小尺度固體材料表面火蔓延實(shí)驗(yàn)研究

朱國棟 吳飛 遲媛 盧連成 馬奕煒 孫曉秋

北京特種工程設(shè)計(jì)研究院

0 引言

固體表面火蔓延是固相氣相傳輸，固相熱解，氣相可燃?xì)怏w與氧化物反應(yīng)等過程共同作用的結(jié)果，廣泛存在于建筑火災(zāi)中，是火災(zāi)理論研究的基礎(chǔ)性問題[1-3]，因此對(duì)表面火研究有助于深入了解表面火蔓延理論。

根據(jù)表面火的蔓延過程，固體表面火蔓延可以分為水平火蔓延，垂直火蔓延以及其他角度的表面火蔓延[4-5]，如圖1 所示，分別對(duì)應(yīng)于建筑火災(zāi)中的頂棚，地面火蔓延以及緊貼壁面和墻角火蔓延[6]，本文主要針對(duì)不同形式的表面火進(jìn)行小尺度表面火蔓延實(shí)驗(yàn)研究，分析其蔓延特性，并對(duì)固體材料內(nèi)部溫度，表面火蔓延速度及不同角度下的火焰形態(tài)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。

圖1 表面火蔓延過程分類

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)的組成部分主要包括：測(cè)量系統(tǒng)和參數(shù)調(diào)控系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)采集、傳感器三部分組成，主要包括電腦、R-8018BL 數(shù)據(jù)采集模塊、K 型熱電偶、視頻采集裝置。參數(shù)調(diào)控系統(tǒng)主要由一個(gè)旋轉(zhuǎn)支架構(gòu)成，可調(diào)節(jié)角度，從而研究表面火在不同角度時(shí)的蔓延特性，比如水平火、45°火、垂直火蔓延速度。

圖2 小尺度表面火蔓延實(shí)驗(yàn)臺(tái)

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)選取了一批質(zhì)量均勻、無裂縫，各個(gè)平面加工光滑、平整的椴木作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象。試樣長：300 mm。寬：30 mm；厚：3 mm。為了降低其他物理參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)精確度的影響，比如木料的密度、含水率、木紋方向等，本實(shí)驗(yàn)選取了同一批木材，并進(jìn)行了12 小時(shí)的100 ℃烘干處理（表1），制備時(shí)沿著木紋方向，以減少木紋方向?qū)Ρ砻婊鹇拥挠绊憽２⑶覟榱四繙y(cè)表面火的蔓延速度，在試樣表面每隔20 mm 做一個(gè)標(biāo)記，用來觀察表面火的蔓延速度的大小。

表1 試樣干燥前后密度變化及含水率

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

本實(shí)驗(yàn)測(cè)量的主要參數(shù)包括：①水平火、45°火、垂直火蔓延速度。②火焰形態(tài)測(cè)量。③固體內(nèi)部的溫度測(cè)量。

本實(shí)驗(yàn)在固體內(nèi)部均勻布置了五個(gè)熱電偶，每兩個(gè)熱電偶之間的距離為20 mm，分別編號(hào)為T1、T2、T3、T4、T5。為了測(cè)量試樣上表面溫度變化，在距離固體上表面處設(shè)置熱電偶R3，垂直方向其他熱電偶之間的間距為20 mm，如圖3 所示。

圖3 熱電偶布置

表面火蔓延速度及火焰形態(tài)的測(cè)量將采用數(shù)字?jǐn)z像儀進(jìn)行圖像采集，并利用Matlab 的圖像處理功能對(duì)圖像進(jìn)行后處理，以便更精確的觀察到表面火蔓延時(shí)的火焰形態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 固體材料內(nèi)部溫度變化

對(duì)水平火蔓延進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，選取T3 測(cè)點(diǎn)處的溫度變化進(jìn)行分析，如圖4。從圖4（a）圖中可以看出，在表面火蔓延過程中，固體內(nèi)部的溫度變化可以分成三個(gè)階段，即：預(yù)熱階段、熱解階段、燃燒階段。當(dāng)表面火的熱解前鋒逐漸蔓延至T3 測(cè)點(diǎn)時(shí)，其溫度由緩慢上升變?yōu)榧眲∩仙?，即預(yù)熱階段的AB 段。當(dāng)?shù)竭_(dá)B點(diǎn)時(shí)溫度變化趨于緩慢，這是因?yàn)榇藭r(shí)試樣達(dá)到了熱解溫度，大約為400 ℃，正發(fā)生熱解過程，由火焰和導(dǎo)熱過程傳遞來的熱量被熱解過程吸收，以便使部分材料氣化，維持氣相燃燒。當(dāng)?shù)竭_(dá)C 點(diǎn)時(shí)溫度又突然上升，原因是由于熱解后的材料炭化，與空氣接觸發(fā)生燃燒的結(jié)果，大概到達(dá)D 點(diǎn)時(shí)燃燒結(jié)束，溫度開始下降。為了更準(zhǔn)確的確定其熱解溫度，從圖4（b）圖溫度變化率曲線中可以明顯的看到，在整個(gè)蔓延過程中，溫度變化率曲線有兩個(gè)明顯的峰值，兩個(gè)峰值之間的低谷溫度從急劇上升變?yōu)榫徛仙S后又變?yōu)榧眲∩仙?，此即為熱解過程BC 段，并得到椴木的熱解溫度為T=410 ℃，到達(dá)時(shí)刻為t=143 s。

由于表面溫度是木材燃燒的重要參數(shù)，經(jīng)常作為輸入?yún)?shù)，應(yīng)用到火災(zāi)模型當(dāng)中，本文對(duì)試樣表面的溫度變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究并進(jìn)行了結(jié)果分析。圖5 為試樣表面測(cè)點(diǎn)R3 處的溫度變化圖，從溫度變化圖中可以看出，R3 點(diǎn)處溫度開始時(shí)變化緩慢，隨即迅速上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一溫度時(shí)開始下降，此溫度即為試樣的最高表面溫度，約為620 ℃。結(jié)合溫度變化圖與溫度變化率圖，可以看出，隨著實(shí)驗(yàn)角度的增加，R3 點(diǎn)溫度發(fā)生劇烈變化的時(shí)間越早，表面火蔓延至R3 點(diǎn)的時(shí)間越短，蔓延速度越快，其原因?yàn)殡S著角度的增加，火焰對(duì)試樣的熱量傳遞作用增強(qiáng)，浮力作用對(duì)火災(zāi)蔓延的作用越明顯。

圖4 測(cè)點(diǎn)T3 處的溫度數(shù)據(jù)圖

圖5 三種放置角度下測(cè)點(diǎn)R3 的溫度變化

2.2 表面火蔓延速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖6 為水平表面火熱解前鋒位置與時(shí)間關(guān)系圖，從圖6 中的曲線變化率可以看出，水平表面火蔓延在整個(gè)蔓延時(shí)間段上并不是以某一特定的速度進(jìn)行蔓延，而是經(jīng)歷了由緩慢蔓延到蔓延速度增大，再到以穩(wěn)定速度蔓延的過程，這是因?yàn)樵嚇釉谌紵^程中要經(jīng)歷由熱量積聚到穩(wěn)定傳熱的過程。本文把穩(wěn)定蔓延后的速度作為水平表面火的蔓延速度，通過曲線擬合，擬合后曲線斜率即為水平表面火蔓延速率，大小為V0=0.18 cm/s。

圖6 水平火蔓延熱解前鋒位置與時(shí)間關(guān)系示意圖

圖7 45°、90°表面火熱解前鋒位置與時(shí)間關(guān)系圖

圖7 為45°、90°表面火熱解前鋒位置與時(shí)間的關(guān)系圖，通過曲線擬合，得到表面火的蔓延速度分別為V45°=0.33 cm/s、V90°=1.25 cm/s。通過觀察不同角度下的表面火蔓延速度圖，可以發(fā)現(xiàn)，隨著角度的增加，表面火的蔓延速度也隨之不斷增大，通過曲線擬合發(fā)現(xiàn)增長速度與角度存在指數(shù)關(guān)系，分析其原因?yàn)?，隨著角度的增加，上表面火焰與試樣表面之間的夾角不斷減小，氣相火焰對(duì)試樣表面的熱對(duì)流和熱輻射作用不斷加強(qiáng)，從而造成了蔓延速度的不斷增大。

2.3 火焰形態(tài)測(cè)量結(jié)果及分析

研究表面火蔓延時(shí)火焰形態(tài)的變化有助于了解蔓延過程中流場(chǎng)特性和蔓延特性。通過觀察水平火蔓延形態(tài)發(fā)現(xiàn)，在表面火蔓延過程當(dāng)中，試樣邊緣處的火蔓延速度要大于中間處的火蔓延速度，如圖8 所示，造成這種現(xiàn)象的主要原因是由于邊緣處的空氣流動(dòng)更加充分，卷吸更加強(qiáng)烈，供氧更加充足，因此蔓延速度更快，即邊緣效應(yīng)。

圖8 表面火蔓延

圖9 三種角度下表面火形態(tài)變化

圖9 為三種角度下表面火蔓延過程中的火焰形態(tài)變化對(duì)比圖。從圖9（a）中可以看出，水平火在蔓延過程中，初始階段燃燒緩慢，火焰高度不高，隨著蔓延的進(jìn)行，火焰穩(wěn)定增長，火焰高度增加，并維持一定的火焰高度蔓延。由于火焰受到浮力誘導(dǎo)自然對(duì)流的作用，火焰方向向上。對(duì)比圖9（a）、（b）可以看出，由于試樣表面角度的變化，同樣受到浮力誘導(dǎo)自然對(duì)流的作用，圖9（b）中，火焰與試樣表面之間的夾角變小，這就增強(qiáng)了熱對(duì)流與熱輻射對(duì)表面火蔓延的影響，加快了火蔓延速度，同時(shí)在火焰穩(wěn)定增長8 s 之后，出現(xiàn)了明顯的火焰振蕩現(xiàn)象，并不斷加強(qiáng)。比較圖9（a）和（b）、（c），可以發(fā)現(xiàn)，在垂直條件下，火焰方向與試樣表面平行，這就造成了垂直條件下表面火蔓延速度比其他角度條件下都要快，從點(diǎn)火開始到14 s 時(shí)，火焰已經(jīng)蔓延至整個(gè)試樣表面。

3 結(jié)論

通過小尺度固體材料表面火蔓延實(shí)驗(yàn)得到如下結(jié)論：

1）通過熱電偶對(duì)表面火蔓延時(shí)試樣內(nèi)部溫度的分析，加強(qiáng)了對(duì)預(yù)熱階段、熱解階段、燃燒階段的認(rèn)識(shí)，并通過計(jì)算軟件分析得到了材料熱解溫度，大約為410 ℃。并對(duì)不同角度下同一測(cè)點(diǎn)達(dá)到最高溫度的時(shí)間進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)隨著角度的增加，試樣表面測(cè)點(diǎn)處開始出現(xiàn)溫度升高的時(shí)刻越早。

2）通過對(duì)水平表面火蔓延速度的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，水平表面火蔓延在整個(gè)蔓延時(shí)間段上并不是以某一特定的速度進(jìn)行蔓延，而是經(jīng)歷了由緩慢蔓延到蔓延速度增大，再到以穩(wěn)定速度蔓延的過程。通過測(cè)量不同角度下表面火蔓延速度，發(fā)現(xiàn)隨著角度的增加，表面火蔓延速度越快。

3）通過觀察表面火蔓延形態(tài)，發(fā)現(xiàn)試樣邊緣處受邊界效應(yīng)的影響，此處火蔓延速度更快，在不同角度下，火焰受到浮力誘導(dǎo)自然對(duì)流的作用，火焰與試樣表面之間的角度不斷減小，增強(qiáng)了熱輻射和熱對(duì)流的作用，使蔓延速度更快。