寬度變化對聚苯乙烯保溫材料水平火蔓延預熱角度的影響

柳愛靜，李開源，姚勇征，朱凱，程旭東

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寬度變化對聚苯乙烯保溫材料水平火蔓延預熱角度的影響

柳愛靜，李開源，姚勇征，朱凱，程旭東

(中國科學技術(shù)大學火災科學國家重點實驗，安徽合肥，230027)

研究聚苯乙烯保溫材料水平火蔓延過程中，樣品寬度變化對預熱角度的影響以及預熱角度變化對火蔓延行為及火蔓延速率的影響。研究結(jié)果表明：樣品剛被點燃時其表面的水平火蔓延速率比樣品中部及底部快，當樣品燃燒到達穩(wěn)定階段時，樣品水平火蔓延速率呈現(xiàn)相對均一及穩(wěn)定的狀態(tài)，最終形成明顯的預熱角度，并且預熱角度隨著樣品寬度的增大先增大后減小，而水平火蔓延速率則先減小后增加。此外，根據(jù)能量守恒原理，預熱角度減小將增強樣品的熱傳遞效應，使樣品得到更多熱量進而導致火蔓延速率增大，因此，預熱角度與火蔓延速率呈負相關(guān)關(guān)系。

聚苯乙烯；預熱角度；火蔓延；熱傳導

外墻保溫材料具有密度低、導熱系數(shù)低、物理性能穩(wěn)定等優(yōu)點，被廣泛應用于建筑外墻保溫系統(tǒng)。然而，保溫材料具有防火性能差、極易燃燒且在燃燒過程中釋放大量有毒有害煙氣等特征，其火災危害性問題日益凸顯。在建筑物發(fā)生火災時，外墻保溫材料一旦被引燃，火蔓延速率迅速增加，火勢迅猛，容易造成巨大的經(jīng)濟損失及嚴重的人員傷亡。在19世紀六七十年代，外墻保溫材料潛在的火災危險性及其自身的燃燒性能就吸引了國內(nèi)外研究學者的廣泛關(guān)注[1?6]。DOROUDIANI等[1]指出，發(fā)泡聚苯乙烯材料最大的火災危險性在于其火蔓延速率快，使得人員安全疏散時間嚴重不足，此外，燃燒過程中釋放的大量有毒有害煙氣容易引起人們逃生過程中窒息中毒死亡。為了衡量火蔓延速率，QUINTIERE等[2?4]對保溫材料水平火蔓延過程中涉及的傳熱機理進行了深入研究，并提出水平火蔓延速率預測模型。近年來，開展了以樣品尺寸為研究參數(shù)的火蔓延現(xiàn)象的研究[7?12]。LI等[7?8]針對樣品尺寸變化對火蔓延速率的影響開展了大量的實驗研究，指出火蔓延速率隨著樣品寬度的增加而增加。JIANG等[9?12]指出樣品寬度變化對火蔓延傳熱機制產(chǎn)生較大影響。盡管研究學者對保溫材料的燃燒性能進行了大量研究，但針對水平火蔓延時預熱角度的存在及其影響研究甚少。JIANG等[13?14]觀察到實驗過程中存在穩(wěn)定的預熱角度，但并未對其進行詳細分析。為此，本文作者選取聚苯乙烯保溫材料為研究對象，對水平火蔓延過程中樣品寬度對火蔓延速率及預熱角度的影響進行實驗研究。

1 實驗

1.1 實驗樣品

本實驗所用樣品為合肥市場購買的聚苯乙烯(XPS)外墻保溫材料。為獲得不同寬度樣品，聚苯乙烯保溫材料被切割成長度為60 cm，厚度為2.5 cm，寬度分別為4，6，8，10和12 cm的樣品，為了避免切割痕跡對燃燒過程中火蔓延行為的影響，切割工具為陶瓷刀。為了準確測量火蔓延速率，在每個樣品表面及側(cè)面均畫有間隔為5 cm的橫線11條。

1.2 實驗裝置及方法

圖1所示為聚苯乙烯保溫材料水平火蔓延實驗裝置。實驗開始前，將聚苯乙烯保溫材料樣品放置于隔熱性能較好的陶瓷纖維板上，為避免燃燒過程中樣品底部存在空氣而對火蔓延行為產(chǎn)生影響，利用細鐵絲將保溫材料樣品進行固定，使其緊貼陶瓷纖維板表面。陶瓷纖維板側(cè)邊安裝有量程為60 cm、精度為1 mm 的鋼尺，用以輔助測量火蔓延距離。為記錄樣品燃燒時間、預熱角度的形成過程及火蔓延過程中的燃燒行為，分別在實驗裝置的正面和側(cè)面擺放相機1和相機2，相機的頻率均為25幀/s。為保證實驗的準確性和所測參數(shù)的精確度，每次實驗結(jié)束后都要利用風機對陶瓷纖維板進行冷卻降溫，待其溫度恢復到室溫情況時再繼續(xù)實驗。

圖1 聚苯乙烯保溫材料水平火蔓延實驗裝置

2 實驗結(jié)果分析

2.1 預熱角度的形成

圖2所示為聚苯乙烯保溫材料燃燒過程中預熱角度形成示意圖。燃燒過程可分為3個階段：點燃階段、預熱角度形成階段和穩(wěn)定燃燒階段。在點燃階段，浸滿丙烷的棉線被打火器點燃，點燃瞬間樣品受到來自火焰的熱輻射，進而被引燃。在預熱角度形成階段，樣品被點燃后，與保溫材料樣品中部及底部相比，樣品表面氧氣濃度大，因空氣卷吸作用燃燒火焰較高，進而使得樣品表面受到自身火焰的熱輻射量較大，因此，越靠近樣品表面其水平火蔓延速率就越大。在樣品燃燒水平蔓延過程中，質(zhì)量燃燒速率小于水平火蔓延速率，導致過火面未燃盡的受熱熔融材料逐漸形成油池火，且隨著火焰前鋒對未燃材料的預熱點燃，產(chǎn)生更多的熔融材料使油池火現(xiàn)象越來越明顯，樣品中部和底部受到來自油池火的熱輻射量及熱解熔融材料對未燃樣品的熱傳導熱量逐漸增多，當樣品表面與其他部位接受的來自熱輻射、熱傳導、熱對流產(chǎn)生的總熱量相對穩(wěn)定時，火焰近樣品邊緣與樣品底部形成一個較為明顯的夾角，定義該夾角為預熱角度即圖2中角度。在穩(wěn)定燃燒階段，樣品表面、中部及底部水平火蔓延速率相對穩(wěn)定且基本相等，在整個穩(wěn)定燃燒階段預熱角度基本保持不變。不同寬度的聚苯乙烯保溫材料樣品在實驗過程中均會出現(xiàn)一個相對穩(wěn)定的預熱角度。

2.2 寬度對預熱角度及火蔓延速率的影響

不同寬度聚苯乙烯保溫材料樣品實驗過程中均會出現(xiàn)一個相對穩(wěn)定的預熱角度，但預熱角度會隨著樣品寬度的變化而變化。寬度對預熱角度及火蔓延速率影響如圖3所示?？梢姡弘S著樣品寬度增加，預熱角度首先呈現(xiàn)增大趨勢；當樣品寬度為8 cm時，預熱角度取得最大值；樣品寬度繼續(xù)增加大于8 cm后，隨著樣品寬度增加，預熱角度呈現(xiàn)減小現(xiàn)象。而通過實驗測量所得火蔓延速率與預熱角度的變化關(guān)系相反，隨著寬度的增加，火蔓延速率先減小后增加，同樣在寬度為8 cm處出現(xiàn)拐點，這與JIANG等[9, 15]的研究結(jié)果一致。由圖3可得，預熱角度與火蔓延速率之間存在較強的對應關(guān)系。

圖2 預熱角度形成過程示意圖

1—預熱角度；2—火蔓延速率；3—JIANG等[9]研究結(jié)果；4—ZHANG等[15]研究結(jié)果。

3 傳熱機制分析

3.1 傳熱機制模型的建立

聚苯乙烯保溫材料在水平火蔓延過程中，樣品從熱輻射、熱傳導、熱對流獲得的熱流量所占比例隨著樣品寬度的變化而變化[16]。為研究樣品寬度變化對預熱角度及火蔓延速率的影響，本文引入并修正了DINENNO等[17]的物理模型，如圖4所示?？刂企w通常選擇樣品的預熱區(qū)域，且其位置相對固定，為火焰前鋒樣品預熱部位。DINENNO等[17]的物理模型選擇虛線內(nèi)長方形為控制體。通過實際觀察可知，聚苯乙烯保溫材料樣品在水平火蔓延過程中燃燒呈現(xiàn)相對穩(wěn)定狀態(tài)時，預熱區(qū)域火焰與未燃樣品之間存在一個較明顯的預熱角度，而該預熱角度的存在必然對樣品燃燒過程中的傳熱機制產(chǎn)生影響。通過引入樣品預熱角度概念對模型進行修正，探索預熱角度對傳熱機制的影響，圖4(b)所示為修正模型，控制體積為長方形區(qū)域和三角形區(qū)域2部分。

(a) 文獻[17]中模型；(b) 修正模型

結(jié)合圖4中的控制體模型，給出火蔓延過程中控制體的具體傳熱機制見圖5。其中，和分別為樣品上表面及火焰貼附面的輻射熱流量，為熱解區(qū)域樣品通過熱傳導所獲得的熱流量，為樣品從周邊環(huán)境對流換熱所獲得的熱流量。

圖5 水平火蔓延控制體傳熱機制示意圖

假設(shè)樣品的自身的熱損失為0 kW/m2，能量守恒方程為

(1)

式中：為樣品的密度；為聚苯乙烯樣品的比熱容；ig和s分別為樣品的點燃溫度和樣品表面溫度；為矯正系數(shù)；1和/tan分別為樣品長方形和三角形預熱區(qū)域的長度；為樣品厚度。樣品內(nèi)部的熱傳導計算公式如下：

3.2 寬度對預熱角度及火蔓延速率的影響

當樣品寬度小于8 cm時，側(cè)邊的空氣卷吸作用較強傳熱機制中熱對流起主導作用[11]。對流換熱所得熱量式為

式中：c為對流換熱系數(shù)；g為樣品環(huán)境溫度。QUINTIERE[2]指出對流換熱系數(shù)與樣品寬度存在以下關(guān)系：

(4)

式中：為樣品寬度；為冪級數(shù)。結(jié)合式(3)和式(4)可知，對流換熱量隨著樣品寬度的增加而減小。從式(1)可以看出：預熱角度對對流項有較大影響，火蔓延過程中長方形區(qū)域控制體尺寸與三角形區(qū)域尺寸相比可以忽略不計，起決定性作用的因素為三角形區(qū)域控制體，由式(1)可得

由式(5)可得預熱角度與對流換熱量的關(guān)系為

conv∝(6)

結(jié)合圖3，當樣品寬度小于8 cm時，預熱角度隨著樣品的增加而增加，預熱角度增大導致對流換熱量減小，與式(3)、式(4)所得結(jié)果相同?；鹇铀俾嗜Q于對流換熱量，火蔓延速率與預熱角度關(guān)系為

f∝(7)

因此，當樣品寬度小于8 cm時，預熱角度隨著樣品寬度的增大而增大，而火蔓延速率隨著樣品寬度的增大而減小，兩者呈現(xiàn)反比例關(guān)系。

當樣品寬度大于8 cm時，火焰熱輻射起主導作用，由玻爾茲曼定律可得輻射熱為

式中：為輻射系數(shù)；為玻爾茲曼常數(shù)；f為火焰溫度；為視角系數(shù)?；鹧孑椛湎禂?shù)、視角系數(shù)分別可用式(9)和(10)來表示[2, 18?19]：

(9)

式中：為發(fā)散系數(shù)；1和2為火焰視角；為火焰面積；2為預熱區(qū)域長度?？芍椛湎禂?shù)和視角系數(shù)參數(shù)隨著樣品寬度的增加而增加，因此，當樣品寬度大于8 cm時，樣品預熱區(qū)域所獲得的輻射熱流量隨著樣品寬度的增加而增加。從式(1)可得聚苯乙烯保溫材料樣品的輻射熱流量為

(11)

式中：f為總的輻射熱量。在火蔓延過程中長方形區(qū)域控制體尺寸與三角形區(qū)域尺寸相比可以忽略不計，因此，樣品通過輻射獲得的熱量與樣品預熱角度的關(guān)系為

f∝(12)

結(jié)合如圖3中實驗結(jié)果，當樣品寬度大于8 cm時，預熱角度隨著樣品寬度的增加而減小，預熱角度減小導致輻射熱流量增大，火蔓延速率取決于輻射熱流量，火蔓延速率與預熱角度關(guān)系可用下式表示：

f∝(13)

因此，當樣品寬度大于8 cm時，預熱角度隨著樣品寬度的增大而減小，而火蔓延速率隨著樣品寬度的增加而增加。

4 結(jié)論

1) 聚苯乙烯保溫材料水平火蔓延過程中穩(wěn)定燃燒階段，火焰近樣品邊緣與樣品底部形成一個較為明顯且基本不變的夾角，即為預熱角度。預熱角度形成的主要原因為：樣品剛被點燃時，樣品上表面水平火蔓延速率較大，隨著燃燒達到穩(wěn)定階段，樣品上表面及火蔓延貼附面所接受的熱流量基本保持不變，且樣品厚度方向各點水平火蔓延速率相等，致使預熱角度形成。

2) 樣品寬度變化對預熱角度及火蔓延速率存在一定影響。當樣品寬度小于8 cm時，預熱角度隨樣品寬度的增加而增加，火蔓延速率隨樣品寬度增加而減??；當樣品寬度大于8 cm時，預熱角度歲樣品寬度增加而減小，而火蔓延速率隨寬度增加而增加，兩者呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系。

3) 將預熱角度代入DiNenno的物理模型中對模型進行修正。樣品寬度變化影響傳熱機制，進而影響預熱角度。而預熱角度增大或減小，使得燃燒過程中樣品所獲得的熱流量相應減小或增大，進而出現(xiàn)火蔓延速率呈現(xiàn)減小或增大的結(jié)果。

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(編輯 趙俊)

Effect of width on pyrolysis angle during flame spread over horizontal extruded polystyrene (XPS) surface

LIU Aijing, LI Kaiyuan, YAO Yongzheng, ZHU Kai, CHENG Xudong

(State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China)

During the horizontal flame spread over XPS slabs, the effects of sample width on the angle and the influence of the angle on flame spread behaviours were investigated. The results show that at the initial stage the flame spreads faster at the slab surface than the other parts and eventually forms the pyrolysis angle at steady stage. The magnitude of pyrolysis angle increases firstly and then decreases with the increase ofthe sample width. However, the horizontal flame spread rate decreases at first and then increases with the increase of sample width. Moreover, according to the energy conservation, reducing the pyrolysis angle will enhance the heat transfer into the sample and thus lead to higher flame spread rate, which justifies the opposite trends of pyrolysis angle and flame spread rate.

polystyrene; pyrolysis angle; flame spread; heat transfer

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.06.002

TU 532.4；X915.5

A

1672?7207(2017)06?1420?05

2016?06?13；

2016?08?15

國家自然科學基金資助項目(51206156)(Project(51206156) supported by the National Natural Science Foundation of China)

程旭東，副研究員，從事建筑外墻火災及城市地下空間火災研究；E-mail：chengxd@ustc.edu.cn