側(cè)向風(fēng)速對于聚氨酯水平貼壁火蔓延實驗探究①

王經(jīng)緯，李浩瀚，馬 鑫,*

(安徽建筑大學(xué)a.土木工程學(xué)院，b.環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

建筑外墻保溫材料的廣泛應(yīng)用一方面提高墻體保溫隔熱性能，另一方面也增加了室內(nèi)熱穩(wěn)定性。外墻保溫系統(tǒng)一般采用聚苯乙烯(PS)，聚氨酯(PU)等高分子聚合物材料，它們在火災(zāi)中由于不完全燃燒和熱解會產(chǎn)生大量的煙塵和CO、HCN等有毒氣體，并且具有極快的火蔓延速度，部分保溫材料燃燒時的熔融滴落特性更是會導(dǎo)致火災(zāi)危害性進(jìn)一步提升。實際上，火蔓延是火焰羽流和熱解材料之間傳熱傳質(zhì)的結(jié)果[1]，其中大部分是針對保溫材料在不同火災(zāi)場景下進(jìn)行實驗研究[2-3]。Ma等[4-5]研究發(fā)現(xiàn)，火蔓延速率與不同立面傾角下的壓力有關(guān)，當(dāng)環(huán)境壓力較低時，較寬的試樣隨著熔滴行為的發(fā)生火焰前沿逐漸擴(kuò)展，而較窄的幕墻間距下熱反饋?zhàn)饔脮a(chǎn)生連續(xù)的熔滴液體。Wang等[6]主要分析了八種較為典型的高分子聚合物的垂直火蔓延特性及相關(guān)燃燒行為特點(diǎn)。其研究指出，高分子材料的熱解機(jī)理對垂直火蔓延過程中的熔融滴落有著十分顯著的影響。此次研究針對真實高層建筑火災(zāi)案例中易燃的外立面水平保溫材料軟質(zhì)聚氨酯(flexible polyurethane，F(xiàn)PU)受到環(huán)境風(fēng)速影響下的火蔓延特性開展實驗，分析不同側(cè)向風(fēng)速下保溫材料FPU水平貼壁火蔓延行為特性，研究結(jié)果為高層火災(zāi)防治提供理論支撐。

1 實驗設(shè)計

所有實驗均在如圖1所示的實驗平臺進(jìn)行。石膏隔熱立面良好的高溫穩(wěn)定性能夠更好地模擬真實建筑立面構(gòu)型，同時實驗中選取常用的外保溫材料FPU水平固定于石膏立面，調(diào)整側(cè)向均勻送風(fēng)裝置模擬真實環(huán)境風(fēng)效應(yīng)，開展實驗室規(guī)模水平壁面火蔓延實驗?；鹇酉到y(tǒng)由石膏隔熱立面、支架、熔滴槽等組成，其目的是提供真實建筑的立面構(gòu)型，更加貼合壁面火災(zāi)實際場景。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則是由各類實驗儀器組成。配置10根K型熱電偶陣列(測量范圍0-1300℃，精度0.01℃)編號T0-T9，分兩行布置在距離實驗板材表面2mm處，如圖1所示，用來記錄火蔓延過程中板材表面氣相溫度場變化情況。板材表面設(shè)置兩支水冷式輻射熱流計(上海圖新，精度 0.01kW/m2)用來記錄板材近域輻射熱流場變化，同時表征燃燒區(qū)域向外熱輻射熱效應(yīng)。固定支架下方設(shè)置高精度電子天平(精度 0.01g,德國Sartorius )，記錄火蔓延中保溫材料燃燒質(zhì)量損失及熔融滴落物質(zhì)量，便于后期分析FPU質(zhì)量損失速率等參數(shù)。位于實驗平臺正面(1#)與側(cè)面(2#)設(shè)置高清相機(jī)(SONY,FDR-AX100E,50 fps)記錄蔓延全過程中火焰形態(tài)變化和火焰前鋒特征。調(diào)節(jié)側(cè)向均勻送風(fēng)系統(tǒng)至實驗風(fēng)速，風(fēng)速儀校準(zhǔn)標(biāo)定風(fēng)速誤差小于±0.1m/s，符合實驗要求。每組實驗工況重復(fù)不少于3次，選取可重復(fù)得到的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。實驗結(jié)束后對所得各項數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，剔除部分波動數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析與討論。

圖1 保溫板材FPU水平火蔓延實驗平臺

表1 實驗所有FPU材料各項物性參數(shù)

2 實驗分析

2.1 火焰羽流形貌特征

火焰形態(tài)特征能夠反應(yīng)燃燒物熱釋放速率的大小，還受周圍環(huán)境空氣對流因素的影響，這對火災(zāi)過程控制具有決定性作用，因此研究蔓延過程中火焰形態(tài)非常有必要。當(dāng)處于無風(fēng)環(huán)境中(圖2a)，火焰前峰表現(xiàn)為一維線性特征，熱解前鋒存在一定程度的傾斜，這是因為熱解區(qū)域熔融層相變液體受自身重力作用流淌、滴落，板材下側(cè)往往能夠積聚更多的燃燒熱，促進(jìn)下側(cè)預(yù)熱區(qū)熱解、蒸發(fā)。側(cè)向風(fēng)速存在時(圖2b)，隨著火蔓延進(jìn)入穩(wěn)定階段，熱解前沿呈現(xiàn)上下“二段式”分布特征。然而，隨著風(fēng)速的增大(圖2c-d)，火焰會緊貼壁面并存在一定程度的拉伸，熱解前鋒特征長度呈“上長下短”的形式，換句話說，熱解前鋒夾角端點(diǎn)不斷下移。這是因為火焰羽流耦合側(cè)向風(fēng)力與浮力作用，使原本無風(fēng)環(huán)境下處于豎直狀態(tài)的火焰受到水平應(yīng)力分量被拉伸和傾斜，熱解前鋒由原先的一維線性轉(zhuǎn)變?yōu)閭?cè)向風(fēng)速存在時的“斜V”型二段分布，并且上側(cè)熱解前鋒特征長度不斷增加。

圖2 不同側(cè)向風(fēng)速下火焰羽流熱解前鋒形態(tài)特征

2.2 板材質(zhì)量損失變化

聚合物保溫材料火蔓延將會經(jīng)歷四個階段：熔融、熱解、燃燒和蔓延。熱固性保溫材料FPU燃燒行為是多相態(tài)耦合過程，熔融滴落的液相材料會在周圍形成油池火，二者互相的熱反饋?zhàn)饔脤⒓觿』饎?。實際建筑立面火災(zāi)中，F(xiàn)PU燃燒產(chǎn)物主要為煙塵顆粒和液態(tài)熔滴物，其中煙氣產(chǎn)物對于火災(zāi)現(xiàn)場人員逃生形成較大障礙，而高溫熔融物的流淌、滴落很可能會引燃周圍可燃物，進(jìn)一步促進(jìn)火勢蔓延。通過計算原始板材與實驗結(jié)束后熔滴槽承接滴落物的質(zhì)量，求得板材各部分燃燒產(chǎn)物分布情況，這對計算不同風(fēng)速下FPU板材熔滴率(熔滴物)與燃燒揮發(fā)率(煙氣)具有重要意義。定義

(1)

來表征FPU板材的熔融滴落率。式(1)中mi為板材初始質(zhì)量，md為每組實驗結(jié)束后由熔滴槽上收集的滴落物質(zhì)量，如表2所示。

表2 不同風(fēng)速下FPU熔融滴落和燃燒揮發(fā)質(zhì)量百分比

從表2可以看出，隨著側(cè)向風(fēng)速的增加，燃燒熔滴率ηd逐漸增加，燃燒揮發(fā)率逐漸減小。這是因為側(cè)向風(fēng)速的存在一方面為燃燒區(qū)域熔融液體提供水平應(yīng)力分量，增加相變液體流淌、滴落的概率，形成ηd出現(xiàn)上升趨勢。另一方面，風(fēng)速的增加消耗更多燃燒熱量，并且高溫熔滴液體的流失也使得預(yù)熱區(qū)域熱量難以積聚，這也是燃燒揮發(fā)率逐漸下降的原因。

2.3 近域輻射熱流場

熱解前鋒區(qū)域形成液態(tài)的熔融層的傳熱系數(shù)較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于固體內(nèi)部的傳熱。所以通過熔融層區(qū)域和火焰輻射熱傳遞到板材預(yù)熱區(qū)域熱量的大小將成為控制FPU板材水平火蔓延的主要因素。圖3表明在兩種側(cè)向風(fēng)速下FPU板材表面輻射熱流變化趨勢。當(dāng)處于無風(fēng)環(huán)境中(Vw=0m/s)，火焰僅受浮力作用呈近似豎直狀態(tài)水平蔓延，上下側(cè)火焰輻射熱通量變化幾乎持平。當(dāng)火蔓延進(jìn)入穩(wěn)定階段后，火焰前鋒由最初的豎直態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閮A斜態(tài)，如圖3所示，并且蔓延速度穩(wěn)定。這是因為側(cè)邊板材豎直態(tài)熔融層的自然熔滴現(xiàn)象，下側(cè)往往能積聚更多相變液體，對預(yù)熱區(qū)的熱反饋?zhàn)饔酶e極使得板材下側(cè)熱解蒸發(fā)速率更快。側(cè)向風(fēng)環(huán)境下(Vw=2.0m/s)，上側(cè)輻射上升明顯快于下側(cè)，這與二段式火焰前鋒分布相關(guān)，出現(xiàn)這樣的火焰前鋒原因上述部分已經(jīng)闡明。上側(cè)的輻射峰值一定程度上也高于下側(cè)，這是因為火焰羽流受浮力效應(yīng)驅(qū)使，一定程度的豎直分量促進(jìn)火焰規(guī)模，由此形成上述現(xiàn)象。這在真實火災(zāi)情形中表現(xiàn)為火焰區(qū)上方受到更多的熱傷害，一部分是對流熱量，另一部分是輻射熱流。

圖3 風(fēng)速Vw=0m/s和Vw=2.0m/s下FPU表面輻射熱流分布變化

3 結(jié) 語

通過以上多次實驗，我們對實驗結(jié)果進(jìn)行熱力學(xué)分析，力圖找出側(cè)向風(fēng)速效應(yīng)對于保溫板材水平火蔓延行為影響的規(guī)律，為現(xiàn)代高層建筑防火救援提供參考依據(jù)。所得主要結(jié)論總結(jié)如下：

(1)無風(fēng)環(huán)境下，保溫板材水平貼壁火蔓延進(jìn)入穩(wěn)定階段后預(yù)熱區(qū)熔融層下側(cè)往往能夠積聚更多熔融液體從而促進(jìn)板材熱解，熱解前鋒呈現(xiàn)略微傾斜的一維線性形態(tài)。隨著側(cè)向風(fēng)速的增大，熱解前鋒逐漸變?yōu)椤岸问健狈植迹蟼?cè)的特征長度最后取代下側(cè)，熱解前鋒再次呈現(xiàn)一維線性。

(2)板材燃燒產(chǎn)物主要為揮發(fā)的煙氣和相變?nèi)鄣挝铮渲须S著側(cè)向風(fēng)速的增加，板材燃燒揮發(fā)率不斷減少。，熔滴率ηd不斷增加

(3)側(cè)向風(fēng)速存在會提高水平保溫材料表面輻射熱通量的峰值，并且縮短峰值出現(xiàn)的時間，這在火災(zāi)案例中是非常不利的。水平板材上側(cè)輻射熱通量峰值顯著高于下側(cè)，并且升溫時間更早，火災(zāi)危險性更大。