低壓下近熄滅極限區(qū)域紙火蔓延實(shí)驗(yàn)研究

何選澤，方 俊，王靜舞，薛 巖，趙思威

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

0 引言

火災(zāi)安全對(duì)航空航天的發(fā)展至關(guān)重要，微重環(huán)境下的固體火蔓延研究也引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注[1-5]。除了直接在微重環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)外，在低壓環(huán)境中進(jìn)行火蔓延實(shí)驗(yàn)也尤為重要，這不僅僅是因?yàn)楹教炱鲀?nèi)部往往是低壓環(huán)境(80 kPa)，而且還可以利用低壓環(huán)境中的弱浮力作用對(duì)微重環(huán)境進(jìn)行功能模擬，在微重實(shí)驗(yàn)條件不成熟的年代，這一技術(shù)手段被廣泛應(yīng)用[6-12]。

前人在低壓環(huán)境下開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)，McAlevy和Magee[7]采用3 mm厚的熱薄聚合物材料在各種氧氣和壓力邊界條件下，研究了無(wú)風(fēng)環(huán)境下的火蔓延特性，并發(fā)現(xiàn)火蔓延速度與環(huán)境壓力呈正相關(guān)關(guān)系。Goldmeer等[8]研究了PMMA圓棒在低壓環(huán)境下的順風(fēng)火蔓延特性，發(fā)現(xiàn)火蔓延速度隨壓力的減小單調(diào)遞減。Nakamura等[9]研究了導(dǎo)線在低壓環(huán)境下的火蔓延特性，通過(guò)對(duì)比氣相傳熱特征長(zhǎng)度和線芯傳熱特征長(zhǎng)度，給出了在不同壓力范圍下導(dǎo)線火蔓延的傳熱主控機(jī)制。此外，Nakamura等[10]基于低壓導(dǎo)線火蔓延實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)低壓火蔓延機(jī)理進(jìn)行了討論，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與微重實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比分析，給出了低壓與微重的相似性與不同點(diǎn)。Hu等[11]在低壓環(huán)境下，采用高熱導(dǎo)率線芯對(duì)不同傾角的導(dǎo)線火蔓延進(jìn)行了研究，討論了傾角對(duì)順風(fēng)和逆風(fēng)火蔓延的不同影響。此外，Hu等[12]還研究了常重和微重的低壓環(huán)境下，不同傾角對(duì)PE-NiCr導(dǎo)線順風(fēng)火蔓延的極限氧濃度的影響。

值得注意的是，這些學(xué)者在研究火蔓延速度時(shí)，均采用的是無(wú)限化學(xué)反應(yīng)速率假設(shè)，其得出的火蔓延速度均不在近熄滅極限區(qū)域內(nèi)，采用該假設(shè)時(shí)，火蔓延速度與壓力和氧氣濃度的關(guān)系滿足指數(shù)關(guān)系式[7]:

(1)

雖然也有學(xué)者對(duì)近熄滅極限區(qū)域火蔓延進(jìn)行了研究，但相比之下這部分工作罕見(jiàn)報(bào)道。Olson等[13]采用熱薄纖維素材料，研究了微重環(huán)境下逆風(fēng)火蔓延在近熄滅極限區(qū)域的特征，并得出氧氣濃度與逆流風(fēng)速的著火極限圖。Frey等[14]對(duì)無(wú)風(fēng)環(huán)境下壓力與氧氣濃度耦合作用的紙火蔓延特性進(jìn)行了研究，研究認(rèn)為火蔓延速度隨壓力變化分為兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)是近熄滅極限區(qū)域，此時(shí)速度非線性增長(zhǎng)，另一個(gè)是線性增長(zhǎng)區(qū)域。然而，文中并沒(méi)有對(duì)出現(xiàn)兩個(gè)分區(qū)的熱傳遞機(jī)理，分區(qū)的界限以及線性區(qū)域火蔓延速度的變化規(guī)律進(jìn)行分析和討論。

因此，本文對(duì)低壓環(huán)境下的近熄滅極限區(qū)域水平紙火蔓延進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)降低壓力和氧氣濃度得出了水平紙火蔓延的著火極限，并分析了在極限氧氣濃度條件下的火蔓延速度變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了氧氣濃度43%時(shí)，不同壓力下的水平紙火蔓延實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分析火蔓延速度并與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，確定了火蔓延近熄滅極限區(qū)域和線性增長(zhǎng)區(qū)域的分界壓力值范圍。得出了壓力分界處火焰的變化特征，并根據(jù)火焰圖像與理論分析，得出了不同區(qū)域內(nèi)的火蔓延傳熱主控機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

火蔓延實(shí)驗(yàn)在一個(gè)封閉的低壓艙中進(jìn)行。低壓艙高度40 cm，橫截面為圓形，直徑50 cm。低壓艙壓力控制范圍為300 pa～101 kPa (±10 pa)，艙室實(shí)時(shí)壓力由壓力控制器進(jìn)行測(cè)量。艙體上有2個(gè)圓形觀察窗，直徑均為16 cm。其中一個(gè)觀察窗位于頂蓋中心，另一個(gè)位于艙體側(cè)壁，其中心距離艙底15 cm處。低壓艙與真空泵連接，用于抽出艙內(nèi)氣體。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)通入氧氣與空氣使艙內(nèi)氧氣濃度達(dá)到預(yù)設(shè)值，氧氣的流量由10.0 slpm(標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘)的Alicat流量計(jì)控制。每次實(shí)驗(yàn)通入氧氣后靜置10 min，以減小氣體流動(dòng)對(duì)火蔓延的影響。

紙張火蔓延臺(tái)架設(shè)置如圖1，在本文的實(shí)驗(yàn)中，僅研究了水平火蔓延。實(shí)驗(yàn)樣品尺寸為12 cm (長(zhǎng))×2 cm (寬)×0.012 cm (厚)，在進(jìn)行火蔓延實(shí)驗(yàn)之前，所有實(shí)驗(yàn)樣品均放入100 ℃干燥箱中干燥12 h，然后放入常溫干燥皿中靜置12 h。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)將紙張水平放入支架的縫隙內(nèi)，支架每一邊尺寸為20 cm (長(zhǎng))×0.5 cm (寬)×0.2 cm (厚)。實(shí)驗(yàn)樣品由一端的點(diǎn)火線圈點(diǎn)著，點(diǎn)火電流均為6 A，由高砂EX-750 L直流電源控制電流大小。當(dāng)紙張著火后立刻關(guān)閉點(diǎn)火電流。實(shí)驗(yàn)過(guò)程由尼康相機(jī)(30 fps)拍攝記錄，再通過(guò)后期處理獲得火焰圖像以及火焰前鋒位置，根據(jù)火焰前鋒位置可計(jì)算出火蔓延速度。實(shí)驗(yàn)前，提前1小時(shí)打開(kāi)實(shí)驗(yàn)房間的空調(diào)，使每次實(shí)驗(yàn)的室內(nèi)溫濕度基本保持不變。實(shí)驗(yàn)時(shí)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，每?jī)纱螌?shí)驗(yàn)間隔 20 min，以減小環(huán)境溫濕度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。

圖1 火蔓延實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig. 1 Experimental setup

2 結(jié)果與分析

2.1 火蔓延熄滅極限

為了研究紙張表面火蔓延在近熄滅極限區(qū)域的特征，首先要獲取氧氣與壓力耦合的火蔓延熄滅極限，如圖2(a)所示。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)確定熄滅極限時(shí)，在某一壓力下，對(duì)于某一氧氣濃度值，若將該氧氣濃度再降低1%進(jìn)行的三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)均不能出現(xiàn)火蔓延，即確定該氧氣濃度(降低前)為此壓力下的極限氧氣濃度。圖2(a)中三角形曲線是Frey等[14]由1 cm (寬)×0.019 cm (厚)的紙張火蔓延實(shí)驗(yàn)得出。通過(guò)對(duì)比分析兩條曲線可以看出，極限氧氣濃度隨著壓力的減小呈指數(shù)上升，然而，氧氣分壓在熄滅極限處卻隨著壓力的減小而減小，如圖2(b)所示，這表明影響火蔓延現(xiàn)象的因素不僅僅是氧氣分壓，環(huán)境壓力也同樣很重要。另一方面，可以看出實(shí)驗(yàn)樣品的幾何參數(shù)，如寬度和厚度，對(duì)熄滅極限的影響不大，兩條曲線的變化規(guī)律與數(shù)值大小基本一致。

圖2 火蔓延熄滅極限圖(a)和氧氣分壓隨壓力變化圖(b)Fig. 2 Flammability map (a) and oxygen partial pressure vs air pressure (b)

圖3 極限氧濃度下的火蔓延速度隨壓力變化圖Fig. 3 Flame spread rate with LOC vs air pressure

圖3為極限氧濃度下的火蔓延速度隨壓力變化的情況。氧氣濃度和環(huán)境壓力是影響火蔓延現(xiàn)象的兩個(gè)重要邊界條件，在二者的耦合作用下，火蔓延速度從25 kPa到30 kPa出現(xiàn)了突然增大的現(xiàn)象。若

將壓力范圍分為兩個(gè)區(qū)間，分別是4 kPa～25 kPa以及30 kPa～50 kPa，此時(shí)火蔓延速度在兩個(gè)壓力區(qū)間內(nèi)均隨著壓力的增大而減小。

圖4為極限氧濃度下的火焰圖像，由于圖4(a)～圖4(d)工況條件下的火焰面積過(guò)大不便于展示，因此將其縮小，圖片邊長(zhǎng)縮小的比例系數(shù)見(jiàn)圖片右下角。分析火焰圖像可知，在上文的兩個(gè)壓力區(qū)間內(nèi)，火焰面積均隨著壓力的升高而逐漸減小，這點(diǎn)與火蔓延速度變化規(guī)律一致，但是火焰面積減小的速度并不相同，在4 kPa～25 kPa壓力范圍內(nèi)，火焰面積減小速率更快。對(duì)比25 kPa和30 kPa可知，30 kPa下的火焰面積和上表面火焰高度都高于25 kPa，此時(shí)，由于上表面火焰高度滿足hup～δgr～ε，其中，δgr為火焰光學(xué)厚度，ε為輻射輻射率。因此，30 kPa的火焰輻射反饋較25 kPa更大，從而造成了火蔓延速度的突然升高。

圖4 極限氧濃度下的火焰圖像Fig. 4 Flame images with LOC

2.2 壓力對(duì)火蔓延影響

鑒于壓力造成了極限氧濃度下的火蔓延速度突然增大，有必要分析壓力單一變化對(duì)火蔓延的影響。本文進(jìn)行了在氧氣濃度43%(10 kPa下的極限氧氣濃度)條件下，不同壓力的火蔓延實(shí)驗(yàn)，圖5為該系列工況下的火蔓延速度隨壓力變化曲線，以及Frey等[14]由1 cm (寬)×0.019 cm (厚)的紙張?jiān)诓煌瑝毫脱鯕鉂舛认碌贸龅幕鹇铀俣取?/p>

圖5 火蔓延速度隨壓力變化圖(O2=43%)Fig. 5 Flame spread rate with the 43% O2 concentration vs air pressure

由于本文的實(shí)驗(yàn)樣品幾何尺寸與前人不同，且不同紙張的成分也不一樣，因此使得本文獲得的火蔓延速度大于前人的結(jié)果。但值得注意的是，對(duì)于不同的實(shí)驗(yàn)樣品，火蔓延速度隨壓力的變化規(guī)律一致，都呈現(xiàn)出在近熄滅極限區(qū)域內(nèi)非線性增大，而后線性增加的變化趨勢(shì)。對(duì)于不同的氧氣濃度，不同實(shí)驗(yàn)樣品的曲線，線性增長(zhǎng)區(qū)域出現(xiàn)的初始?jí)毫υ诓煌瑮l件下均十分接近，均位于20 kPa～30 kPa壓力范圍內(nèi)，因此可以認(rèn)為20 kPa～30 kPa是近熄滅極限區(qū)域和線性增長(zhǎng)區(qū)域的分界壓力。

結(jié)合圖像來(lái)分析出現(xiàn)壓力分區(qū)的原因。從圖6火焰圖像分析可以看出，當(dāng)壓力升高至25 kPa時(shí)，內(nèi)部藍(lán)色火焰逐漸開(kāi)始變?yōu)辄S色火焰，火焰的亮度也變得更大，這表明此時(shí)的火焰輻射在迅速增大。此外，由于浮力作用增大，火焰形狀也逐漸由橢圓形開(kāi)始變成三角形，表明此時(shí)對(duì)流開(kāi)始加強(qiáng)，對(duì)流換熱將逐漸影響火焰?zhèn)鞑ニ璧臒岱答仭?/p>

熱反饋(對(duì)流，傳導(dǎo)，輻射)的大小是決定火蔓延速度的最主要因素。當(dāng)壓力為10 kPa～20 kPa時(shí)，由于壓力的降低導(dǎo)致空氣密度減小，此時(shí)對(duì)流換熱作用弱；此外由圖像可知，由于氧氣分壓減小，火焰內(nèi)部均為藍(lán)色火焰，炭黑濃度很低，火焰亮度也變得微弱，由此可以推斷火焰輻射不是主要的熱反饋能量。因此，在該壓力區(qū)間內(nèi)，氣相傳導(dǎo)是主控因素?；鹇铀俣鹊亩x式為：

(2)

(3)

由圖7可知，上表面火焰寬度在10 kPa～20 kPa壓力范圍內(nèi)隨著壓力的增大迅速增大，若認(rèn)為上表面火焰寬度與熱解區(qū)寬度δf正相關(guān)，則δf也隨著壓力的增大迅速增大。另一方面，由圖6可以看出火焰高度基本保持不變，可以認(rèn)為氣相導(dǎo)熱特征長(zhǎng)度δgc與火焰高度正相關(guān)，因而δgc也基本不變。根據(jù)方程(3)可以看出，由于δf隨壓力變化的增速大于ρ隨壓力線性變化的增速，而δgc保持不變，從而造成了火蔓延速度的增加。

當(dāng)壓力大于25 kPa時(shí)，由圖6可以分析得出，此時(shí)的炭黑濃度明顯增大，火焰輻射逐漸加強(qiáng)。分析圖7中上表面火焰寬度隨壓力變化可知，壓力大于30 kPa時(shí)，由于浮力增大，高溫氣體向上流動(dòng)作用加強(qiáng)，火焰寬度逐漸減小，此時(shí)對(duì)流熱反饋對(duì)火蔓延的影響越來(lái)越大。因此，火蔓延熱反饋在該壓力區(qū)間內(nèi)由輻射，傳導(dǎo)和對(duì)流三種傳熱方式共同控制。此時(shí)火蔓延速度線性增長(zhǎng)，且符合公式(1)提出的指數(shù)關(guān)系式。

圖6 火焰圖像隨壓力變化(O2=43%)Fig. 6 Flame images in various air pressures (O2=43%)

圖7 上表面火焰寬度隨壓力變化圖(O2=43%)Fig. 7 The upper flame length vs air pressure (O2=43%)

3 結(jié)論

本文研究了低壓近熄滅極限區(qū)域紙水平火蔓延特性，得出以下結(jié)論：

(1)極限氧濃度下的火蔓延速度整體上隨著壓力的增大而減小，但是在30 kPa時(shí)，火蔓延速度出現(xiàn)突然增大的現(xiàn)象。

(3)在相同氧氣濃度下(43%)，火蔓延近熄滅極限區(qū)域和線性增長(zhǎng)區(qū)域分界壓力區(qū)間為20 kPa～30 kPa?；鹇铀俣仍诮鐦O限區(qū)域內(nèi)非線性增大，在線性增長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)線性增大且增速與氧氣濃度正相關(guān)。

(4)火蔓延近熄滅極限區(qū)域和線性增長(zhǎng)區(qū)域交界處，火焰的內(nèi)部藍(lán)色火焰逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色火焰，火焰的亮度增大，火焰形狀也逐漸由橢圓形開(kāi)始變成三角形。

(5)在根據(jù)壓力劃分的近熄滅極限區(qū)域內(nèi)，火蔓延熱反饋由氣相傳導(dǎo)主控，在線性增長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)，火蔓延熱反饋由氣相傳導(dǎo)，對(duì)流和火焰輻射共同控制。

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