感煙火災(zāi)探測(cè)器的聚氨酯塑料火試驗(yàn)?zāi)M研究

張 培

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 201114）

引言

室內(nèi)火災(zāi)一般最初發(fā)生在室內(nèi)的某個(gè)部位，然后蔓延到整個(gè)房間區(qū)域，可分為初起、全面發(fā)展和下降三個(gè)發(fā)展過(guò)程。室內(nèi)火災(zāi)著火點(diǎn)一般為可燃物燃燒，著火后受可燃物和通風(fēng)條件的影響可能會(huì)出現(xiàn)以下三種情況，一是以著火點(diǎn)可燃物燒盡而終止；二是通風(fēng)不足，火災(zāi)自行熄滅或緩慢燃燒；三是可燃物足夠，通風(fēng)條件良好，火災(zāi)迅速發(fā)展。隨著燃燒持續(xù)，當(dāng)房間內(nèi)溫度達(dá)到400～600 ℃時(shí)，便會(huì)發(fā)生轟然，室內(nèi)火災(zāi)進(jìn)入全面發(fā)展階段。感煙火災(zāi)探測(cè)器就是以煙霧為探測(cè)對(duì)象，將探測(cè)部位煙霧濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)在火災(zāi)初期報(bào)警。

火災(zāi)動(dòng)力學(xué)是復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，包括流體動(dòng)力學(xué)、熱動(dòng)力學(xué)、燃燒學(xué)、輻射傳熱、多相流動(dòng)等。FDS即Fire Dynamics Simulator，是火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件，計(jì)算流體力學(xué)的一種模型，采用數(shù)值方法求解熱驅(qū)動(dòng)的低速流動(dòng)Navier－Stokes方程（粘性流體方程），主要用于計(jì)算火災(zāi)中煙氣流動(dòng)和熱傳遞過(guò)程。PyroSim為火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬（FDS）提供了一個(gè)圖形用戶(hù)界面，被用來(lái)建立消防模擬，軟件可以模擬的火災(zāi)范圍很廣，包括日常爐火，房間，接電設(shè)備引起的各種火災(zāi)形式。

試驗(yàn)采用大渦模擬（LES）方法，模擬聚氨酯塑料火為著火點(diǎn)的一般室內(nèi)火災(zāi)，求解獲得相關(guān)測(cè)量點(diǎn)處溫度、CO濃度、能見(jiàn)度、光學(xué)密度等一系列數(shù)據(jù)，改變環(huán)境溫度、濕度、可燃物表面積、可燃物密度燃燒試驗(yàn)條件，來(lái)分析不同試驗(yàn)因素對(duì)聚氨酯塑料火引起的一般室內(nèi)火災(zāi)室內(nèi)煙霧濃度的影響，實(shí)現(xiàn)不同試驗(yàn)條件時(shí)煙濃度符合標(biāo)準(zhǔn)要求范圍。

1 模擬室內(nèi)聚氨酯塑料火

對(duì)于封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)的火災(zāi)，可依據(jù)火災(zāi)模型預(yù)測(cè)一定時(shí)間內(nèi)的燃燒過(guò)程，一般室內(nèi)火災(zāi)溫度時(shí)間曲線(xiàn)如圖1所示，通常分為初期增長(zhǎng)階段、充分發(fā)展階段、衰減階段。火災(zāi)的發(fā)展過(guò)程及其嚴(yán)重程度，取決于室內(nèi)可燃物的燃燒性能、數(shù)量及分布情況和著火房間的大小、形狀、通風(fēng)狀況等因素[1,2]。基于室內(nèi)火災(zāi)規(guī)律和火災(zāi)數(shù)值模擬的研究，利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬工具模擬一般室內(nèi)聚氨酯塑料火。

圖1 一般室內(nèi)火災(zāi)溫度時(shí)間曲線(xiàn)

創(chuàng)建房間火災(zāi)模型，房間長(zhǎng)10 m、寬7 m、高4 m，頂棚為水平平面，均用耐熱隔熱材料制成?；鹪丛O(shè)在地面中心處，探測(cè)器安裝在以頂棚中心為圓心、半徑為3 m、圓心角為60 °的圓弧上?？扇嘉餅橘|(zhì)量密度約20 kg/m3的無(wú)阻燃劑軟聚氨酯泡沫塑料，3塊50 cm×50 cm×2 cm的墊塊迭在一起，點(diǎn)火部位在最下面墊塊的一角[3,4]，如圖2所示。創(chuàng)建網(wǎng)格68×52×28，輸入反應(yīng)材料聚氨酯化學(xué)式C6.3H7.1O2.1N1.0，升煙系數(shù)Ys 0.04，HRRPUA 220.0 kW/m2，Ramp-Up Time: t2,在Reaction選項(xiàng)卡中，勾選Allow the Obstruction to Burn Away。設(shè)置火源為Ignitor，Geometry選擇為Cylindrical，Radius輸入0.025，Length輸入0.15[5,6]。運(yùn)行FDS模擬，結(jié)束后使用Smokeview查看，如圖2所示，在點(diǎn)火后10 s可見(jiàn)有煙霧上升到天花板，40 s時(shí)大量煙霧豎直上升到天花板并延天花板蔓延，80 s時(shí)煙霧充滿(mǎn)整個(gè)天花板并向下擴(kuò)散，120 s時(shí)可見(jiàn)煙霧充滿(mǎn)房間上部空間，煙霧濃度越來(lái)越濃稠。

圖2 房間火災(zāi)模型及室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展情況

2 模擬曲線(xiàn)與聚氨酯塑料火試驗(yàn)測(cè)量曲線(xiàn)比較

燃燒試驗(yàn)室內(nèi)用光學(xué)密度計(jì)測(cè)量煙濃度，光學(xué)密度計(jì)安裝在以燃燒實(shí)驗(yàn)室頂棚中心為圓心、半徑為3 m、圓心角為60 °的圓弧上，光束的中線(xiàn)位于頂棚以下0.15 m。在PyroSim中創(chuàng)建氣相監(jiān)測(cè)設(shè)備，在8.00 m×3.50 m×3.85 m處創(chuàng)建煙霧監(jiān)測(cè)設(shè)備，與試驗(yàn)中光學(xué)密度計(jì)測(cè)量光束在燃燒試驗(yàn)室內(nèi)所在的高度一致，PyroSim模擬煙濃度與光學(xué)密度計(jì)測(cè)量煙濃度基本吻合，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)升煙曲線(xiàn)與PyroSim模擬升煙曲線(xiàn)

在PyroSim中不同煙氣層高度處創(chuàng)建氣相監(jiān)測(cè)設(shè)備，4.00 m、3.85 m、3.70 m處分別創(chuàng)建光學(xué)煙霧監(jiān)測(cè)傳感器，最小網(wǎng)格尺寸為0.15 m×0.13 m×0.14 m，設(shè)置的高度差剛好大于一個(gè)網(wǎng)格尺寸，運(yùn)行模擬，得到煙霧濃度隨時(shí)間升高曲線(xiàn)，不同煙氣層高度處煙霧濃度差異明顯，高度越高煙霧濃度越大，如圖4所示。這是由于聚氨酯塑料火生成煙霧顆粒大，溫度高，不利于向下擴(kuò)散，經(jīng)過(guò)對(duì)模擬煙霧濃度曲線(xiàn)的趨勢(shì)擬合，4.00 m處煙霧濃度比3.85 m處高0.0147 /m，3.85 m處煙霧濃度比3.70 m處高0.0175 /m，如表1所列。所以安裝樣品時(shí)樣品要固定在天花板上，煙霧測(cè)量傳感器測(cè)量位置盡量與樣品測(cè)量煙腔保持在一個(gè)水平線(xiàn)上。

表1 不同煙氣層高度處m值偏差

圖4 房間內(nèi)不同煙氣層高度處煙霧濃度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

3 各試驗(yàn)參數(shù)對(duì)煙霧濃度的影響

3.1 可燃物表面積影響

按照試驗(yàn)要求3塊50 cm×50 cm×2 cm的聚氨酯墊塊迭在一起，若3塊完全重疊放置，則表面積為0.25 m2，若每墊塊四分之三部分重疊放置，3塊墊塊放置后表面積為0.75 m×0.50 m=0.375 m2，若縮小墊塊面積一半放置，墊塊放置后表面積為0.25 m×0.50 m=0.125 m2。分別模擬后得到煙霧濃度隨時(shí)間升高曲線(xiàn)，可燃物表面積越大，煙霧濃度越高，在起始階段差異不大，120 s后差異明顯，尤其同比例減少表面積時(shí)，煙霧濃度明顯降低，在試驗(yàn)接近結(jié)束時(shí)，如果可燃物表面積小于0.125 m2，煙霧濃度將低于判定煙霧濃度，如圖5所示。在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，可適當(dāng)增加可燃物表面積來(lái)獲得較高煙霧濃度，不宜減少可燃物表面積，以避免在試驗(yàn)后期階段煙霧濃度低于判定值。

圖5 可燃物不同表面積下煙霧濃度隨時(shí)間增長(zhǎng)曲線(xiàn)

3.2 可燃物密度影響

通過(guò)PyroSim模擬軟件改變可燃物密度，按試驗(yàn)要求設(shè)置為20 kg/m3，以及增加可燃物密度為30 kg/m3和減少為10 kg/m3，分別運(yùn)行模擬得到煙霧濃度隨時(shí)間升高曲線(xiàn)。可燃物密度對(duì)煙霧濃度有較大影響，密度越小煙霧濃度越高，而且密度增大10 kg/m3，煙霧濃度將高于判定區(qū)域上限，密度減少10 kg/m3，煙霧濃度將低于判定區(qū)域下限，如圖6所示。試驗(yàn)過(guò)程中，能允許可燃物密度誤差，宜使可燃物密度固定在20 kg/m3，煙霧濃度將保持在判定區(qū)間；如果過(guò)大調(diào)整可燃物密度，煙霧濃度將較大變化以致超出判定區(qū)域。

圖6 可燃物不同密度下煙霧濃度隨時(shí)間增長(zhǎng)曲線(xiàn)

3.3 初始室內(nèi)環(huán)境溫度影響

在PyroSim模擬軟件中改變環(huán)境溫度參數(shù)，分別設(shè)置為18 ℃、23 ℃、28 ℃，運(yùn)行模擬得出煙霧濃度隨時(shí)間升高曲線(xiàn)。在0～60 s的起始階段，煙霧濃度接近一致，之后煙霧濃度差異明顯，環(huán)境溫度越高煙霧濃度越高，若環(huán)境溫度升高5～28 ℃，在100 s后煙霧濃度高于判定值上限，若環(huán)境溫度降低5～18 ℃，則150 s后煙霧濃度低于判定值下限，如圖7所示。在聚氨酯塑料火試驗(yàn)過(guò)程中，初始環(huán)境溫度對(duì)煙霧濃度影響較大，升高溫度和降低溫度極易影響煙霧濃度超出判定值，可根據(jù)可燃物情況穩(wěn)定初始環(huán)境溫度在固定值，例如23 ℃附近。

圖7 不同室內(nèi)環(huán)境溫度下煙霧濃度隨時(shí)間增長(zhǎng)曲線(xiàn)

3.4 初始室內(nèi)環(huán)境濕度影響

在PyroSim模擬軟件中改變環(huán)境濕度參數(shù)，分別設(shè)置為25 %、50 %、75 %，運(yùn)行模擬得出煙霧濃度隨時(shí)間升高曲線(xiàn)。在0～180 s階段，環(huán)境濕度對(duì)煙霧濃度影響不大，25 %、50 %、75 %環(huán)境濕度時(shí)升煙曲線(xiàn)基本一致，在180 s后，環(huán)境濕度越低煙霧濃度越大，180 s后的區(qū)域已經(jīng)超出了試驗(yàn)判定范圍，在此不討論，如圖8所示。由此得知，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可忽略初始環(huán)境濕度的影響。

圖8 不同室內(nèi)環(huán)境濕度下煙霧濃度隨時(shí)間增長(zhǎng)曲線(xiàn)

4 結(jié)論

1）通過(guò)PyroSim軟件模擬一般室內(nèi)聚氨酯塑料火，不同高度處煙霧濃度差異明顯，高度越高煙霧濃度越大，安裝樣品時(shí)樣品要固定在天花板上，煙霧測(cè)量傳感器測(cè)量位置盡量與樣品測(cè)量煙腔保持在一個(gè)水平線(xiàn)上。

2）可燃物表面積越大，煙霧濃度越高，起始階段煙霧濃度差異不大；減少可燃物表面積至0.125 m2時(shí)，120 s后煙霧濃度明顯降低；在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，可適當(dāng)增加可燃物表面積來(lái)獲得較高煙霧濃度，不宜減少表面積，以避免煙霧濃度在較高煙霧濃度階段低于判定值。

3）可燃物密度越小煙霧濃度越高，而且密度變化對(duì)煙霧濃度影響較大；試驗(yàn)過(guò)程中，可燃物密度宜為20 kg/m3，不可過(guò)大調(diào)整可燃物密度，容易導(dǎo)致煙霧濃度超出判定區(qū)域。

4）初始室內(nèi)環(huán)境溫度越高煙霧濃度越高，可根據(jù)可燃物情況維持初始環(huán)境溫度在固定值，例如23 ℃附近。

5）0～180 s試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，初始室內(nèi)環(huán)境濕度對(duì)煙霧曲線(xiàn)沒(méi)影響。