室內多因素條件下香煙顆粒粒譜動態(tài)分布特征

張鋮鋮，方 俊，林樹寶，江 澄，商 蕊

（中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，合肥，230026）

0 引言

火的使用是人類歷史上的一大創(chuàng)舉，但是火勢一旦失控就會危及人們生命和財產(chǎn)安全，導致災難的發(fā)生。全國每年發(fā)生火災約10萬起，其中因吸煙引起的火災約4000例左右［1］，主要原因是由于香煙未熄滅與其他可燃物接觸陰燃引起的火災。陰燃是一種無火焰、緩慢的燃燒，燃燒發(fā)生在可燃物和氧氣接觸面，香煙燃燒就是典型的陰燃現(xiàn)象。香煙陰燃時中心溫度可達700℃～800℃，表面溫度也達到300℃～400℃，遠遠高于一般可燃物的燃點。一旦香煙與周圍可燃物發(fā)生接觸，香煙的持續(xù)陰燃將引燃周圍可燃物，導致火災發(fā)生。2004年吉林中百商廈因遺留香煙造成火災發(fā)生，事故共造成54人死亡，70人受傷，直接損失400多萬元。2005年貴州巨洞村因村民吸煙引起火災，造成3人死亡，損壞房屋200余間。2006年沈陽一針織廠由未熄滅的煙蒂引燃布料發(fā)生火災，共造成9人死亡，1人受傷。同時儲存煙草的倉庫也由于煙草具有易燃、陰燃等特性，容易發(fā)生火災，如2002年天陽國際煙草火災、2003年濟南將軍卷煙廠倉庫火災等事故。

陰燃作為特殊的燃燒形式，具有潛伏時間長、不易被發(fā)現(xiàn)等特點，這就導致火災發(fā)生的初期不易被察覺，從而造成事故的發(fā)生。而煙霧顆粒是區(qū)分火災與非火災的特性之一，其中顆粒物濃度及尺寸大小是感煙探測器探測火災發(fā)生的重要參數(shù)［2－3］。同時，煙氣顆粒物粒徑的動態(tài)分布也影響人體健康，研究表明顆粒物在人體內的沉積與粒徑分布至關密切［4］，尤其現(xiàn)在許多房間內風扇、空調的使用，使室內環(huán)境變得更加復雜，顆粒物的形成和發(fā)展規(guī)律也隨之改變［5－6］。香煙陰燃過程中產(chǎn)生的煙顆粒粒徑大小和尺寸變化，影響著感煙探測器的響應時間和有效性，而這兩者是評估感煙探測器靈敏度的重要因素，因此研究香煙陰燃過程中煙顆粒的粒譜分布具有現(xiàn)實指導意義。

前人研究表明，對陰燃的研究對象主要以木屑、棉垛等為主，較少涉及到香煙的陰燃研究［7－8］，裴蓓等人對典型陰燃物質燃燒特性進行分析，發(fā)現(xiàn)含水率對燃燒特性影響較大，王進軍等人對棉垛燃燒濃度等特性進行研究，分析不同燃燒階段特性；且關于煙顆粒徑和尺寸大小的研究主要集中在標準火、明火燃燒過程中形成的煙顆粒粒譜變化［9－10］，馬綏華等人對標準火煙顆粒粒譜分布進行預測，F(xiàn)DS模擬與實驗結果一致，方俊等人對火災煙顆粒的自保尺度分布進行了分析，其余如對香煙引燃可燃物分析較多［11－12］，分析引燃現(xiàn)象過程和機理。由上可知，針對室內送風環(huán)境下香煙陰燃過程的粒譜分布研究較少，因此筆者在有風條件室內環(huán)境里進行實驗，并用DMS（快速型微粒光譜儀）采集煙顆粒的粒譜及粒徑分布，通過處理數(shù)據(jù)得到室內風速條件對香煙陰燃過程煙顆粒粒譜動態(tài)分布的影響。

煙顆粒粒徑分布、幾何平均粒徑（Geometric Mean Diameter，以下簡稱GMD）是煙顆粒的基本參數(shù)，本文擬研究不同工況（風速、位置、煙源數(shù)量、時間）下，香煙煙顆粒的凝并、沉降、粒徑分布等動力學行為特征，剖析香煙陰燃煙顆粒運動及粒徑分布規(guī)律，從而為火災探測提供科學依據(jù)。

1 實驗過程

為了更好地模擬陰燃環(huán)境，本次實驗在一個普通的辦公房間內進行，尺寸為6m×3.5m×2.9m，香煙燃燒方式為陰燃，實驗過程中產(chǎn)生熱量較小，氧氣消耗、熱量釋放很少，因此在實驗過程中可關閉門窗，以避免室外空氣對室內煙氣影響。選用DMS500快速型微粒光譜儀測得煙顆粒的粒譜分布。DMS500是納米微粒尺寸光譜儀，它利用顆粒電荷能動性進行測量，可以快速準確輸出所測微粒的尺寸大小、數(shù)量等參數(shù).其粒徑測量范圍為1nm～1000nm，響應時間200ms，可以獲取粒譜的動態(tài)分布信息。儀器提供初級稀釋，避免發(fā)生凝聚和結塊，而對高濃度氣溶膠微粒濃度時應用高稀釋比，儀器的響應時間不會降低，根據(jù)不同情況下的應用不同的稀釋器，儀器會自動修正測量的微粒濃度。為了得到在室內不同風速下粒譜的分布及顆粒的沉降變化，實驗改變輸入電壓（9V、12V）控制usb風扇風速模擬有風條件，風扇前方加穩(wěn)流裝置，使出口風速均勻，測得出口風速為3.5m／s、4.5m／s。采用KANOMAX MODEL KA12測量風速，該四通道風速儀在0m／s～9.99m／s測量范圍內，精度0.01m／s；在10m／s～50m／s，精度0.1m／s。DMS采集煙顆粒測點選擇距煙源1m、2m和3m，采集點高度1.1m。香煙燃燒高度為人體標準吸煙高度1.1m，香煙顆數(shù)分為5顆和10顆。實驗采用香煙為紅塔集團生產(chǎn)的紅梅香煙，點燃方式為直接點燃，燃燒方式為陰燃，即點燃之后讓香煙自動燃燒。通過實驗發(fā)現(xiàn)，香煙的燃燒時間為8分鐘左右，每組實驗重復三次，實驗發(fā)現(xiàn)重復性較好，各個儀器測量誤差均在5%以內。每次實驗結束通風排煙一個小時，待室內顆粒物濃度恢復正常進行下一組實驗，排除每次實驗殘余煙顆粒濃度對下一次實驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象的干擾。選擇測量時間20分鐘，實驗布置如圖1所示。

圖1 實驗布置圖Fig.1 Schematic view of the experiment device

2 結果分析

2.1 煙顆粒粒譜分布模型

通過調查文獻可知煙顆粒粒譜分布曲線粒譜符合對數(shù)正態(tài)分布［9］，并且存在著自保尺寸分布特點［10］：

準確計算某一尺寸粒譜范圍的總濃度，以粒子尺寸密度dN／dlogDp（／cc）為縱坐標，以粒子直徑DP為橫坐標，那么某一尺寸粒譜（DP1－DP2）的總濃度即為粒譜分布曲線下方的面積：

因為煙顆粒的粒譜分布符合對數(shù)正態(tài)分布，那么可以用GMD（Geometric Mean Diameter，幾何平均直徑）表示其分布特性，處理數(shù)據(jù)時，采用GMD表征顆粒物的粒譜分布特征，

通過本實驗數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)，香煙煙顆粒粒譜同樣符合對數(shù)正態(tài)分布，但隨時間變化，正態(tài)分布呈現(xiàn)其特殊的規(guī)律，如對無風條件下某1s內的粒譜數(shù)據(jù)進行分析，如圖2示。

圖2 某1s內香煙粒譜動態(tài)分布Fig.2 Particle size distribution within 1s

2.2 無風條件煙顆粒動態(tài)粒譜分析

實驗時間均為20分鐘，實驗開始之前先進行兩組無風實驗以進行對比，作為參考數(shù)據(jù)。兩組實驗煙源數(shù)分別為5顆和10顆，探點距煙源距離均為1m。對實驗數(shù)據(jù)進行分析，香煙點燃前房間初始濃度在104，香煙點燃后房間內的煙顆粒濃度平均值由104升至106或107，因此分析數(shù)據(jù)時房間內初始濃度可以忽略不計。實驗每1s采集一次數(shù)據(jù)，DMS可輸出對應微粒尺寸、個數(shù)、質量等，對測得的尺寸、濃度進行處理，得到二十分鐘內每分鐘粒譜和GMD幾何平均粒徑的變化規(guī)律如圖3和圖4所示。

圖3 無風5顆煙源動態(tài)粒譜Fig.3 Dynamic size distribution of five cigarettes without wind

圖4 無風10顆煙源動態(tài)粒譜Fig.4 Dynamic size distribution of ten cigarettes without wind

在無風條件下，顆粒的運動主要由因煙氣空氣溫差產(chǎn)生的自然對流和自身無規(guī)則運動的分子擴散主導。顆粒不斷地做無規(guī)則運動，直徑較大的顆粒由于重力作用直接沉降。中間粒徑的顆粒物主要因顆粒之間的相互碰撞、結合、擴散運動而改變運動規(guī)律。粒徑較小的顆粒物通過不斷地擴散、吸附形成中間粒徑的顆粒物，而中間粒徑顆粒物可能因為碰撞分散成小顆?；蚰⒊纱箢w粒沉降。

圖5 無風5顆、10顆香煙GMD隨時間變化Fig.5 GMD of five cigarettes and ten cigarettes without wind

由實驗數(shù)據(jù)可知，隨著時間的增加，粒譜分布發(fā)生很大的變化。由圖3、圖4可知，前八分鐘，對數(shù)正態(tài)分布曲線的峰值顯著上升，之后峰值增加速度變緩。可知隨著時間的變化小粒徑和大粒徑的顆粒物濃度逐漸降低，中間粒徑顆粒物濃度升高。通過圖5兩組實驗的GMD數(shù)據(jù)，可以推斷出煙顆粒的總體粒譜變化，計算得到前8分鐘GMD曲線斜率大于之后12分鐘的斜率。這是由于前8分鐘香煙持續(xù)在燃燒，不斷產(chǎn)生新的煙顆粒，源源不斷產(chǎn)生的煙顆粒經(jīng)歷著沉積、撞擊、凝聚等過程。燃燒結束之后的12分鐘則是剩余煙顆粒的粒譜變化過程，由于不再產(chǎn)生新的煙顆粒，所以之后粒譜的變化程度較之前明顯降低。

2.3 不同風速的煙顆粒動態(tài)粒譜

在3.5m／s和4.5m／s均勻風速下，測量點均為距離煙源點1m處，煙源數(shù)為5顆香煙、10顆香煙。采集燃燒過程中的平均數(shù)據(jù)分析粒譜分布，對全實驗過程GMD進行分析。（無特殊說明，后面均采取此種方法進行分析）實驗數(shù)據(jù)如圖6所示。

由圖6可以看出不同風速下煙源5顆和10顆時的粒譜分布。顯然，對5顆香煙和10顆香煙的顆粒譜分布來說，有風條件下的粒譜分布峰值遠遠高于無風條件下粒譜分布峰值，4.5m／s的粒譜峰值略高于3.5m／s時粒譜峰值，GMD有隨風速減小的趨勢。

由顆粒物的尺寸分布可以推斷出空氣中顆粒的運動特征，如顆粒之間的吸附、凝聚、碰撞和沉積。通過分析可以知道通風條件對顆粒的運動有很大的

圖6 不同風速下的粒譜分布Fig.6 Particles spectrum under different wind speeds

2.4 不同位置的煙顆粒動態(tài)粒譜

為分析煙顆粒在有風條件下的運動規(guī)律，及在沿著風流方向的粒譜的變化，本實驗采集了距煙源不同位置的煙顆粒粒譜分布，探點設置為分別離煙源1m、2m和3m，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理計算得到圖8和圖9。

由圖8和圖9可以看出在有風條件下，煙顆粒隨風流而遷移、擴散，煙顆粒在靠近邊界（如墻壁、影響，多數(shù)情況下風的影響是不可避免的，且受環(huán)境影響較大。例如人們的走動，門窗的開關及空調的使用等，這些因素都會導致室內氣流流動，從而影響顆粒的運動規(guī)律。無風條件下粒徑較小的煙顆粒更易吸附形成大顆粒，粒譜分布更為平穩(wěn)。而有風條件下，風速擾動了室內的氣流運動，增加了粒子之間相互碰撞幾率，大顆粒不易沉降，易碰撞分散從而粒徑減小、濃度降低，中間粒徑濃度變大，因此GMD隨著風速增加減小。

由圖7可以看出，有風條件下中間粒徑的顆粒數(shù)目急劇增多。與時間對GMD影響不同，由圖7可知有風條件下前8分鐘GMD斜率小于后12分鐘。通過分析可以知道這是由于香煙燃燒時不斷產(chǎn)生新的煙顆粒，這時風對煙顆粒的運動影響更大，擾動更強，煙顆粒的碰撞幾率增大，不易形成大顆粒。當香煙燃燒結束后，隨著時間的推移，煙顆粒隨風有一定的運動規(guī)律，容易形成大顆粒。

圖7 不同風速下的GMDFig.7 GMD under different wind speeds

由上述兩種情況的單獨全程粒譜來看，有風時的粒譜分布圖較為尖銳，無風時分布較為平緩，這是由于風破壞了顆粒的無規(guī)則運動，使顆粒分布更為集中。門、書柜等地方）無法在水平方向繼續(xù)隨風流擴散而積聚下來，此時受壁面阻礙作用，對流擴散減弱、分子擴散加強，煙霧積聚造成煙顆粒濃度增大。通過煙顆粒沿風流遷移的的顆粒濃度分析可知，在風流的作用下，隨著距離的增大煙顆粒的粒譜峰值變大，濃度增加。另一方面，分子自由擴散作用加強，粒子碰撞、凝并機會增加，造成粒子的GMD變大。

圖8 10顆煙在4.5m／s下的粒譜分布Fig.8 Particles spectrum of 10cigarette under 3.5m／s

圖9 10顆煙在4.5m／s下的GMDFig.9 Particles spectrum of 10cigarettes under 4.5m／s

2.5 不同煙源數(shù)的煙顆粒粒動態(tài)譜

為了分析煙源數(shù)對粒譜分布的影響，實驗采用不同煙源，分別為5顆煙和10顆煙，風速為4.5m／s時，數(shù)據(jù)采集點距煙源1m、2m、3m，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)計算處理得到圖10和圖11。

圖10 5顆和10顆煙在1m處粒譜分布Fig.10 Particles spectrum of 5and 10cigarettes in 1m

圖11 5顆和10顆煙在2m處粒譜分布Fig.11 Particles spectrum of 5and 10cigarettes in 2m

圖12 5顆和10顆煙在3m處粒譜分布Fig.12 Particles spectrum of 5and 10cigarettes in 3m

圖13 不同位置、煙源下的GMDFig.13 GMD of different locations and different amounts

由圖10和圖11可知，隨著煙數(shù)的增加，在1m、2m、3m下，煙顆粒的粒譜分布峰值變大，GMD變大。這是因為當煙數(shù)增加時，產(chǎn)生的煙顆粒數(shù)增加，煙顆粒濃度變大，所以粒譜分布峰值變大。隨著濃度的增加，顆粒碰撞吸附能力也提高，小粒徑顆粒形成大顆粒幾率增加 ，GMD值變大。

3 結 論

煙顆粒的運動規(guī)律與氣溶膠顆粒規(guī)律一樣，粒徑分布都受通風條件、顆粒濃度、凝結、吸附、碰撞和自身重力的影響。這些因素對顆粒的形成有著不同的影響。如由于布朗作用，粒徑很小的顆粒幾乎被消除，而在重力作用下，較大顆粒則沉降下來，且顆粒越大，沉降越容易。因此室內煙顆粒的運動和形成主要受室內氣流和自身濃度的影響。

（1）實驗所得所有數(shù)據(jù)均證實煙顆粒的粒譜分布符合對數(shù)正態(tài)分布，可以用對數(shù)正態(tài)分布公式進行擬合。計算得到的GMD數(shù)據(jù)可以更好地表征煙顆粒的粒譜分布特征。

（2）從時間對粒譜分布的影響可知，在沒有外界條件的干擾下，隨著時間的增加，煙顆粒濃度不斷進行累積，濃度增加，GMD不斷變大。可以看出隨著時間的推移，粒譜的粒徑分布和GMD隨時間變化趨勢變緩，在二十分鐘基本達到穩(wěn)態(tài)。

（3）室內氣流對香煙顆粒的形成與粒譜分布有很大影響，由于風速增大，顆粒自由擴散造成的碰撞和凝聚機會減少，煙顆粒隨風速運動速率加快，大顆粒碰撞形成小顆粒，不易進行凝聚沉積，因此數(shù)量濃度增加，而中間粒徑顆粒的增多造成GMD減小。

（4）不同位置下煙顆粒粒譜分析是在有風條件下進行的，得到的粒譜分布是在沿著風流方向上的粒譜分布和遷移規(guī)律。煙顆粒沿著氣流方向進行遷移，離煙源越遠，煙顆粒的濃度和GMD均增大。

（5）由煙源數(shù)對粒譜的分布的影響可知，由于煙源數(shù)的增加，產(chǎn)生煙顆粒濃度也增加，即煙顆粒的初始濃度變大。研究表明，煙氣的初始濃度也影響粒譜的分布。煙源數(shù)越多，產(chǎn)生煙顆粒濃度越大，碰撞吸附幾率增加，GMD越大。

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