環(huán)境壓力對飛機艙內典型乘客衣物燃燒特性的影響

劉全義， 孫中正， 賈旭宏， 智茂永， 朱新華

(中國民用航空飛行學院民航安全工程學院， 德陽 618307)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，紡織產品在日常生活中被大量使用[1]。根據(jù)美國消防協(xié)會(NFPA)統(tǒng)計[2]，約有20%的乘客死于撞機后的火災事故?？椢锊牧暇哂泻穸缺　⒈缺砻娣e大及易積聚的特點，因此低強度的熱輻射就可以引燃，且織物火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，一旦在有限的空間內著火，幾分鐘內就會釋放出大量的有毒煙霧和熱量，使人中毒窒息，失去逃生能力[3-4]。飛機艙內行李集中堆積且多具有易燃性[5-6]，一旦著火將造成嚴重危害。根據(jù)美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)的規(guī)定飛機在高空飛行時客艙內處于低壓環(huán)境。材料的極限氧指數(shù)(LOC)由傳熱機制和化學動力學機制共同決定[7]，所以不同壓力環(huán)境下的材料燃燒特性會發(fā)生很大變化。因此研究乘客衣物的燃燒特性對于民航運輸安全及人員防護具有重要意義。

目前，中外學者對典型可燃材料在不同壓力環(huán)境下的燃燒特性進行了大量研究。賀元驊等[8]在多壓力條件下對機艙內飾材料進行燃燒測試，研究表明低壓下材料的燃燒速率降低，但煙氣毒害性會增大[9]；葉瓊等[10]對100批次裝飾織物進行燃燒測試，研究表明國內裝飾織物多為非阻燃材料，燃燒風險等級較高、易造成嚴重傷害；Dutta等[11]對羊毛和亞麻材料進行水平和垂直方向燃燒測試，發(fā)現(xiàn)樣品的朝向和纖維的類型對于點燃時間、熱釋放速率和表面溫度有顯著影響；楊慎林[12]在飛機模擬艙內開展低壓低氧下的正庚烷燃燒實驗，研究表明火焰高度、頂棚溫度隨著壓力降低而升高，且火焰燃燒效率增加[13]；馮瑞等[14]在低壓艙中開展航空貨運紙箱的燃燒實驗，研究得出在低壓下瓦楞紙箱為湍流火焰燃燒且其輻射熱通量整體上呈先升高后下降的趨勢；Mandal等[15]在室內模擬火災的條件下對織物的熱防護性能進行評價，研究得出織物的可燃性取決于其化學組成和幾何結構；Zong等[16]在低壓下對非炭化聚合物進行熱解試驗，研究發(fā)現(xiàn)材料的質量損失率、表面溫度隨著環(huán)境壓力減小而增大；Li[17]等對木材進行燃燒實驗，發(fā)現(xiàn)火焰高度隨壓力的降低而升高，且當輻射熱流不變時，壓力越低試樣的質量損失率越大[18]；Thomsen等[19]在研究織物的火焰?zhèn)鞑O限時發(fā)現(xiàn)當壓力降低時，維持火焰?zhèn)鞑ニ璧淖畹脱鯘舛仍黾?；安翠等[20]在西藏和內地對古建筑中的裝飾性織物進行了對比燃燒實驗，研究表明在低壓條件下相同尺寸織物的燃燒速率降低、殘?zhí)苛吭龃?，明火燃燒時間增長。

以上學者在研究典型可燃材料的燃燒特性時，大多針對裝飾織物的阻燃性能驗證或對紙箱、燃油等特定材料開展常規(guī)火災研究，對低壓條件下乘客行李衣物材料的燃燒防護特性研究較少。因此，為了驗證環(huán)境壓力對典型乘客衣物燃燒特性的影響，設計并搭建實驗平臺開展實驗，測量并記錄乘客衣物的質量損失、煙密度、煙氣成分及火焰形態(tài)，揭示環(huán)境壓力對乘客衣物材料燃燒性能的影響規(guī)律，為飛機艙內行李衣物火災探測與消防救援等民航安全運行提供一定的理論支持。

1 實驗設置

1.1 試樣選擇

乘客攜帶至飛機艙內的行李數(shù)目繁多[1]，在前期對乘客行李材料調研的基礎上，選取乘客上衣(典型襯衫，63純棉/27滌綸/10其他，厚度h=1 mm，面密度ρ=93 g/m2)和乘客下衣(保暖褲，67滌綸/23純棉/10其他，厚度h=1 mm，面密度ρ=217 g/m2)作為實驗試樣。根據(jù)實驗測試平臺的要求裁剪試樣，尺寸為25.4 mm×25.4 mm。

1.2 實驗平臺搭建

基于煙氣分析儀(OPTIMA 7)和煙密度測試儀(JCY-3雙控測試儀)搭建材料燃燒綜合實驗平臺，如圖1所示。煙密度測試儀所用燃料為純度大于85%的丙烷氣體。實驗時將選取的試樣放置在夾具的中心位置；將煙氣分析探頭布置在燃燒箱的上方使之與試樣的中心位置對正，且相距0.5 m；將燃燒噴燈布置為45°傾角，保證火焰對試樣持續(xù)充分加熱的同時又不影響對燃燒剩余產物的收集。實驗分別在康定機場高高原航空安全實驗室(61 kPa低壓環(huán)境、溫度15 ℃、相對濕度50%)和四川廣漢平原地區(qū)的航空消防實驗室(96 kPa低壓環(huán)境，溫度15 ℃，相對濕度50%)進行。

由于織物含水率直接影響材料的燃燒性能[21]，所以在實驗開始前，將試樣放在40 ℃和相對濕度為45%～55%的干燥箱內處理24 h，以保證材料在常、低壓下處于基本相同的條件。選取高精度分析天平稱取試樣燃燒實驗前后的質量變化。利用煙密度測試儀測量煙箱中光通量的損失比來計量燃燒產物的煙密度；同時利用煙氣分析儀實時檢測箱內氣體成分的變化。此外，利用攝像機在實驗期間記錄火焰形態(tài)變化。

圖1 材料燃燒綜合實驗平臺Fig.1 Experimental layout

計算質量損失比φ可利用式(1)計算：

(1)

式(1)中：m1為燃燒前總質量；m2為燃燒后的質量。在常壓環(huán)境下重復上述操作，記錄相應壓力條件下試樣的質量損失、煙密度、煙氣成分等特征參數(shù)，并分析其變化率。

根據(jù)材料類型分為2組試驗，為減小試驗誤差和偶然因素影響，每組試驗重復3次，取3次試驗的平均值進行對比分析。

2 實驗結果與分析

2.1 質量損失率及火焰形態(tài)

圖2給出了兩種典型乘客衣物材料燃燒40 s時的火焰圖像。由圖2可知，在61 kPa下兩種典型衣物材料燃燒時的火焰高度大于96 kPa下的火焰高度；實驗現(xiàn)象與Li等[17]對木材進行燃燒實驗時發(fā)現(xiàn)的結論相符，即火焰的高度隨著壓力的降低而升高。乘客上衣在61 kPa下燃燒時，底層火焰呈藍色錐狀，而在96 kPa下燃燒時火焰底部黃色部分增加。乘客下衣在61 kPa下燃燒時，火焰底部呈現(xiàn)藍色球狀；而在96 kPa下火焰整體呈現(xiàn)黃色圓錐狀。

圖3給出了兩種典型乘客衣物材料在燃燒過程中質量損失比情況。由圖3可知，乘客衣物在 61 kPa 下的質量損失比等于在96 kPa下的質量損失比；乘客上衣的質量損失比等于乘客下衣的質量損失比。

燃料中的碳元素轉化為碳煙的百分比與壓力之間的關系為[22]

ηs∝Pα

(2)

式(2)中：ηs為碳元素轉化為碳煙的百分比，%；α為壓力影響因子；P為環(huán)境壓力，kPa。

由圖2可知，實驗中的火焰有兩個顯著的部分，一部分是藍色的火焰，另一部分為黃色的明亮火焰。火焰的亮度和顏色是由于碳顆粒向外界環(huán)境釋放黑體輻射而造成的[23]。由式(2)可知，隨著壓力的降低，燃料中碳元素轉化為碳煙百分比降低，碳顆粒的生成較常壓下減少，因此碳顆粒釋放的黑體輻射也會相對減少；進而導致藍色火焰占火焰總高度增加，而黃色火焰所占高度部分降低。低壓環(huán)境下，由于空氣密度降低導致浮力羽流減少[24]，使得乘客衣物在單位時間內與外界通過對流換熱損失的熱量較少；由圖2可知，此時因為煙塵生成主要發(fā)生在火焰頂端[22]，所以火焰的上部呈現(xiàn)明黃色，而火焰底部的顏色以藍色為主。在61 kPa低壓環(huán)境下，由于自然對流減小而削弱了氧氣的供應，因此火焰需要增加高度來卷吸更多的空氣來維持燃燒反應的進行；而在96 kPa常壓環(huán)境中因為浮力系數(shù)增大，有利于熱量向外界的散發(fā)，所以火焰底部中黃色火焰增加。

圖2 兩種典型衣物材料40 s燃燒時火焰圖像Fig.2 Flame images of two typical passenger clothes materials during burning at 40 s

圖3 乘客衣物燃燒質量損失比Fig.3 Mass loss rate of burning mass in passenger clothes

固體織物材料燃燒是一個包括固相熱解和氣相燃燒的物理化學過程[25]，通常將其分為以下3個環(huán)節(jié)：①受熱熔融、裂解，形成不可燃氣體、可燃性氣體及碳化殘渣；②當環(huán)境溫度達到著火點時，可燃性氣體燃燒釋放熱量；③產生的熱量促進繼續(xù)材料裂解和燃燒?？商炕腆w材料在熱解后，會形成以炭為主要成分的殘留物覆蓋在固體可燃物表面，并阻礙固體材料的內部熱解形成的可燃氣體從炭化層析出[25]。在觀察乘客衣物材料燃燒時發(fā)現(xiàn)，其在熱分解時會產生一種高溫且易流動的黑色物質；此種物質促進了熱量的傳遞，增大試樣與火焰的接觸面積，促進了燃燒反應的進行。

2.2 煙密度等級

圖4給出了兩種典型乘客衣物在燃燒過程中的煙密度變化率。從圖4(a)可以看出，在96 kPa下乘客上衣煙密度變化率在前40 s內持續(xù)增加，并在40 s時達到最大值2.29，然后煙密度呈逐漸減小的趨勢，并在90 s后維持穩(wěn)定的變化速率；而在61 kPa 下，煙密度變化率在前30 s內先快速增加，然后在達到最大3.22。從圖4(b)可以看出，在96 kPa下，乘客上衣煙密度在前50 s內持續(xù)增加直至最大值3.03，然后煙密度快速下降直至90 s后以穩(wěn)定值變化；在61 kPa下，煙密度在前40 s內先增加，達到最大值3.60，然后煙密度快速下降直至90 s 后以穩(wěn)定速率變化。根據(jù)圖4可知，煙密度變化率在兩種壓力環(huán)境下均表現(xiàn)出先上升后下降然后穩(wěn)定變化的趨勢，但61 kPa下的煙密度變化率在上升階段大于96 kPa，在達到峰值后變化率小于96 kPa直至在穩(wěn)定階段兩者變化趨于一致。

圖4 乘客衣物燃燒煙密度變化率Fig.4 Change rate of flu density in passenger clothes combustion

在相同的熱流條件下，衣物中棉纖維含量越高，組織結構強度越小，材料越易燃燒[19,26]；而由乘客衣物的材料構成可知，乘客上衣要先于下衣燃燒。在燃燒反應開始時，試樣材料下層的絨頭首先接受外部輻射熱而分解，且當可燃氣體濃度達到一定值時燃燒并產生黑煙釋放出大量的煙氣顆粒。

而碳煙體積分數(shù)作為碳顆粒的重要參數(shù)，其與壓力成二次方關系[23]：

fv∝P2

(3)

式(3)中：fv為碳煙體積分數(shù)，%。

由式(2)、式(3)可知，燃料中轉化為碳煙的碳體積分數(shù)與壓力成正指數(shù)關系，隨著壓力的增加，煙塵的成核速率也會加速。而在自然環(huán)境條件下，氧氣主要通過自然對流和擴散機制供應。低壓環(huán)境下火焰對空氣卷吸作用減弱，空氣密度降低使得雷諾數(shù)也相對變小，導致火焰向外部分輻射熱流減少；而氧擴散速率的降低使得燃燒產生的碳顆粒表面的氧化反應速率減少[23]。因此在低壓環(huán)境下，反應初期時的煙密度變化率更大，在達到峰值后變化率小于常壓直至在穩(wěn)定階段兩者變化率趨于一致。由圖4可知，在0～90 s煙密度變化率大于0，表明煙密度會持續(xù)增大直至峰值；90～240 s時的煙密度變化率接近0，表明燃燒產物中的煙顆粒以穩(wěn)定的速率進行氧化而損耗。

2.3 煙氣成分分析

圖5 乘客衣物燃燒CO含量變化率Fig.5 Change rate of CO in passenger clothes combustion

圖6 乘客衣物燃燒CO2含量變化率Fig.6 Change rate of CO2in passenger clothes combustion

圖5、圖6分別給出了乘客衣物燃燒產生的CO和CO2含量變化。從圖5(a)中可知，0～3.5 min 乘客上衣在兩種壓力環(huán)境下產生CO的速率趨于一致；在3.5～4.6 min，乘客上衣在 61 kPa 低壓下產生的CO速率迅速上升，在4.6 min時達到最大值20.5×10-6s-1。而在96 kPa常壓下，CO在 4.1 min 達到峰值后快速下降至4.5 min后以穩(wěn)定的速率變化。由圖5(b)知，在0～2.5 min內乘客下衣在低壓下產生CO的變化率與常壓相近；在2.5～4.3 min，乘客下衣在低壓下產生的CO出現(xiàn)兩個峰值；而常壓下CO在4.3 min達到峰值后快速下降，直至4.6 min后以穩(wěn)定的速率變化。由圖5可知，CO的峰值變化率隨壓力降低而增加。

從圖6可知，乘客衣物燃燒產生CO2增長速率隨著壓力降低而略有減小；CO2的變化曲線都呈現(xiàn)了先上升后下降，然后維持穩(wěn)定速率變化，最后在 4 min 燃燒結束后又開始出現(xiàn)負增長的趨勢。乘客上衣和乘客下衣在0.6 min附近達到各自的峰值；在0.7～4.1 min時，61 kPa低壓環(huán)境與96 kPa常壓環(huán)境下CO2的變化曲線接近一致；但在4.1 min后CO2的變化率出現(xiàn)先降低后增大的變化。

高原環(huán)境下，燃燒主要是在低氧狀態(tài)下進行，由以下3個反應主導[26]。

(4)

(5)

(6)

常壓環(huán)境下，因為可燃物熱解到燃燒的時間要短、裂解氣釋放的量更多，且此時氧含量充分支持式(4)燃燒反應的進行，所以CO變化率在反應初期變化平緩。當壓力降低時，可燃物裂解的時間變長，空氣環(huán)境中的絕對氧濃度減小，煙羽流中卷吸的空氣質量流量減少[24]，此時反應以式(5)、式(6)為主導，使得不完全燃燒產物CO生成量增多。由于低壓環(huán)境下煙氣沉降速度減慢，因此使得大量煙氣積聚在頂棚下，減緩了不完全燃燒產物的氧化，導致CO的變化率急劇上升并遠遠超過常壓。此外，因為煙氣在箱體內充分擴散均勻需要一定的時間，所以在4 min燃燒結束時CO和CO2變化率并未趨于穩(wěn)定。此時箱體內部由于燃燒升溫而與外界環(huán)境產生壓差，促使箱體與外界進行氣體交換；且當頂棚積聚的煙氣開始下沉與外部少量空氣接觸后進行不充分的氧化反應，因此CO的變化率會出現(xiàn)兩個峰值，而CO2含量出現(xiàn)負增長的變化。

3 結論

通過實驗研究及理論分析，得到如下結論。

(1)在4 min燃燒結束后，61 kPa環(huán)境下乘客衣物的質量損失比與96 kPa環(huán)境下乘客衣物的質量損失比相等。

(2) 61 kPa環(huán)境下藍色火焰占火焰總高度部分增加，而黃色火焰部分減少；且61 kPa下火焰總高度大于96 kPa。

(3) 煙密度變化率在兩種壓力環(huán)境下均表現(xiàn)出先上升后下降然后穩(wěn)定變化的趨勢；但61 kPa下的煙密度變化率在上升階段大于96 kPa，達到峰值后變化率小于96 kPa，直至在穩(wěn)定階段兩者變化率趨于一致。且當衣物中棉纖維含量越高時，材料越易燃燒，煙密度達到峰值的時間越短。

(4) 61 kPa環(huán)境下乘客衣物燃燒產生的CO2變化率小于96 kPa環(huán)境；而CO的產生速率在0～3.5 min內與61 kPa環(huán)境變化基本一致，在3.5～4.6 min內CO變化率迅速上升且大于96 kPa，且出現(xiàn)兩個峰值。