轉(zhuǎn)火焰。在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，兩種房間結(jié)構(gòu)形式的頂棚通風(fēng)口面積、燃料盤大小以及門寬、門高均相同，即通風(fēng)因子完全一致，以研究旋轉(zhuǎn)火焰與非旋轉(zhuǎn)火焰對(duì)室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展過(guò)程的不同影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述

圖2 雙門式房間結(jié)構(gòu)示意圖

燃料在最初引燃時(shí)，燃燒面積較小，隨著火焰對(duì)油品的加熱作用，液面溫度不斷升高，火焰很快蔓延至整個(gè)燃料表面。一段時(shí)間后，火羽開始發(fā)展，在整個(gè)房間上部形成了熱煙氣層，同時(shí)通過(guò)天花板上的通風(fēng)口流出房間。隨后火羽變得不穩(wěn)定并開始旋轉(zhuǎn)，火焰根部變細(xì)，燃燒強(qiáng)化，火焰由于旋轉(zhuǎn)而顯著變長(zhǎng)，所以通過(guò)天花板通風(fēng)口可以看到火焰;一旦火焰高度超過(guò)墻，旋渦中心就開始被破壞。一段時(shí)間以后，旋轉(zhuǎn)火焰變得不穩(wěn)定，旋轉(zhuǎn)中心發(fā)生飄移，整個(gè)火焰柱在自旋同時(shí)沿燃料盤邊緣移動(dòng);然后火焰的旋轉(zhuǎn)減弱，高度降低，變成普通的獨(dú)立式池火。然后自行重復(fù)循環(huán)，形成新的旋轉(zhuǎn)火焰，循環(huán)一直重復(fù)直到池中燃料燃盡。

在一個(gè)浮力火焰或火羽中，浮力促成了火焰區(qū)域內(nèi)部流體的垂直加速度，也就形成了初始的非零渦度。由于離心力湍流穩(wěn)定性的特征，非零渦度的形成導(dǎo)致了燃料和卷入空氣的紊流攪拌速度的降低，反應(yīng)物低強(qiáng)度的混合要求更大的火焰表面和更長(zhǎng)的火焰長(zhǎng)度，因此形成了旋轉(zhuǎn)火焰顯著增長(zhǎng)的現(xiàn)象。

2.2 旋轉(zhuǎn)與非旋轉(zhuǎn)火焰火災(zāi)參數(shù)比較

在如圖2結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)箱中分別模擬旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)火焰。在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，兩房間的頂棚通風(fēng)口面積取841cm2，占地板面積的30%;選取中等尺寸，即面積為100cm2的燃料盤;門寬14.8cm、高22.5cm。在其他條件相同的前提下，通過(guò)改變卷吸氣流的進(jìn)入方向來(lái)研究火焰的旋轉(zhuǎn)本身對(duì)室內(nèi)火災(zāi)各參數(shù)的影響。

2.2.1 煙氣層溫度

由圖3和表1可以看出，由于旋轉(zhuǎn)火焰的作用，室內(nèi)火災(zāi)熱煙氣層溫度的均值以及峰值均有了較大幅度的提高，且峰值出現(xiàn)時(shí)間提前，燃燒時(shí)間縮短了近200s。其中，溫度峰值提高了21.61%，而均值則提高了36.12%。

2.2.2 煙氣層升溫速率

由圖4和表2可以看出，由于旋轉(zhuǎn)火焰的作用，室內(nèi)火災(zāi)熱煙氣層升溫速率明顯加快，升溫段時(shí)間變短，升溫速率的均值以及峰值均有了較大幅度的提高，且峰值出現(xiàn)時(shí)間提前。其中，峰值提高了28.32%，而均值則提高了103.13%。

圖3 兩種火焰熱煙氣層溫度比較圖

表1 火焰熱煙氣層溫度比較

圖4 兩種火焰熱煙氣層升溫速率比較圖

表2 火焰熱煙氣層升溫速率比較

2.2.3 燃燒速率

由圖5和表3可以看出，由于旋轉(zhuǎn)火焰的作用，燃料燃燒速率的均值以及峰值均有所提高，且峰值出現(xiàn)時(shí)間提前。其中，均值提高了66.67%，峰值則提高了33.33%，峰值出現(xiàn)時(shí)間卻大幅提前，差值百分比為60%。

2.2.4 地面輻射熱通量

由圖6和表4可以看出，旋轉(zhuǎn)火焰與非旋轉(zhuǎn)火焰相比，地面輻射熱通量的均值以及峰值均有了較大幅度的提高。溫度峰值提高了68.75%，峰值出現(xiàn)時(shí)間提前了44%，而均值則提高了 70.83%。

圖5 兩種火焰燃燒速率比較圖

表3 火焰燃燒速率比較

圖6 兩種火焰地面輻射熱通量比較圖

表4 火焰地面輻射熱通量比較

上述實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果表明，火焰的旋轉(zhuǎn)使燃料的燃燒速度和升溫速率顯著加快，房間上部熱煙氣的溫度和地面的輻射熱通量值都大幅升高，火災(zāi)危險(xiǎn)性加大。從流體力學(xué)的角度解釋，流體的旋轉(zhuǎn)加大了火焰表面與新鮮空氣接觸的面積，加強(qiáng)了空氣進(jìn)入燃料表面上方的燃料密集區(qū)，這就加強(qiáng)了這一區(qū)域反應(yīng)物的混合，也就加快了反應(yīng)速率，進(jìn)而引起了熱煙氣溫度、升溫速率和地面輻射熱通量的增大，給火災(zāi)中人員的疏散和財(cái)產(chǎn)的保護(hù)帶來(lái)了極大的困難。

3 結(jié)論

3.1 與以往對(duì)大型旋轉(zhuǎn)火焰——火旋風(fēng)的研究不同，本文對(duì)中型旋轉(zhuǎn)火焰，即發(fā)生在房間尺寸的旋轉(zhuǎn)火焰進(jìn)行了研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)在小尺寸房間中重現(xiàn)了火焰的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象;并在沒有外部鼓風(fēng)的情況下，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)火焰的自發(fā)產(chǎn)生。

3.2 運(yùn)用小尺寸實(shí)驗(yàn)方法對(duì)室內(nèi)火災(zāi)的旋轉(zhuǎn)火焰現(xiàn)象進(jìn)行了描述。觀察到旋轉(zhuǎn)火焰具有自旋、根部變細(xì)、焰柱增長(zhǎng)和旋轉(zhuǎn)中心飄移等特征;并直觀展示了旋轉(zhuǎn)火焰的形成、自旋、中心飄移和消失的周期運(yùn)動(dòng)全過(guò)程。

3.3 在通風(fēng)因子相同的前提下，構(gòu)建了軸對(duì)稱雙門式和同側(cè)雙門式兩種房間結(jié)構(gòu)，分別形成了旋轉(zhuǎn)火焰與非旋轉(zhuǎn)火焰，借此研究摒除其他條件的影響后火焰的旋轉(zhuǎn)本身對(duì)各火災(zāi)參數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果表明，火焰的旋轉(zhuǎn)使燃料的燃燒速度和升溫速率顯著加快，房間上部熱煙氣的溫度和地面的輻射熱通量值都大幅升高，火災(zāi)危險(xiǎn)性加大，給火災(zāi)中人員的疏散和財(cái)產(chǎn)的保護(hù)帶來(lái)了極大的困難。

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