開口形式對回燃及腔室火災(zāi)過程的影響

王 昊，劉啟金

(舟山市消防支隊，浙江 舟山 316000)

0 引言

回燃是一種特殊火行為，具有隱蔽性強、突發(fā)性強等特點，極易引發(fā)噴射火焰、火球及強大壓力沖擊波等危害，嚴重威脅火場內(nèi)人員的生命安全，尤其是滅火救援人員[1-2]。一旦消防隊員未能準確判斷房間內(nèi)回燃發(fā)生的可能或?qū)赡馨l(fā)生回燃的房間破拆方式不正確，亦會導(dǎo)致回燃的發(fā)生，甚至引發(fā)更為嚴重的火災(zāi)事故[3]。因此研究腔室內(nèi)回燃及火災(zāi)發(fā)展過程已成為滅火救援領(lǐng)域的熱點研究課題。

近些年，國內(nèi)外學(xué)者利用試驗、模擬方法對腔室火災(zāi)回燃及發(fā)展過程進行了大量研究。瑞典隆德大學(xué)的Gojkovic建立了全尺寸回燃腔室，開口因子為2.2 m×1.80 m，以天然氣為燃料，研究發(fā)現(xiàn)可燃氣體濃度是控制腔室回燃發(fā)生的重要因素[4]；新西蘭坎特伯雷大學(xué)的Fleischmann建立了1/2縮尺寸回燃腔室模型，開口因子為1.1 m×0.4 m，以天然氣和丙烷為燃料，研究發(fā)現(xiàn)可燃氣濃度達到15%時才可能發(fā)生回燃[5-6]；法國普瓦提大學(xué)的Most建立了1/5縮尺寸回燃腔室模型，開口因子為25.6×10-2m2，以天然氣為燃料，研究了溫差變化對腔室回燃的影響[7]；翁文國[8-9]、陳愛平[10-11]等人建立了小尺寸回燃腔體，以可燃氣體為燃料，研究了可燃氣體組分與回燃發(fā)生的關(guān)系；韓國釜慶大學(xué)的Park利用FDS建立了小尺寸腔室模型，研究發(fā)現(xiàn)FDS能有效表現(xiàn)出重力流、火焰點燃、通風(fēng)口噴出火球等回燃現(xiàn)象，驗證了FDS模擬腔室回燃火災(zāi)的可行性[12]；丁謝鑌采用LES模擬方法，有效模擬了全開口對單一腔室火災(zāi)的影響[13]。目前，國內(nèi)外研究成果大多以可燃氣體或液體為燃料，而在實際火災(zāi)場景中主要可燃物為固體材料，因此以可燃氣體或液體為燃料的試驗數(shù)據(jù)及理論分析不能真實反映腔室火災(zāi)的回燃特性；同時大部分研究以單一開口因子為通風(fēng)條件，并未深入研究開口因子形式對腔室回燃及火災(zāi)發(fā)展影響機理。本文以1/5縮尺寸腔室為研究對象，以固體可燃物為燃料，通過改變開口位置及開口面積來研究通風(fēng)條件對回燃及腔室火災(zāi)過程的影響。

1 回燃及腔室火災(zāi)過程

腔室回燃發(fā)生的兩個必須條件為：一是前導(dǎo)燃燒；二是通風(fēng)條件改變。因此筆者將回燃及腔室火災(zāi)過程分為前導(dǎo)燃燒、回燃發(fā)生、回燃后燃燒三部分。(1)前導(dǎo)燃燒是通風(fēng)條件較差的腔室燃燒形式?；馂?zāi)初期，腔室內(nèi)火焰體積小，氧氣充足，燃燒較為完全；隨著火焰體積的增大，新鮮空氣只能通過腔體小孔或裂縫進入腔室，使得腔室內(nèi)氧氣含量逐漸減少，燃燒效率降低，產(chǎn)生過剩的可燃煙氣集聚在腔室內(nèi)上部空間。前導(dǎo)火焰隨著時間而減弱，直至熄滅，可燃物處于悶燃或陰燃狀態(tài)。(2)回燃發(fā)生。門窗破碎或人為破拆，腔室通風(fēng)條件突然改變，大量的新鮮空氣以重力流的方式進入腔室，與富含可燃熱解氣體的煙氣進行充分混合，進而形成預(yù)混區(qū)域。此時，如果有點火源存在，如燃燒余燼、高溫固體等，腔室內(nèi)可燃物會恢復(fù)有焰燃燒狀態(tài)，即回燃發(fā)生。(3)回燃后燃燒。腔室內(nèi)通風(fēng)條件得到較大改善，此時燃燒為燃料控制型燃燒。隨著時間推移，可燃物燃燒效率增加，燃燒速率增大，進而使得腔室內(nèi)可燃物全部進入燃燒狀態(tài)，處于全面燃燒階段。隨后，腔室內(nèi)可燃物逐漸減少，火焰體積減小，溫度下降，最終達到熄滅狀態(tài)。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗裝置

弗洛德相似準則是模型試驗與原型試驗相互轉(zhuǎn)換的橋梁，被廣泛應(yīng)用于模型試驗設(shè)計中，所涉及重要參數(shù)的比例關(guān)系如下：

式中，Q是火源功率，l為試驗尺寸，T為溫度，t為時間，下角標l和m分別代表原型試驗和模型試驗。

基于1/5的相似準則，建立了主體尺寸為1.2 m×0.6 m×0.6 m的回燃腔室，用于模擬尺寸為6.0 m×3.0 m×3.0 m的近似標準辦公室腔室火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展及回燃過程。腔體的模擬墻體為內(nèi)外表面采用2 mm的不銹鋼板，中間采用20 mm厚的硅酸鋁刺毯棉作為隔熱層。為了有效改變腔體的開口形式，腔體一側(cè)墻面呈9宮格分布，編號為1#～9#，以5#開口開啟為例，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括圖像采集系統(tǒng)、氣體組分采集系統(tǒng)、K型熱電偶樹。圖像采集系統(tǒng)采用高清攝像儀實時記錄腔室內(nèi)火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展全過程；氣體組分采集系統(tǒng)主要分析腔室內(nèi)氧氣含量的變化；距開口水平位置400 mm處布置熱電偶樹記錄腔室內(nèi)上方溫度變化，熱電偶之間的間距為100 mm。試驗以木垛火(10塊100 mm×100 mm×20 mm標準木材試樣搭成)為研究對象，采用輻射錐對木垛加熱，輻射強度為30 kW。木垛點燃后，停止輻射加熱，試樣能夠自行維持燃燒。

圖1 回燃火災(zāi)試驗裝置及開口形式示意圖

2.2 工況設(shè)計

在滅火救援過程中，救援人員會面臨破拆門窗等建筑構(gòu)件、近攻滅火的境地，一旦破拆位置及面積不當(dāng)，就可能導(dǎo)致房間內(nèi)發(fā)生回燃，造成嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失，因此研究開口位置及面積對回燃及腔室火災(zāi)過程的影響具有重大意義。為了探究開口形式對回燃及腔室火災(zāi)過程的影響機理，本文針對不同開口位置及開口面積設(shè)計了7種工況，如表1所示。其中試驗工況1、2、4、5為單一開口形式，開口面積為0.2 m×0.2 m，對應(yīng)原型試驗開口面積1.0 m×1.0 m；試驗工況3和6分別為窗開口和門開口形式，開口面積為0.2 m×0.4 m，對應(yīng)原型試驗開口面積1.0 m×2.0 m；試驗工況7為落地窗開口形式，開口面積為0.6 m×0.6 m，對應(yīng)原型試驗開口面積3.0 m×3.0 m。為了保證試驗的可重復(fù)性及試驗數(shù)據(jù)的可靠性，同種工況重復(fù)試驗3次。

表1 試驗工況

3 試驗結(jié)果分析

3.1 試驗現(xiàn)象

圖像采集系統(tǒng)能夠有效捕捉腔室內(nèi)火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展、回燃的全過程，典型門開口條件下的腔室火災(zāi)回燃全過程如圖2所示(注：穩(wěn)定燃燒時被定義為0 s)。木垛材料被點燃后，火勢逐漸變大，熱釋放速率快速增大，而腔室內(nèi)氧氣充足，使得腔室火災(zāi)在260 s左右進入穩(wěn)定燃燒階段。穩(wěn)定燃燒至93 s時，腔室內(nèi)氧氣含量不足，燃燒效率降低，火焰體積逐漸減小；燃燒至139 s，火焰熄滅，可燃物處于悶燒或陰燃狀態(tài)，熱解出過剩的可燃煙氣并在腔室內(nèi)集聚。該階段被定義為前導(dǎo)火災(zāi)部分，主要包括點燃階段、發(fā)展階段、穩(wěn)定燃燒階段及火焰熄滅階段。180 s時，通風(fēng)口開啟，通風(fēng)條件發(fā)生突變，大量的新鮮空氣通過門開口進去腔室，與過剩的可燃煙氣混合，形成預(yù)混可燃氣體區(qū)域。一旦遇到點火源(余燼或熱的固體)，就會發(fā)生可燃物的復(fù)燃，即回燃現(xiàn)象。該階段被定義為回燃發(fā)生部分，主要包括通風(fēng)突變階段、預(yù)混階段和回燃階段。

圖2 典型門開口條件下腔室內(nèi)回燃發(fā)生過程

3.2 回燃延遲時間

回燃延遲時間是腔室回燃火災(zāi)的重要參數(shù)之一，直接決定了滅火救援人員破拆門窗、進攻滅火的時機選擇?；厝佳舆t時間為通風(fēng)條件突然改變(開口開窗)至可燃物恢復(fù)燃燒所持續(xù)的時間，圖3為不同工況回燃延遲時間對比圖。通過對比1、2、4及5號場景可知，當(dāng)開口因子面積相同時，不同豎直位置開口(上部、中部、下部)條件下，中部回燃延遲時間最短，其次為上部、下部；不同水平位置開口(左端、中端)條件下，中端回燃延遲時間略小于左端。同時可以看出，開口面積越大，回燃延遲時間越短，全開口的回燃延遲時間僅為45 s，比窗開口及門開口的回燃延遲時間分別縮短了91 s、83 s。通過對比分析可知，開口位置及開口面積均對回燃有較大的影響作用，開口面積越大，開口位置越靠近中心位置，回燃發(fā)生可能性越大。

圖3 不同工況回燃延遲時間變化圖

3.3 腔室內(nèi)上方溫度

腔室內(nèi)上方溫度由距開口水平位置400 mm處的熱電偶樹記錄，圖4為典型門開口條件下腔室內(nèi)上方溫度變化曲線。由圖可知，腔室內(nèi)溫度經(jīng)歷了以下幾個階段：(1)快速增長階段，木垛被點燃后，熱釋放速率快速增大，腔室內(nèi)上方溫度升高到200 ℃左右。(2)快速降低階段，隨著燃燒時間的增加，腔室內(nèi)氧氣不足，燃燒強度降低，熱釋放速率大幅度下降，腔室內(nèi)溫度快速降低，直至腔室內(nèi)火焰熄滅發(fā)生陰燃。(3)快速增長階段，開口開啟后，通風(fēng)條件突然改變，大量空氣從開口進入腔室內(nèi)，有效促進了陰燃過程，增大了熱釋放速率，溫度再次快速升高，直至腔室內(nèi)回燃發(fā)生。開口開啟前，腔室內(nèi)上方最高溫度均在200 ℃左右；回燃發(fā)生前，腔室內(nèi)上方最低溫度在100～120 ℃。

圖4 門開口條件下腔室內(nèi)上方溫度變化曲線

回燃發(fā)生后，腔室內(nèi)上方最高溫度與開口因子有關(guān)。圖5為不同工況回燃后腔室內(nèi)上方最高溫度變化圖。通過對比1、2、4及5號場景可知，當(dāng)開口因子面積相同時，不同豎直位置開口(上部、中部、下部)條件下，中部中端、中部左端回燃后腔室內(nèi)最高溫度較高，分別為235 ℃、227 ℃，其次為上部、下部；不同水平位置開口(左端、中端)條件下，中端回燃后腔室內(nèi)最高溫度略高于左端；同時可以看出，全開口條件下回燃后腔室內(nèi)最高溫度為289 ℃，高于門開口及窗開口條件下回燃后腔室內(nèi)最大溫度，說明開口面積越大，回燃后腔室內(nèi)最高溫度越大。通過對比分析可知，開口位置和開口面積均對回燃后腔室內(nèi)燃燒劇烈程度有關(guān)，開口面積越大，開口位置越靠近中心位置，回燃后腔室內(nèi)最高溫度越高，可燃物燃燒越劇烈。

圖5 不同工況回燃后腔室內(nèi)最高溫度變化圖

3.4 氧氣含量分析

腔室內(nèi)氧氣含量由氣體組分分析儀測定，圖6為門開口條件下腔室內(nèi)氧氣含量隨時間變化曲線。由圖6分析可知，氧氣濃度變化曲線分為6個階段，主要包括緩慢下降階段、快速下降階段、快速上升階段、漸近平穩(wěn)階段、快速下降階段及快速上升階段。(1)緩慢下降階段：木垛被點燃，火焰體積小，燃燒消耗氧氣量小。(2)快速下降階段：火焰體積逐漸增大，燃燒進入穩(wěn)定燃燒階段，氧氣含量快速降低，使得腔室內(nèi)氧氣含量不足以維持燃燒，火焰逐漸減小直至熄滅；腔室內(nèi)發(fā)生陰燃，氧氣含量繼續(xù)降低到11%左右。(3)快速上升階段：開口開啟，通風(fēng)條件突然改變，大量新鮮空氣進入腔室內(nèi)，氧氣含量快速增加至21%左右。(4)漸近穩(wěn)定階段：新鮮空氣與腔室內(nèi)熱解可燃氣體充分混合，陰燃反應(yīng)加劇，直至腔室內(nèi)發(fā)生回燃。(5)快速降低階段：回燃發(fā)生后，腔室內(nèi)可燃固體發(fā)生劇烈燃燒，氧氣消耗量大幅度提升；隨著可燃物剩余質(zhì)量的減小，單位時間內(nèi)可燃物質(zhì)量損失速率減小，氧氣消耗量逐漸減小，直至可燃物燃燒殆盡。(6)火焰熄滅后，腔室內(nèi)氧氣含量快速恢復(fù)到大氣水平。

圖6 門開口條件下腔室內(nèi)氧氣含量

通過對比不同工況氧氣含量變化曲線可知，回燃發(fā)生前，腔室內(nèi)氧氣含量變化趨勢基本一致，氧氣含量最小值均在11%左右；開口打開后，氧氣含量均快速增大至21%左右；經(jīng)歷不同的延遲時間后，腔室內(nèi)發(fā)生回燃?；厝及l(fā)生后，可燃物持續(xù)不同的燃燒時間后發(fā)生熄滅，因此氧氣含量的第5階段持續(xù)時間被定義為回燃后持續(xù)燃燒時間。圖7為不同工況回燃后燃燒持續(xù)時間對比圖。通過對比1、2、4及5號場景可知，當(dāng)開口因子面積相同時，不同豎直位置開口(上部、中部、下部)條件下，中部回燃后持續(xù)燃燒時間最短，其次為上部、下部；不同水平位置開口(左端、中端)條件下，中端回燃后持續(xù)燃燒時間略小于左端。同時可以看出，全開口時回燃后持續(xù)燃燒時間為243 s，而窗開口及門開口時回燃后持續(xù)燃燒時間分別為336 s、315 s，均小于開口面積為0.04 m2時回燃后持續(xù)燃燒時間，說明開口面積越大，回燃后持續(xù)燃燒時間越短。通過對比分析可知，開口面積越大，開口位置越靠近中心位置，回燃后可燃物持續(xù)燃燒時間越短，燃燒強度越強。

圖7 不同工況回燃后持續(xù)燃燒時間對比圖

4 結(jié)論

本文利用1/5標準房間的腔室進行固體回燃火災(zāi)試驗，設(shè)計7種不同開口形式以探究開口面積及開口位置對回燃及腔室火災(zāi)過程的影響，記錄了腔室內(nèi)回燃及火災(zāi)全過程，重點分析了延遲時間、腔室內(nèi)上方溫度、氧氣含量及回燃后持續(xù)燃燒時間等參數(shù)，得到的主要結(jié)論為：(1)腔室火災(zāi)回燃過程主要包括前導(dǎo)燃燒及回燃發(fā)生兩個階段，腔室內(nèi)上方溫度經(jīng)歷了快速增長、快速降低、快速增長等階段。(2)腔室回燃過程中氧氣含量經(jīng)歷了緩慢下降、快速下降、快速增長、漸近穩(wěn)定、快速降低及快速增長等階段。(3)開口面積越大，開口位置越靠近中心位置，對回燃過程的發(fā)生有促進作用，使得回燃延遲時間越短，腔室內(nèi)上方溫度越高，回燃后持續(xù)燃燒時間越短，燃燒強度越強。