某乘用車火災(zāi)全尺寸實(shí)驗(yàn)研究

吳剛，胡悅，杜家勝，胡冰川

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某乘用車火災(zāi)全尺寸實(shí)驗(yàn)研究

吳剛1，胡悅2，杜家勝1，胡冰川1

（1.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026）

對(duì)乘用車火災(zāi)開(kāi)展研究對(duì)于乘用車防火設(shè)計(jì)、減少財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡、明確事故責(zé)任都具有重要的意義。文章通過(guò)全尺寸燃燒實(shí)驗(yàn)，得到熱釋放速率、溫度、熱流等參數(shù)，定性獲取了燃燒過(guò)程并定量了產(chǎn)生的熱危害。

乘用車火災(zāi)全尺寸實(shí)驗(yàn)；燃燒過(guò)程；熱釋放速率

前言

乘用車作為代步工具給人民生活提供了便捷，但其火災(zāi)頻發(fā)也帶來(lái)了一系列的安全問(wèn)題。由于乘用車整車實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜度及高成本，定量的全尺寸燃燒實(shí)驗(yàn)研究較少。因此，十分有必要開(kāi)展乘用車整車的燃燒實(shí)驗(yàn)，為乘用車火災(zāi)事故鑒定及火災(zāi)防控提供數(shù)據(jù)和理論支撐。

本研究通過(guò)開(kāi)展實(shí)車全尺寸實(shí)驗(yàn)，采集不同區(qū)域的溫度、熱流、熱釋放速率等參數(shù)，定性獲取其燃燒過(guò)程并定量其產(chǎn)生的熱危害，同時(shí)結(jié)合火蔓延過(guò)程，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行討論分析，闡述燃燒過(guò)程并分析過(guò)程現(xiàn)象。

1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)是在大空間內(nèi)進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度為26.5℃，相對(duì)濕度為60%。實(shí)驗(yàn)所用大型量熱儀的最大量程為10MW。溫度測(cè)量主要采用直徑為1.5mm的K型鎧裝鎳鉻-鎳硅熱電偶，其測(cè)溫范圍為0-1300℃。熱流計(jì)的量程采用50kW/m2和100kW/m2兩種規(guī)格。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

根據(jù)電氣系統(tǒng)火災(zāi)所占比例較高的特點(diǎn)[1]，本實(shí)驗(yàn)?zāi)M發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)電氣系統(tǒng)短路起火，起火位置設(shè)置在左側(cè)散熱風(fēng)扇線束處。實(shí)驗(yàn)中用火棍點(diǎn)燃油抹布，隨后關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋。實(shí)驗(yàn)時(shí)油箱內(nèi)留有10L汽油。實(shí)驗(yàn)車輛的尺寸為：5200mm×1860mm×1970mm。本實(shí)驗(yàn)是依據(jù)耗氧原理[2]得出的熱釋放速率。圖1顯示的是實(shí)驗(yàn)中熱電偶、攝像機(jī)及熱流計(jì)的布置示意圖。溫度布點(diǎn)方面，主要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙、乘客艙前排駕駛室以及車體外側(cè)溫度變化進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)量。1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)熱流計(jì)的量程分別為100kW/m2、50kW/m2和50kW/m2，分別布置在車輛左側(cè)距地面1.2m、1.85m和前側(cè)1.2m處，熱流計(jì)距車體的水平距離為5.5m。

圖1 實(shí)驗(yàn)布置示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 燃燒過(guò)程

通過(guò)對(duì)拍攝視頻進(jìn)行分析，發(fā)動(dòng)機(jī)艙點(diǎn)燃后，火蔓延路徑為發(fā)動(dòng)機(jī)艙——乘客艙——車輛尾部，車窗的破裂對(duì)火蔓延過(guò)程有著重要的作用。

3.1.1發(fā)動(dòng)機(jī)艙區(qū)域燃燒過(guò)程

火災(zāi)初始階段，僅在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)進(jìn)行燃燒并伴隨少量的白色煙氣從發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋及進(jìn)氣格柵中溢出，同時(shí)，熔融物不斷滴落到發(fā)動(dòng)機(jī)艙下方形成池火燃燒，致使發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部火勢(shì)進(jìn)一步擴(kuò)大。9分56秒，前保險(xiǎn)杠自右側(cè)大燈處整塊掉落，可燃物大面積暴露在空氣中，發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)入劇烈燃燒階段。接著，火焰沿著發(fā)動(dòng)機(jī)艙上方、左右兩側(cè)艙蓋向前擋風(fēng)玻璃、左右輪胎處蔓延，前擋風(fēng)玻璃開(kāi)始出現(xiàn)受熱熔化現(xiàn)象。13分09秒，右前輪胎爆裂，14分33秒，左前輪胎爆裂。

3.1.2乘客艙區(qū)域燃燒過(guò)程

14分47秒，前擋風(fēng)玻璃下部被烤化，火焰從發(fā)動(dòng)機(jī)艙蔓延到乘客艙，儀表臺(tái)的材料首先開(kāi)始熱解燃燒。19分58秒，前擋風(fēng)玻璃完全破碎，乘客艙火焰燃燒程度更加劇烈。21分05秒，火焰沿車輛頂部涂層向后蔓延，同時(shí)，在乘客艙內(nèi)部，火焰沿頂棚及座椅向后部蔓延。25分54秒，乘客艙開(kāi)始進(jìn)入劇烈燃燒狀態(tài)。另外，火焰沿左側(cè)車門的涂層開(kāi)始向下蔓延，為油箱處油品的燃燒提供條件。28分17秒，右前和右中玻璃相繼破裂失效，車體左右兩側(cè)涂層被逐漸炭化。

3.1.3車輛尾部區(qū)域燃燒過(guò)程

29分16秒，車輛后窗縫隙處有可見(jiàn)火焰溢出，車輛尾部涂層及塑料件被燒化。31分51秒，后車窗整塊破碎掉落。35分41秒，左后輪胎及油箱處劇烈燃燒。隨后，燃油箱破裂，形成了劇烈的油池火燃燒。38分29秒，右后輪胎爆裂，1分鐘后，左后輪胎爆裂。42分鐘，進(jìn)行滅火，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

3.2 溫度

3.2.1發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部溫度

如圖2所示，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)風(fēng)扇處被點(diǎn)燃后，不同布點(diǎn)位置處的溫度呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)。隨著火焰從前進(jìn)氣格柵中溢出，使得燃燒更加劇烈，溫度呈現(xiàn)驟升的現(xiàn)象。前保險(xiǎn)杠脫落后，可燃物與空氣充分接觸，燃燒強(qiáng)度大幅度增強(qiáng)，溫度持續(xù)升高。在經(jīng)歷了一個(gè)溫度快速增長(zhǎng)過(guò)程后，溫度在燃燒充分發(fā)展階段變化幅度減小。圖3顯示的分別為發(fā)動(dòng)機(jī)艙和乘客艙內(nèi)前圍板處的溫度變化曲線。646s，發(fā)動(dòng)機(jī)艙前圍板處溫度開(kāi)始迅速升高，808s，此處溫度響應(yīng)速度加快，溫度逐漸升高。此時(shí)，乘客艙前圍板處溫度變化很小，這說(shuō)明火焰不是通過(guò)前圍板蔓延到乘客艙的。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部溫度變化曲線

圖3 前圍板位置溫度變化曲線

3.2.2乘客艙內(nèi)部溫度

如圖4所示，887s，火焰通過(guò)破損的前擋風(fēng)玻璃下側(cè)進(jìn)入乘客艙，儀表臺(tái)開(kāi)始燃燒，溫度快速升高。1198s時(shí)，前擋風(fēng)玻璃完全破碎，火焰向乘客艙后方蔓延的速度加快。1265s時(shí)，火焰開(kāi)始沿車頂內(nèi)外頂板向后方同步蔓延。隨著乘客艙內(nèi)座椅、頂板材料等參與燃燒，火焰通過(guò)熱傳導(dǎo)對(duì)外頂板涂層材料產(chǎn)生熱量反饋，使得外頂板涂層材料的預(yù)熱區(qū)溫度升高，熱解前沿移動(dòng)的速度加快，火蔓延速度加快。2141s后，乘客艙內(nèi)溫度變得相對(duì)穩(wěn)定。

圖4 乘客艙內(nèi)部溫度變化曲線

圖5 車體外側(cè)溫度變化曲線

3.2.3車體外側(cè)溫度

如圖5所示，大約629s時(shí)，火焰從發(fā)動(dòng)機(jī)艙溢出，直接作用于發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋，并沿著表面涂層進(jìn)行蔓延。在火焰到達(dá)發(fā)蓋正中間時(shí)，此處的溫度為116℃，小于文獻(xiàn)中測(cè)量的涂層初始炭化溫度300℃[3]。當(dāng)火焰蔓延至前擋風(fēng)玻璃下側(cè)時(shí)，火焰和煙氣通過(guò)輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)形式對(duì)前擋風(fēng)玻璃進(jìn)行了傳熱，并使整塊玻璃溫度分布不均勻，產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致其破裂和脫落[4]。破裂前擋風(fēng)玻璃左側(cè)下方的溫度為62℃，1550s左右，左中玻璃破碎，玻璃破碎溫度約為66℃。

3.3 火焰輻射

如圖6所示，發(fā)動(dòng)機(jī)艙劇烈燃燒時(shí)，前側(cè)熱流值達(dá)到1.14kW/m2。隨著燃燒的持續(xù)進(jìn)行，熱流值持續(xù)變大，峰值熱流達(dá)到2.98kW/m2。789s和873s時(shí)，熱流測(cè)量值出現(xiàn)兩個(gè)陡升值，這分別是由于右前和左前輪胎爆裂引起的瞬時(shí)高熱流。當(dāng)火焰蔓延到乘客艙后，左側(cè)熱流測(cè)量值隨著乘客艙的充分燃燒逐漸變大，1813s時(shí)，由于駕駛員側(cè)氣囊爆炸，熱流值出現(xiàn)了陡升。乘客艙劇烈燃燒階段峰值熱流為2.90kW/ m2。當(dāng)油箱中汽油大量泄漏后，左側(cè)火焰輻射熱流值升高，并隨著左右后輪胎的爆裂，輻射熱流同樣出現(xiàn)陡升。

圖6 火焰輻射變化曲線

圖7 熱釋放速率變化曲線

3.4 熱釋放速率

熱釋放速率是物體著火標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻中產(chǎn)生的熱量，作為判斷物體著火特征與著火危害的基本指標(biāo)[5]。圖7為燃燒過(guò)程中熱釋放速率和熱釋放總量的曲線變化圖。熱釋放速率變化過(guò)程與熱流變化相似，發(fā)動(dòng)機(jī)艙劇烈燃燒、乘客艙劇烈燃燒及汽油泄漏階段的變化曲線較為明顯。發(fā)動(dòng)機(jī)艙劇烈燃燒階段熱釋放速率峰值達(dá)3.06MW。乘客艙劇烈燃燒階段熱釋放速率峰值達(dá)到3.05MW。當(dāng)汽油泄漏后，熱釋放速率峰值達(dá)到整個(gè)燃燒過(guò)程中的最大值3.38MW。

4 結(jié)論

通過(guò)觀察燃燒現(xiàn)象，分析燃燒過(guò)程，分析測(cè)量點(diǎn)位置溫度及火焰輻射、熱釋放速率的變化情況，可得到以下結(jié)論：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)艙起火，火焰首先會(huì)從發(fā)動(dòng)機(jī)艙區(qū)域蔓延至進(jìn)氣格柵、保險(xiǎn)杠處，可根據(jù)前保險(xiǎn)杠掉落的時(shí)間來(lái)預(yù)估發(fā)動(dòng)機(jī)艙發(fā)生劇烈燃燒的時(shí)間。為防止火勢(shì)的進(jìn)一步擴(kuò)大，在發(fā)動(dòng)機(jī)艙起火后，滅火應(yīng)控制在10min之內(nèi)。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)艙起火后，火焰會(huì)首先通過(guò)破碎的前擋風(fēng)玻璃進(jìn)入乘客艙，前擋風(fēng)玻璃的破碎會(huì)導(dǎo)致火焰沿車頂內(nèi)外頂板同步蔓延，內(nèi)外頂板相互的熱反饋可進(jìn)一步加快乘客艙內(nèi)火焰的蔓延。

（3）燃油泄漏后，峰值熱釋放速率出現(xiàn)較大增長(zhǎng)。因此，車庫(kù)通風(fēng)排煙設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮燃油泄漏燃燒的情況。

（4）火焰在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的傳播速度快于乘客艙。

[1] 劉振剛.汽車火災(zāi)原因調(diào)查[M].天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社,2008: 10-23.

[2] International Organization for Standardization. ISO 5660‐1, 2015, Reaction‐to‐fire tests–heat release, smoke production and mass loss rate–Part 1: heat release rate (cone calorimeter method) and smoke production rate (dynamic measurement)[J]. 2015.

[3] 張磊,李耕勤,朱國(guó)慶,等.汽車火災(zāi)燃燒試驗(yàn)現(xiàn)象分析[J].消防科學(xué)與技術(shù), 2018(1):136-139.

[4] 王禹.火災(zāi)下玻璃幕墻破裂行為的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2016.

[5] Babrauskas V, Peacock R D. Heat release rate: the single most important variable in fire hazard [J]. Fire Safety Journal, 1992, 18 (3): 255-272.

A Study of Full-scale Experimental of Passenger Car Fire

Wu Gang1, Hu Yue2, Du Jiasheng1, Hu Bingchuan1

( 1.Anhui Jianghuai Automobile Group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601; 2.University of Science and Technology of China, Anhui Hefei 230026 )

Research on the passenger car fires is of great significance for protection design, reduction of property losses and casualties, and responsibility identification for car fire accidents. The parameters such as heat release rate, temperature and heat flow were obtained through passenger car full-scale fire experiments. The burning process was qualitatively obtained and the thermal hazard generated by the fire was quantitatively determined.

full-scale of passenger car fire experiment;combustion process; heat release rate

U467

B

1671-7988(2019)07-112-03

吳剛，電器設(shè)計(jì)主任工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。研究方向：汽車電氣設(shè)計(jì)及汽車防火設(shè)計(jì)。

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1671-7988(2019)07-112-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.037