木質(zhì)類人造板材炭化痕跡實(shí)驗(yàn)及數(shù)值重構(gòu)研究

余瑩瑩，徐曉楠（中國人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院，河北廊坊，065000）

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木質(zhì)類人造板材炭化痕跡實(shí)驗(yàn)及數(shù)值重構(gòu)研究

余瑩瑩＊，徐曉楠
（中國人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院，河北廊坊，065000）

摘要：利用錐形量熱儀測(cè)定不同輻射熱通量和不同燃燒時(shí)間下木質(zhì)類人造板材的炭化深度，建立木質(zhì)類人造板材炭化痕跡的數(shù)學(xué)模型，并嵌入到FDS（Fire Dynamics Simulator）源程序中，與自身功能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)重構(gòu)木質(zhì)類人造板材炭化痕跡的功能。同時(shí)實(shí)驗(yàn)研究了不同油盤尺寸、不同燃燒時(shí)間、不同火源位置和不同材料種類對(duì)炭化痕跡的影響，并利用新編譯的FDS程序?qū)?shí)驗(yàn)進(jìn)行重構(gòu)，對(duì)比重構(gòu)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明該程序可以用于重現(xiàn)木質(zhì)類人造板材的炭化痕跡。

關(guān)鍵詞：人造板材；炭化痕跡；數(shù)值重構(gòu)；FDS；火災(zāi)調(diào)查

0　引言

木質(zhì)類人造板材廣泛應(yīng)用于室內(nèi)裝修裝潢和家具的制造過程中，受到火場(chǎng)作用后，形成的炭化痕跡是火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)中常見的痕跡物證之一，可直接或間接證明火災(zāi)發(fā)生的時(shí)間、起火點(diǎn)位置、起火原因和蔓延路線等［1，2］。但由于火災(zāi)燃燒過程的復(fù)雜性、火災(zāi)本身的破壞性、不同火場(chǎng)的特殊性等原因，給火災(zāi)調(diào)查工作帶來了極大的困難［3］，而火災(zāi)數(shù)值重構(gòu)技術(shù)作為火災(zāi)調(diào)查工作中的一種新技術(shù)，能夠直觀準(zhǔn)確地再現(xiàn)火災(zāi)過程以及得到火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)無法得到的數(shù)據(jù)，發(fā)展前景十分廣闊。國外，關(guān)于火災(zāi)數(shù)值重構(gòu)的研究主要是針對(duì)火災(zāi)蔓延和煙氣流動(dòng)過程，Madrzykowski等人［4］對(duì)1999年5月30日華盛頓某街道別墅火災(zāi)進(jìn)行重構(gòu)，結(jié)果表明，火災(zāi)中地下室的玻璃推拉門打開，使氧氣進(jìn)入了高溫受限防火分區(qū)，導(dǎo)致60s后發(fā)生轟然，產(chǎn)生的煙氣高速?zèng)_向地下室樓梯。國內(nèi)，不僅研究了火災(zāi)蔓延和煙氣流動(dòng)過程的數(shù)值重構(gòu)，還研究了火災(zāi)痕跡的數(shù)值重構(gòu)，同課題組的韓［5］研究了PVC板熱蝕痕跡的數(shù)值重構(gòu)、吳［6］研究了防火板煙熏痕跡的數(shù)值重構(gòu)、施［7］研究了石膏板脫水痕跡的數(shù)值重構(gòu)，但木質(zhì)類人造板材炭化痕跡的數(shù)值重構(gòu)還未研究，且炭化痕跡的形成機(jī)理與前幾種痕跡均不同。因此，本文以木質(zhì)類人造板材炭化痕跡為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合的方法建立數(shù)學(xué)模型，并將數(shù)學(xué)模型嵌入到FDS源程序中，實(shí)現(xiàn)對(duì)木質(zhì)類人造板材炭化痕跡的重構(gòu)，同時(shí)，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證新編譯的FDS程序的有效性，將該技術(shù)用于預(yù)測(cè)火場(chǎng)中木質(zhì)類人造板材炭化痕跡，與火場(chǎng)中的其它證據(jù)相印證，為火調(diào)人員反推起火點(diǎn)提供幫助。

1　木質(zhì)類人造板材炭化痕跡數(shù)學(xué)模型的建立與實(shí)現(xiàn)

1．1 數(shù)學(xué)模型的建立

1．1．1 木質(zhì)類人造板材受熱炭化實(shí)驗(yàn)

按照ISO5660將刨花板、細(xì)木工板或密度板裁成尺寸為100mm×100mm的試樣進(jìn)行錐形量熱實(shí)驗(yàn)，為了減小模型建立時(shí)產(chǎn)生的誤差，選擇炭化深度差別較大的時(shí)間參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體安排見表1，實(shí)驗(yàn)過程中，記錄試樣表觀狀態(tài)隨時(shí)間的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)量試樣的炭化深度（以此值表征試樣的炭化程度）。

表1　實(shí)驗(yàn)安排表Table 1 The schedule of experiment

1．1．2 結(jié)果分析

火災(zāi)烈度是衡量火災(zāi)破壞性的指標(biāo)，對(duì)火災(zāi)中各構(gòu)件受損程度具有重要的影響，可近似地用接收的凈輻射熱通量（q·″net）和暴露時(shí)間（t）的乘積來計(jì)算［8］。當(dāng)火災(zāi)烈度為0MJ／m2，炭化深度為0mm，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合時(shí)應(yīng)過原點(diǎn)，擬合曲線見圖1，相應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系式見式（1）。

式中：D－炭化深度，mm；S－火災(zāi)烈度，MJ／m2。

由式（1）可知，炭化深度與火災(zāi)烈度均符合D＝a·Sb＝a·（q·″net·t）b的關(guān)系，其中a，b是與材料性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，q·″net是隨時(shí)間t的變化量，因此，木質(zhì)類人造板材炭化痕跡的數(shù)學(xué)模型用式（2）表示：

式中：k－與實(shí)驗(yàn)尺度有關(guān)的系數(shù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程記錄的材料表面開始炭化的時(shí)間，求得刨花板、密度板、細(xì)木工板形成炭化痕跡的邊界閾值分別為：火災(zāi)烈度為1．71MJ／m2、1．67MJ／m2、1．43MJ／m2時(shí)，炭化深度為1．71mm、1．62mm、1．68mm。

圖1　炭化深度與火災(zāi)烈度關(guān)系的擬合圖Fig．1 Fitting chart of relationship between carbonization depth and fire severity

1．2 數(shù)學(xué)模型的實(shí)現(xiàn)

在Visual Studio 2010操作環(huán)境下，利用Fortran語言［9］對(duì)FDS 6．0．1源程序（共有32個(gè)文件）［10］中的read．f90、dump．f90、wall．f90等文件進(jìn)行修改并嵌入式（2），經(jīng)過不斷調(diào)試，式（2）與FDS源程序成功耦合，編譯成了新的FDS程序，新編譯的FDS程序能夠計(jì)算并顯示木質(zhì)類人造板材炭化痕跡。

2　木質(zhì)類人造板材炭化痕跡實(shí)驗(yàn)

2．1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用刨花板、密度板或細(xì)木工板作為壁面材料，購自于廊坊市建材市場(chǎng)，裁成實(shí)驗(yàn)所需尺寸1200mm×800 mm，厚度分別為16 mm、8 mm、15mm；正方形油盤由廊坊市捷強(qiáng)五金加工廠制成，高度為50mm；燃料為93汽油。

2．2 實(shí)驗(yàn)裝置

先將石膏板固定在搭建好的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，再將人造板材固定在石膏板上，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)底部放置電子天平記錄燃料質(zhì)量的變化（用于設(shè)定模擬中火源的熱釋放速率），油盤放置在電子天平上用于盛放汽油，用計(jì)時(shí)器記錄燃燒時(shí)間，用攝像機(jī)記錄炭化痕跡的形成過程，用照相機(jī)記錄最終形成的炭化痕跡，用卷尺測(cè)量炭化痕跡的最大寬度、高度，并沿著炭化痕跡中心位置從下至上每隔10cm處，用炭化深度測(cè)量?jī)x測(cè)量一次炭化深度，實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。

2．3 實(shí)驗(yàn)步驟

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig．2 Experimental apparatus

由式（2）可知，木質(zhì)類人造板材上形成的炭化痕跡受壁面接收的凈輻射熱通量、燃燒時(shí)間、材料性質(zhì)等因素的影響，而壁面接收的凈輻射熱通量與油盤尺寸和位置有關(guān)，通過控制變量法研究各影響因素對(duì)炭化痕跡的影響。

（1）不同油盤尺寸。油盤邊長分別為13cm、15cm、20cm、25cm、30cm，位于底部中央距壁面2．0cm，為保持燃燒時(shí)間的一致性，待燃燒時(shí)間到120s時(shí)，人為將火熄滅，壁面材料為刨花板，實(shí)驗(yàn)編號(hào)為1～5。

（2）不同燃燒時(shí)間。燃燒時(shí)間分別為100s、120s、140s、160s、180s，為了便于觀察形成的炭化痕跡，選取邊長為20cm的油盤，位于底部中央距壁面2．0cm，壁面材料為刨花板，實(shí)驗(yàn)編號(hào)為6～10。

（3）不同油盤位置。油盤分別位于底部中央距壁面1．5cm、2．0cm、2．5cm和距離墻角2．0cm，同樣選取邊長為20cm的油盤，燃燒時(shí)間為120s，壁面材料為刨花板，實(shí)驗(yàn)編號(hào)為11～14。

（4）不同材料種類。壁面材料分別為刨花板、密度板和細(xì)木工板，油盤邊長為20cm，位于底部中央距壁面2．5cm，燃燒時(shí)間為120s，實(shí)驗(yàn)編號(hào)為15 ～17．

3　木質(zhì)類人造板材炭化痕跡數(shù)值重構(gòu)

利用新編譯的FDS程序重構(gòu)人造板材炭化痕跡實(shí)驗(yàn)，計(jì)算空間有兩個(gè)面全部敞開，與實(shí)驗(yàn)的設(shè)置保持一致。根據(jù)網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)試及時(shí)間步長的調(diào)整［11，12］，在1．2m×0．8m×1．2m的模擬計(jì)算空間內(nèi)共設(shè)了60×48×60個(gè)網(wǎng)格。材料的熱物性參數(shù)設(shè)置參照NIST發(fā)布的典型材料熱物性參數(shù)和《SFPE消防工程手冊(cè)》，模擬時(shí)間設(shè)置與實(shí)驗(yàn)時(shí)間相同，實(shí)驗(yàn)室門是關(guān)閉的，風(fēng)速設(shè)為0m／s，實(shí)驗(yàn)裝置模擬圖見圖3。

圖3　實(shí)驗(yàn)裝置模擬圖Fig．3 Simulation diagram of experimental apparatus

4　結(jié)果與討論

4．1 油盤尺寸的影響

matchShapes值由三個(gè)與Hu矩有關(guān)的函數(shù)計(jì)算得到，用于比較兩個(gè)圖像形狀的相似性，一般認(rèn)為，當(dāng)matchShapes值小于0．4，兩個(gè)圖像在形狀上較相似［13，14］。表2是1～5實(shí)驗(yàn)和重構(gòu)的炭化痕跡圖，matchShapes值分別為0、0．361291、4．44089×10－16、0．321281和0．130638；實(shí)驗(yàn)得到的痕跡的最大寬度分別為0．0cm、12．5cm、15．0cm、15．3cm、18．1cm，最大高度分別為0．0cm、27．4cm、46．1cm、68．9cm、85．4cm，重構(gòu)得到的痕跡的最大寬度分別為0．0cm、11．6cm、14．9cm、15．7cm、17．4cm，最大高度分別為0．0cm、27．8cm、46．7cm、70．1cm、86．0cm；實(shí)驗(yàn)和重構(gòu)得到的痕跡的最大寬度、高度均與油盤邊長呈線性關(guān)系，見式（3）和（4），最大高度的增長速率快于寬度的，錐形形狀越來越明顯；圖4為1～5實(shí)驗(yàn)和重構(gòu)的炭化深度值，隨著油盤尺寸的增大，炭化深度值增大，且炭化深度值在第2個(gè)或第3個(gè)探測(cè)開始出現(xiàn)，主要原因油盤與壁面存在一定距離，且底部有總高度為16cm的電子天平和隔熱材料；證明了新編譯的FDS程序可以較好的重現(xiàn)炭化痕跡的形狀、尺寸、隨油盤尺寸的變化規(guī)律、炭化深度等特征。

式中：W－痕跡的最大寬度，cm；H－痕跡的最大高度，cm；L－油盤邊長，cm。

表2　1～5實(shí)驗(yàn)和重構(gòu)的炭化痕跡圖Table 2 Experimental and reconstructed carbonization trace of 1～5

圖4　1～5實(shí)驗(yàn)和重構(gòu)的炭化深度值Fig．4 Experimental and reconstructed ofcarbonization depth of 1～5

4．2 燃燒時(shí)間的影響

表3　6～10實(shí)驗(yàn)和重構(gòu)的炭化痕跡圖Table 3 Experimental and reconstructed carbonization trace of 6～10

圖5　6～10實(shí)驗(yàn)和重構(gòu)的炭化深度值Fig．5 Experimental and reconstructed of carbonization depth of 6～10

式中：t－燃燒時(shí)間，s。

4．3 火源位置的影響

11～14實(shí)驗(yàn)和重構(gòu)的炭化痕跡圖見表5，matchShapes值分別為0．31095、4．44089×10－16、1．07429×10－2和6．81211×10－2；11～14實(shí)驗(yàn)得到的痕跡的最大寬度分別為13．4cm、15．0cm、3．1cm、15．3cm，最大高度分別為63．4cm、46．1cm、9．2cm、90．4cm；重構(gòu)得到的痕跡的最大寬度分別為13．7cm、14．9cm、2．9cm、15．4cm，最大高度分別為64．1cm、46．7cm、8．9cm、90．6cm；對(duì)比11～13的結(jié)果，隨著火源與壁面距離的增大，痕跡尺寸逐漸減小，顏色也逐漸變淺，對(duì)比12和14的結(jié)果，壁面受墻角的交叉輻射效應(yīng)，接收的累積熱量增多，痕跡尺寸明顯增大，且顏色明顯變深；圖6為11～14實(shí)驗(yàn)和重構(gòu)的炭化深度值，火源距壁面越近，炭化深度值越大，火源位于墻角，炭化深度明顯增大，炭化深度值仍開始出現(xiàn)于第2個(gè)或第3個(gè)探測(cè)點(diǎn)．

表4　11～14實(shí)驗(yàn)和重構(gòu)的炭化痕跡圖Table 4 Experimental and reconstructed carbonization trace of 11～14

4．4 材料種類的影響

圖6　11～14實(shí)驗(yàn)和重構(gòu)的炭化深度值Fig．6 Experimental and reconstructed ofcarbonization depth of 11～14

15～17實(shí)驗(yàn)和重構(gòu)的炭化痕跡圖見表5。 matchShapes值分別為1．07429×10－2、0．327619和0．234081；15～17實(shí)驗(yàn)得到的痕跡的最大寬度分別為3．1cm、12．1cm、17．9cm，最大高度分別為9．2cm、45．1cm、71．9cm；重構(gòu)得到的痕跡的最大寬度分別為2．9cm、12．3cm、16．5cm，最大高度分別為8．9cm、45．4cm、72．3cm；根據(jù)1．1．2的結(jié)果，相同的火災(zāi)烈度，炭化深度由小變大的順序?yàn)榕倩ò?、密度板、?xì)木工板，穩(wěn)定性的順序相反，15～17重構(gòu)和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，炭化痕跡的尺寸隨材料穩(wěn)定性減弱而逐漸增大、顏色逐漸加深；圖7為15～17實(shí)驗(yàn)和重構(gòu)的炭化深度值，材料穩(wěn)定性越好，炭化深度值越小，炭化深度值仍開始出現(xiàn)于第2個(gè)或第3個(gè)探測(cè)點(diǎn)。

表5　15～17實(shí)驗(yàn)和重構(gòu)的炭化痕跡圖Table 5 Experimental and reconstructed carbonization trace of 15～17

圖7　15～17實(shí)驗(yàn)和重構(gòu)的炭化深度值Fig．7 Experimental and reconstructed of carbonization depth of 15～17

5　結(jié)論

（1）炭化痕跡的最大寬度、高度均與油盤邊長呈線性關(guān)系，且高度的增長速率快于寬度的；炭化痕跡的最大寬度與燃燒時(shí)間呈Logistic的關(guān)系，最大高度與燃燒時(shí)間呈Allometric1的關(guān)系，隨燃燒時(shí)間的增加，高度明顯增加，而寬度幾乎沒有變化。

（2）火源位于中間位置，隨著與壁面的距離增大，炭化痕跡尺寸、炭化深度都逐漸減小，顏色也逐漸變淺；火源位于墻角位置，炭化痕跡尺寸、炭化深度有明顯的增大，且顏色明顯變深。

（3）三種材料的穩(wěn)定性順序?yàn)椋号倩ò澹久芏劝澹炯?xì)木工板，炭化痕跡的尺寸、炭化深度隨材料穩(wěn)定性減弱而逐漸增大，顏色逐漸加深；

（4）利用新編譯的FDS程序?qū)?shí)驗(yàn)進(jìn)行重構(gòu)，分別從痕跡的形狀、尺寸、隨影響因素的變化規(guī)律、炭化深度四個(gè)方面對(duì)比重構(gòu)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的一致性，驗(yàn)證了新編譯的FDS軟件的有效性，將該軟件應(yīng)用于消防工作，不僅可以作為一種定量手段來描述炭化痕跡的形成過程，還可以用來反推起火點(diǎn)位置，較好地輔助火災(zāi)調(diào)查工作。

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Keyword：Man－made wood board；Carbonization trace；Numerical reconstruction；FDS；Fire investigation

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Experiment and numerical reconstruction of carbonization trace of man－made wood board

YU Yingying，XU Xiaonan
（Chinese People’s Armed Police Force Academy，Langfang 065000，China）

Abstract：Carbonization depth of man－made wood board is determined under different radiation heat fluxes and different burning time using the cone calorimeter．A mathematical model of man－made wood board carbonization trace is established，and is embedded into FDS（Fire Dynamics Simulator）source program．By this means，the man－made wood board carbonization can be reconstructed．The influence of pool size，burning time，fire source position and wood species on the carbonization trace is also studied．By comparing the results of experiment and reconstruction，the newly compiled FDS is justified to be able to reconstruct the carbonization depth of man－made wood board．

通訊作者：余瑩瑩，E－mail：994673524＠qq．com．

作者簡(jiǎn)介：余瑩瑩（1991．7－），女，漢，在讀研究生，主要從事火災(zāi)調(diào)查、火災(zāi)數(shù)值模擬方向的學(xué)習(xí)和研究。

基金項(xiàng)目：公安部應(yīng)用創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（2011YYCXWJXY134）；中國人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院優(yōu)秀碩士學(xué)位論文培育工程資助（201403）。

收稿日期：2015－01－06；修改日期：2015－02－04

DOI：10．3969／j．issn．1004－5309．2015．01．06

文章編號(hào)：1004－5309（2015）(－)0040－07

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：X928．7；X915．5