側(cè)向風(fēng)速對聚氨酯材料水平逆流火蔓延實驗探究

李浩瀚,馬 鑫，王經(jīng)緯，萬露露，李 旺，何 燦，劉天昊，夏云飛

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

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，隨之而來的是能源消耗的與日俱增，其中建筑領(lǐng)域的能源消耗占總能源消耗的三分之一[1]，因此建筑節(jié)能改造工作亟需推行，有機(jī)保溫材料因其保溫隔熱效果好、導(dǎo)熱系數(shù)低、質(zhì)輕等諸多優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于建筑外墻保溫材料。目前市場上有機(jī)保溫材料主要有聚氨酯泡沫、聚苯乙烯等，此類保溫材料通常具有可燃性，燃燒過程會產(chǎn)生大量有毒煙氣，并伴隨熔融液滴落，引燃未燃區(qū)域，加大火災(zāi)危險性。因建筑保溫材料而引發(fā)的火災(zāi)屢見不鮮，圖1為2019年12月2日發(fā)生在沈陽市的一起因居民使用的插排電源線發(fā)生故障引燃保溫材料而引發(fā)的火災(zāi)事故，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 沈陽市商住樓火災(zāi)事件Fig.1 Fire incident in commercial and residential buildings in Shenyang

關(guān)于聚氨酯(Poly Urethane,PU)保溫板材火蔓延的特性，前人已經(jīng)進(jìn)行過大量研究[2-6]。汪洋等[7]對不同氣壓下聚氨酯板材的寬度效應(yīng)對于火蔓延特性的研究，指出了低壓環(huán)境下燃燒速率低于高壓環(huán)境，在相同的外界條件下，當(dāng)保溫板材處于100 mm寬度時，保溫板材具有最小的燃燒速率等結(jié)論；宦祖飛等[8]基于熔融滴落現(xiàn)象，分別在水平情況下和豎直情況下進(jìn)行了雙火源XPS火蔓延特性研究，得出關(guān)于雙火源條件下各項表征參數(shù)均大于單火源條件下的結(jié)論，揭示了雙火源之間對流傳熱的變化是影響實驗參數(shù)的重要原因；馬鑫等[9]對相鄰立面建筑結(jié)構(gòu)中聚氨酯的熱行為進(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)臨近角角度的大小會對平均火蔓延速率和火焰高度產(chǎn)生影響，得出了關(guān)于煙囪效應(yīng)和限制效應(yīng)耦合作用下燃燒情況迥異于自由燃燒的結(jié)論。前人對保溫板材沿豎直方向的火蔓延特性研究居多，對PU板材水平火蔓延特性缺乏相關(guān)探索。本文開創(chuàng)性地針對建筑外墻保溫材料與不同風(fēng)速之間的效應(yīng)進(jìn)行研究，分別設(shè)置了風(fēng)速vw為0，0.5，1.0,1.5,2.0,2.5 m/s的6種實驗，研究風(fēng)速變化對于立面材料水平火蔓延行為的影響，表征重要的特征參數(shù)(如：火焰形貌、氣流組織分布、質(zhì)量損失速率、溫度場分布、輻射熱流變化等)，用這些參數(shù)的變化規(guī)律來體現(xiàn)建筑外墻保溫材料火災(zāi)的風(fēng)速效應(yīng)。

1 實驗設(shè)計

本文中的所有實驗均是在自行搭建的右側(cè)給風(fēng)情況下PU板水平逆流火蔓延實驗裝置中進(jìn)行的，實驗裝置如圖2所示。

圖2 PU板燃燒火蔓延實驗平臺Fig.2 Experimental platform of PU board combustion fire spread

實驗裝置包括可調(diào)節(jié)穩(wěn)定送風(fēng)系統(tǒng)、保溫材料火蔓延系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3個部分。變頻風(fēng)機(jī)可提供實驗所需的穩(wěn)定側(cè)向風(fēng)，風(fēng)速儀用于檢測風(fēng)速波動情況，檢驗環(huán)境風(fēng)是否符合實驗要求。實驗裝置放置于高精度電子天平(型號：德國Sartorius，精度0.01 g)，用于監(jiān)測實驗過程中質(zhì)量的變化。實驗所采用的PU泡沫板樣品的厚度、長度、寬度分別為20 mm、800 mm、200 mm，其它各項物理參數(shù)見表1.實驗PU板材通過鐵釘固定在絕熱石膏板上，石膏板通過支撐鐵架固定于熔滴滴落臺，熔滴滴落臺(1 200 mm×300 mm×50 mm的石膏板)用于承接因燃燒過程中PU板熱解產(chǎn)生的熔滴物。實驗前使用馬克筆在實驗板材上標(biāo)注刻度線，間距為100 mm，用以實時觀察記錄PU表面近域溫度場分布情況；PU實驗板材兩側(cè)呈陣列布置10 根K型熱電偶編號為T0-T9，距保溫板材表面2 mm，以防止對質(zhì)量測量的影響,用于記錄板材火蔓延過程中的表面場溫度；板材中間對立固定兩根水冷式輻射熱流計(型號：STT-25-50-R/WF, Tecfront Co., LTD.)，用于記錄PU板熱解前鋒輻射熱通量；在實驗裝置正前方放置一臺高清相機(jī)(型號：SONY，F(xiàn)DR-AX100E)，用于錄制保溫板材火焰變化形態(tài)以及熱熔滴落現(xiàn)象。以上實驗儀器共同組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并以1 Hz頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與記錄。

上述實驗裝置模擬真實環(huán)境下建筑發(fā)生火災(zāi)時立面保溫材料的燃燒行為，以分析火災(zāi)防治方法。本實驗取vw分別為0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 m/s 6種風(fēng)速條件進(jìn)行實驗，所有的實驗均在恒定的初始環(huán)境溫度和濕度下進(jìn)行((22.0±2.0) ℃，(55±4)%)，每組實驗重復(fù)不少于3次的情況下，選取最具代表性的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析用以排除實驗誤差。

表1 實驗所選用PU板材的各項屬性Table 1 The properties of PU board used in the experiment

2 實驗結(jié)果分析

2.1 火焰前鋒形態(tài)分態(tài)

火焰前鋒形態(tài)可直觀反映火勢大小及其危害性，其主要受燃燒區(qū)周圍空氣湍流影響，在火場可依據(jù)火焰前鋒形態(tài)判斷火蔓延趨勢進(jìn)行逃生及撲救工作。圖3為風(fēng)速vw分別為0 m/s和2.5 m/s情況下火焰前鋒的形貌瞬時變化。

圖3 側(cè)向風(fēng)速vw=0 m/s和vw=2.5 m/s時的火焰前鋒形態(tài)示意圖Fig.3 Schematic diagram of flame front shape with lateral wind speed vw=0 m/s and vw=2.5 m/s

火蔓延共分為三個階段。第一階段(t= 60 s)為燃燒初期階段，火焰前鋒呈現(xiàn)垂向分布，PU板各部分燃燒速率基本相同，這時的燃燒現(xiàn)象是火焰周圍氣流被輻射熱加熱，膨脹產(chǎn)生上升氣流，夾帶火焰豎直向上傳播，由于高熱空氣的膨脹上升，在壓差的作用下PU板的下側(cè)卷吸周圍冷空氣，再加上火焰下部覆蓋在PU板未燃區(qū)域，使得火蔓延前期下側(cè)快于上側(cè)。第二階段(t=160 s)火焰前鋒的形貌呈水平V型，這主要是由于空氣卷吸效應(yīng)，使得側(cè)邊燃燒速率大于PU板中部，由于風(fēng)力與上升氣流的耦合作用加強(qiáng)了PU板上側(cè)附近煙氣的活躍度，強(qiáng)化了試樣上側(cè)周邊冷空氣的卷吸效應(yīng)，從而加劇氣流中的可燃?xì)怏w燃燒，此外施加的左向自然風(fēng)力，使得火焰前鋒在上升氣流與風(fēng)力的合力作用下偏離PU板，兩側(cè)邊火蔓延速率逐漸持平，此時的火苗形狀已經(jīng)呈現(xiàn)斜向左上的方向。第三階段(t= 260 s)風(fēng)速較小的情況下(vw=0，0.5，1.0 m/s)呈現(xiàn)水平V型的火焰前鋒，在風(fēng)速較大的情況下(vw=1.5，2.0，2.5 m/s)火焰前鋒與PU板下側(cè)呈銳角的傾斜直線。三個階段揭示了PU板火焰熱解前鋒形態(tài)以及預(yù)熱區(qū)的變化，以及側(cè)向風(fēng)的存在導(dǎo)致試樣上側(cè)燃燒速率逐漸大于下側(cè)。

2.2 質(zhì)量損失及熔滴率分析

圖4為不同風(fēng)速條件下PU板水平火蔓延過程中質(zhì)量變化情況，可以看出風(fēng)速對材料熱解起主導(dǎo)作用。圖5為選取燃燒穩(wěn)定階段進(jìn)行線性擬合得到的質(zhì)量損失速率折線圖，結(jié)果表明:當(dāng)風(fēng)速較小時可促進(jìn)燃燒區(qū)周圍氣流組織的活躍，使得PU板熱解前端得到充足的氧氣，質(zhì)量損失加快；隨著風(fēng)速的加大，風(fēng)力對火焰蔓延的阻礙作用大于對周邊氣流組織的促進(jìn)作用，使得燃燒減慢，質(zhì)量損失速率降低，同時由于過大的風(fēng)速會帶走大量的熱量，從而使得熱解速率下降。

圖4 不同風(fēng)速下PU板的燃燒質(zhì)量變化Fig.4 Combustion quality change of PU plate at different wind speeds

圖5 不同風(fēng)速下PU板質(zhì)量損失速率折線圖Fig.5 Line chart of mass loss rate of PU plate at different wind speeds

PU板屬于高分子聚合物，在高溫條件下會發(fā)生受熱熔融收縮現(xiàn)象，而熔融滴落是實際火災(zāi)發(fā)生時嚴(yán)重

圖6 風(fēng)速為2.0 m/s時的PU板燃燒熔融滴落現(xiàn)象Fig.6 Melting and dripping phenomenon of PU plate during combustion when wind speed is 2.0 m/s

的災(zāi)害隱患，因此研究燃燒熔融滴落現(xiàn)象具有重要意義，圖6為風(fēng)速vw=2.0 m/s時的PU板燃燒熔融滴落現(xiàn)象。水平火蔓延過程中火焰前鋒呈水平V型，因而下側(cè)的熔滴液直接滴落至滴落臺上，而上側(cè)熔滴液生成速率大于其燃燒消耗速率，因此熔滴液逐漸積累直至溢出，從而引燃PU板上側(cè)的未燃區(qū)域，加大了火蔓延速率。表2為不同風(fēng)速下板材的熔滴率，此處將熔滴率定義為熔融液滴落質(zhì)量和試樣初始質(zhì)量的比值，可見隨著風(fēng)速的加大，PU板的熔滴率也在不斷增大，直到風(fēng)速大于2.0 m/s之后逐漸趨于穩(wěn)定。這歸結(jié)于隨著風(fēng)速加大，PU板的熱解前鋒加劇熱解，自身重力和風(fēng)力的作用使得熔滴產(chǎn)生水平方向的動量，加速了熔滴的產(chǎn)生和滴落。達(dá)到一定風(fēng)速后熔滴率趨于穩(wěn)定導(dǎo)致質(zhì)量損失速率不再增大；風(fēng)速的阻礙作用占據(jù)主導(dǎo)，也是導(dǎo)致風(fēng)速過大時質(zhì)量損失速率降低的原因。

表2 不同風(fēng)速下板材的熔滴率Table 2 Droplet rate of sheet metal at different wind speeds

2.3 溫度場及輻射熱流分析

溫度直接影響PU板燃燒過程中的質(zhì)量損失速率、熱解狀況等多種參數(shù)，研究PU板表面溫度變化可以直觀解析燃燒狀況。圖7為PU板水平逆流火蔓延過程中近域場溫度場梯度分布，T0—T9對應(yīng)的溫度用θ0—θ9表示，(a)、(b)圖分別表示風(fēng)速vw為0.5 m/s和2.0 m/s的情況。

(a)vw=0.5 m/s

(b)vw=2.0 m/s

從圖中可以看出，當(dāng)火焰前鋒到達(dá)第一列熱電偶(T0，T5)時，下側(cè)的燃燒溫度高于上側(cè)，vw=0.5 m/s時θ5記錄為819.2 ℃，θ0記錄為559.2 ℃；vw=2.0m/s時θ5記錄為657.9 ℃，θ0記錄為533.8 ℃。這是由于燃燒產(chǎn)生的熱空氣膨脹上升，并且隨著風(fēng)速的增加，上側(cè)的高熱空氣偏斜于豎直方向的角度越大，高熱空氣的逸散促進(jìn)了周邊冷空氣的灌流，使得PU板上側(cè)的空氣流動頻率大于下側(cè)，并且側(cè)向風(fēng)帶來了充足的空氣，燃燒產(chǎn)生的可燃?xì)怏w與空氣進(jìn)一步混合，加大了PU板火焰前鋒上部的熱解；由于上側(cè)冷空氣灌流較下側(cè)更強(qiáng)，產(chǎn)生的冷卻效應(yīng)也更強(qiáng)，上側(cè)燃燒溫度峰值低于下側(cè)。這也就闡述了上側(cè)溫度低于下側(cè)，燃燒速率大于下側(cè)。隨著火蔓延的進(jìn)行，PU試樣下側(cè)溫度始終高于上側(cè)。但是在不斷變換風(fēng)速的情況下，上下側(cè)溫度發(fā)生顯著的差異，表現(xiàn)在風(fēng)速逐漸加大，溫度差異逐漸縮小，這是由于隨著上側(cè)的燃燒速率的不斷增高，熱解速率不斷增大，在火蔓延過程中產(chǎn)生的輻射熱量越來越多，從而在不斷縮小上下兩側(cè)的溫度差。

圖8為不同側(cè)向風(fēng)速下PU板上下側(cè)輻射熱通量變化曲線。從圖中可以看出，無論環(huán)境風(fēng)存在與否，下側(cè)輻射熱通量的峰值始終高于上側(cè)，且隨著風(fēng)速的加大，輻射熱通量峰值的差值呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。這主要是由于燃燒初始階段時產(chǎn)生的上升煙氣阻礙了上側(cè)火焰輻射的擴(kuò)散，當(dāng)風(fēng)速較小時，風(fēng)力的增強(qiáng)還不足以吹散積聚的氣固混合物，下側(cè)的劇烈燃燒增強(qiáng)了火焰輻射，上下側(cè)輻射熱通量的峰值差開始增大；隨著風(fēng)速的增加，由于浮力作用的上升煙氣被吹散以及較強(qiáng)風(fēng)力具有冷卻作用占主導(dǎo)地位，使得上下兩側(cè)的溫度峰值差逐漸減小，火焰的熱釋放速率隨之減少，此外火焰形狀的變化使得高溫核心區(qū)轉(zhuǎn)移到PU板外，也會使得輻射熱通量的峰值差開始逐漸減少。

(a)vw=0 m/s，vw=0.5 m/s，vw=1.0 m/s

(b)vw=1.5 m/s，vw=2.0 m/s，vw=2.5 m/s

3 結(jié)論

本文探究了不同風(fēng)速對PU板水平逆流火蔓延特性的影響，開展了一系列小尺度實驗，討論和分析實驗數(shù)據(jù)所獲結(jié)論如下：

1)環(huán)境風(fēng)會改變保溫材料上下側(cè)的溫度升高速率，風(fēng)速越大，PU板上下兩側(cè)溫度峰值差越小，風(fēng)力通過促進(jìn)上側(cè)卷吸效應(yīng)加快了PU板上側(cè)的熱解速率。

2)環(huán)境風(fēng)會改變保溫材料上下側(cè)的輻射熱通量差值，風(fēng)速越大，PU板上下兩側(cè)輻射熱通量峰值差先增大后減小，風(fēng)力逐漸加大了上側(cè)的熱輻射行為。

3)環(huán)境風(fēng)會導(dǎo)致室外保溫材料燃燒質(zhì)量損失速率異于無風(fēng)狀態(tài)，隨著逆向風(fēng)風(fēng)速的加大，質(zhì)量損失速率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，滴落材料質(zhì)量百分比隨風(fēng)速增大而增大。主要歸結(jié)于風(fēng)速小的時候促進(jìn)卷吸效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)，風(fēng)速過大的時候阻礙燃燒速率占據(jù)主導(dǎo)。

4)根據(jù)實驗獲得的關(guān)于火焰前鋒形貌變化、質(zhì)量損失速率、溫度場梯度分布、輻射熱通量等重要特征參數(shù)，分析風(fēng)速大小對這些火蔓延特性的影響，探討存在自然風(fēng)情況下的高層建筑水平火蔓延防治措施，有助于其火災(zāi)危險性評估和建筑立面的安全設(shè)計。

通過分析側(cè)向風(fēng)速影響下聚氨酯泡沫水平逆流火蔓延相關(guān)特性參數(shù)所得實驗數(shù)據(jù)，對高層建筑外墻保溫材料火蔓延的防治提出以下兩點建議：

1)針對PU板燃燒過程滴落材料質(zhì)量隨風(fēng)速增大而增大的情況，建議設(shè)計建筑時在每層樓房外墻向外延伸100～150 mm,使用耐高溫材料修建熔池，用以承接建筑外層保溫材料發(fā)生火災(zāi)時的熔融滴落物。

2)針對PU板風(fēng)速小于3.0 m/s的火蔓延過程中，下側(cè)溫度及輻射熱通量高于上側(cè)的情況，下側(cè)溫度過高極有可能破壞建筑外墻的完整性和穩(wěn)定性，造成墻體出現(xiàn)裂隙甚至坍塌，建議在常年主導(dǎo)風(fēng)向的上風(fēng)側(cè)設(shè)置噴淋系統(tǒng)，一方面由于重力的因素，射流會以拋物線的形狀向下傾斜，另一方面設(shè)置于上風(fēng)側(cè)水流受風(fēng)力的影響可以實現(xiàn)更大的射流面積，從而有效降低建筑室外保溫材料的輻射熱通量和溫度。