高高原環(huán)境下富氧對(duì)紙箱燃燒特性的影響

馬俊豪, 湯婧, 張曉宇, 代尚沛, 徐松濤, 李首慶, 賈旭宏

1.中國民用航空飛行學(xué)院民機(jī)火災(zāi)科學(xué)與安全工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川廣漢 618307；2.中國民用航空飛行學(xué)院民航飛行技術(shù)與飛行安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川廣漢 618307

我國存在著大面積的高高原地區(qū)且擁有世界上數(shù)量最多的高高原機(jī)場。近些年,高高原地區(qū)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)日益頻繁,進(jìn)入高海拔地區(qū)后環(huán)境氣壓降低導(dǎo)致氧分壓較低,人們?nèi)菀壮霈F(xiàn)高原反應(yīng),嚴(yán)重時(shí)甚至可致人死亡。通過室內(nèi)富氧可以提升血氧飽和度,有效解決高原地區(qū)人體缺氧問題[1-3]。在高達(dá)4 500 m的海拔,每增加1%的氧氣會(huì)使等效高度降低300 m以上。因此,高高原地區(qū)的酒店、醫(yī)院等場所都設(shè)有人工增氧設(shè)施,機(jī)場急救室、貴賓室、交通管制室等場所甚至要求強(qiáng)制增氧[4-5]。但研究表明,可燃材料的燃燒速度隨氧濃度增加呈指數(shù)增長,當(dāng)氧濃度超過25%后燃燒速度顯著上升,富氧環(huán)境無疑會(huì)增加室內(nèi)火災(zāi)的發(fā)生概率[6]。

20世紀(jì)70年代,Lastrina等[7]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ヅc環(huán)境壓力有關(guān)。De Ris[8]也建立了穩(wěn)態(tài)燃燒模型,推出質(zhì)量燃燒速率與格拉曉夫數(shù)和壓力之間的關(guān)系。Wieser等[9]首次在不同海拔地區(qū)開展現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)材料平均燃燒速率與p1.3呈正比關(guān)系。王偉剛等[10]研究了熱薄型固體燃料的表面火焰?zhèn)鞑?發(fā)現(xiàn)在(10～50) kPa下火焰?zhèn)鞑ニ俾逝c壓力近似呈線性關(guān)系。Wei等[11]在拉薩對(duì)紙板箱的火災(zāi)行為進(jìn)行了無量綱分析,發(fā)現(xiàn)低壓低氧抑制了固體熱解,阻礙了完全燃燒。賈旭宏等[12]對(duì)比航空地毯在低壓和常壓下的火行為,發(fā)現(xiàn)低壓環(huán)境下航空地毯的煙密度大幅升高,點(diǎn)燃時(shí)間更短。Tian等[13]發(fā)現(xiàn)隨著壓力的降低,紙板火焰對(duì)燃料表面的熱反饋減少,質(zhì)量損失率降低。馮瑞和毛瑩[14-15]在低壓艙中進(jìn)行紙箱實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)最大燃燒速率、火焰溫度均與壓力成正比。Wang等[16]通過紙箱火實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)降低壓力可以消除火焰,但不能完全消除陰燃和減少閃絡(luò)發(fā)生的概率。Ma等[17]通過對(duì)2種火災(zāi)載荷下的紙箱在高壓艙內(nèi)開展實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)質(zhì)量燃燒速率與格拉曉夫數(shù)和壓力之間呈正比例關(guān)系,這與De Ris研究結(jié)果一致。Niu等[18]引入新的時(shí)間尺度——燃燒一半的時(shí)間t1/2,發(fā)現(xiàn)其與p-3/4呈正比,并對(duì)無量綱質(zhì)量損失進(jìn)行理論分析,其經(jīng)驗(yàn)公式達(dá)到良好的擬合效果。

本文通過低壓富氧艙模擬高高原室內(nèi)環(huán)境,在不同壓力和氧濃度(壓力/kPa:50,60,70,氧濃度為21%,24%,27%,30%,33%)下,對(duì)典型室內(nèi)材料紙箱的燃燒特性進(jìn)行研究,提出了紙箱的燃燒速率與環(huán)境壓力和氧濃度之間的定量關(guān)系。從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面揭示了低壓環(huán)境下不同氧濃度與紙箱火行為之間的關(guān)系,為高高原室內(nèi)消防安全提供一定的依據(jù)。

1 壓力和氧濃度對(duì)固體燃燒速率影響的理論模型構(gòu)建

燃燒速率嚴(yán)格定義為燃料在化學(xué)反應(yīng)時(shí)的質(zhì)量損失速率,對(duì)于固體和液體的明火燃燒,燃燒速率是泛指凝固相燃料的質(zhì)量損失率。在穩(wěn)定燃燒下[27],凈表面熱通量等于燃料氣化的能量通量,穩(wěn)態(tài)燃燒時(shí)的能量守恒可簡化為公式

(1)

B-number理論的基本表達(dá)式

(2)

修正B-number理論的公式

(3)

式中:h為對(duì)流換熱系數(shù);Cp為氣相比熱容;Lh為燃料的汽化熱;YO2,∞為氧體積濃度;(Δhc/γ)為單位質(zhì)量氧的燃燒熱(13 kJ/g);Tv為燃料表面汽化溫度;T∞為環(huán)境溫度。

(4)

燃料的燃燒速率主要由火焰向熱解區(qū)的對(duì)流和火焰的輻射熱反饋決定,所以燃料的質(zhì)量燃燒速率可寫為

(5)

根據(jù)牛頓冷卻定律,(5)式右邊第一項(xiàng)可表示為

(6)

式中

(7)

火焰溫度Tf根據(jù)Quintiere可得

(8)

式中:CNu為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);A為比例系數(shù);Kg為熱解區(qū)導(dǎo)熱率;L為特征長度;g為重力加速度;ug為動(dòng)力黏度;Cp為氣相比熱容(1.0 kJ/g);Tf為火焰溫度;Tg為平均氣相溫度;Xr為火焰輻射分?jǐn)?shù)(對(duì)于同種材料,輻射分?jǐn)?shù)Xr可以簡化為一個(gè)常數(shù))。

根據(jù)經(jīng)典羽流理論火焰(8)式知[27],火焰溫度Tf∝YO2,∞,故對(duì)流熱通量可表示為

(9)

第二項(xiàng)是火焰輻射熱反饋,根據(jù)Stefan-Boltzmann定律和De Ris的相關(guān)研究[29],當(dāng)κlm≤0.3時(shí),(1-e-κlm)可簡化為κlm[30]:

同時(shí),壓力也會(huì)影響De Ris等確定的火焰吸收系數(shù)。火焰吸收系數(shù)κ由氣態(tài)化合物κg和煙灰化合物κs決定,其中煙灰是典型火災(zāi)中輻射的主要貢獻(xiàn)者[31],可近似為

κ=κg+κs≈κs∝p2

(10)

式中:κg為氣態(tài)化合物;κs為煙灰化合物。故,火焰輻射熱通量可表示為

燃料質(zhì)量燃燒速率表示為壓力和氧氣的函數(shù):

(12)

式中:n值選取決定于流體類型是湍流還是層流[32],層流情況下n=1/4,湍流情況下n=1/3。常數(shù)C1和C2與壓力無關(guān),本研究中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)是湍流固體燃燒實(shí)驗(yàn)(即n=1/3),則(12)式可改寫為

2 實(shí)驗(yàn)概況

所有測試均在低壓富氧燃燒艙內(nèi)進(jìn)行,該低壓艙可以模擬不同海拔高度(0～15 000 m)。實(shí)驗(yàn)艙簡化示意圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括一個(gè)1 m3的低壓艙艙體、氧氣調(diào)節(jié)裝置、空氣壓縮機(jī)和真空泵。在測試期間,通過真空泵、空氣壓縮機(jī)和氧氣調(diào)節(jié)裝置保持恒定的壓力和特定的氧濃度,從而滿足實(shí)驗(yàn)所需環(huán)境。

圖1 低壓富氧艙實(shí)驗(yàn)裝置圖

燃燒測試選取的是裝有A4條狀碎紙的單層瓦楞紙箱(尺寸:15 cm×15 cm×15 cm),A4紙的單位面積質(zhì)量為70 g/m2,且在紙箱兩側(cè)分別設(shè)置9個(gè)孔,以確保紙箱火不會(huì)自行熄滅,如圖2所示。將干燥處理后的紙箱放置在隔熱板的上面,隔熱板下面是奧豪斯公司生產(chǎn)的Explorer天平,稱量上限可達(dá)35 kg,使用內(nèi)置RS-232端口通過標(biāo)準(zhǔn)串口線連接天平到電腦。加熱器位置放置紙箱內(nèi)部,通過外部開關(guān)進(jìn)行操作,以使加熱均勻,減少實(shí)驗(yàn)誤差。

圖2 紙箱實(shí)物圖

5個(gè)K型鎳鎘熱電偶沿著火羽流的中心軸垂直安裝,最低的熱電偶與紙箱的上表面齊平,每2個(gè)熱電偶之間距離為5 cm,以測量火焰中心線上的溫度。無紙記錄儀可以實(shí)時(shí)記錄不同高度的火焰溫度,將測量的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為可讀取的溫度數(shù)據(jù)。此外,攝像頭記錄的火焰視頻用來觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

每組環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次以盡量使誤差最小化。初始空氣溫度為25℃,相對(duì)濕度為35%。在本次調(diào)查中,假設(shè)碎紙都是均勻放置,燃燒特性不受瓦楞紙箱中碎紙蓬松度的影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及討論

3.1 火焰形態(tài)

通過攝像可以記錄紙箱從引燃到熄滅的全過程。Feng等[33]詳細(xì)介紹了瓦楞紙箱在75 kPa下的燃燒現(xiàn)象,并將其燃燒分為3個(gè)階段:熱解階段、向上火蔓延階段、向下火蔓延階段。圖3所示為壓力60 kPa,氧濃度33%環(huán)境下紙箱的燃燒形態(tài)。對(duì)記錄視頻進(jìn)行處理后,可將紙箱燃燒過程分為3個(gè)階段:階段1是在富氧狀態(tài)下加熱器持續(xù)升溫很快使內(nèi)部碎紙屑著火,同時(shí)通過通風(fēng)孔排出煙氣,進(jìn)而引燃紙箱;階段2是紙箱的劇烈燃燒階段,被引燃后,紙箱四側(cè)向上發(fā)生火蔓延,紙箱形狀發(fā)生變化,燃燒逐漸劇烈,直至大部分紙箱燃燒完畢;階段3是剩余少量可燃物仍繼續(xù)燃燒,有很小的火焰及光亮,接著發(fā)生最后的陰燃,最終導(dǎo)致熄滅。

圖3 紙箱燃燒階段 圖4 60 kPa不同氧濃度下穩(wěn)定燃燒階段的火焰形態(tài)

壓力和氧濃度都會(huì)影響火焰的形狀和顏色,在低壓環(huán)境下,自然對(duì)流減弱,氧氣的供應(yīng)相應(yīng)地減緩,同時(shí),壓力降低也影響化學(xué)反應(yīng)速率,造成了火焰顏色的差異。由于環(huán)境壓力和氧氣濃度的變化,火焰外觀的變化可能與煙生成過程和火焰溫度的變化有關(guān)。從錄像上截取在穩(wěn)定燃燒階段不同環(huán)境下紙箱的燃燒情況,圖4為60 kPa不同氧氣濃度下的燃燒樣品的火焰形態(tài)。隨著氧濃度的增加,火焰高度有降低趨勢,形狀由細(xì)高型變?yōu)閷挼托?。主要由于紙箱在受熱后產(chǎn)生可燃性氣體,要維持持續(xù)燃燒,必須與足夠的氧氣混合,在氧氣含量少的條件下,就要求火焰高度增大,才能與更多的氧氣接觸繼續(xù)燃燒。在60 kPa低氧濃度時(shí),紙箱即使能燃燒,但也產(chǎn)生大量煙霧。同時(shí),火焰顏色隨著氧含量的增多由藍(lán)黃色逐漸轉(zhuǎn)為明亮色,在充足的氧氣下紙箱得以充分燃燒。

3.2 質(zhì)量損失速率和燃燒速率

質(zhì)量損失速率能反映材料在一定熱輻射強(qiáng)度下的熱解、揮發(fā)及燃燒程度,決定材料的燃燒速率,是評(píng)價(jià)燃料燃燒特性的重要參數(shù),常用于表征火災(zāi)的規(guī)模,評(píng)估材料火災(zāi)危險(xiǎn)性。

采用電子天平記錄質(zhì)量變化數(shù)據(jù),取質(zhì)量變化曲線的一階導(dǎo)數(shù)得到質(zhì)量損失速率。圖5a)顯示了在不同壓力和氧氣濃度下穩(wěn)定燃燒階段最大失重率的變化趨勢。壓力越低,燃燒越慢,質(zhì)量損失速率隨著氧氣濃度的增加而增加。在較低壓力下,質(zhì)量損失速率變化最為明顯,隨著氧濃度的增加,3個(gè)壓力下最大質(zhì)量損失速率的差異不斷減小。當(dāng)氧氣濃度增加到33%時(shí),差異基本不顯著。壓力對(duì)固體燃燒的影響,主要體現(xiàn)在火焰的熱量反饋,低壓明顯抑制了火焰熱量的傳遞,導(dǎo)致燃燒緩慢,質(zhì)量損失速率降低。根據(jù)經(jīng)典羽流理論,火焰溫度受氧氣濃度的影響,對(duì)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射熱通量產(chǎn)生正反饋,加速固體燃料的燃燒?？梢钥闯?當(dāng)房間過度富氧時(shí),即使環(huán)境壓力相對(duì)較低,紙箱材料也會(huì)迅速燃燒,存在較大的火災(zāi)隱患。

圖5 最大質(zhì)量燃燒速率與壓力和氧濃度之間的關(guān)系

3.3 熱釋放速率

熱釋放速率不僅對(duì)火災(zāi)發(fā)展起決定性作用,而且會(huì)直接影響其他火災(zāi)災(zāi)害因素,因此研究材料的熱釋放特性有助于分析火災(zāi)的危險(xiǎn)性,在火災(zāi)研究中,一般認(rèn)為熱釋放速率正比于質(zhì)量損失速率,如(14)式所示

(14)

式中:rHRR為熱釋放速率;ΔHc為可燃物的有效燃燒熱值,在燃燒過程中一般可假定為常數(shù);φ為燃燒效率因子,反映不完全燃燒的程度[34],一般取0.8。對(duì)(14)式進(jìn)行積分可得

Q=φ·ΔHc·Δm

(15)

式中:Q為燃料釋放的總熱值;Δm為可燃物質(zhì)量。紙箱作為典型的纖維素材料,一般由淀粉膠組成,因此取纖維素材料主要成分淀粉的燃燒熱作為紙箱的燃燒熱[35];ΔHc取17 MJ/kg。

在低壓環(huán)境下,隨著氧濃度的增大,紙箱燃燒劇烈,熱釋放速率和總熱釋放量隨之增大。由(8)式可知,火焰溫度和氧濃度呈正相關(guān),在富氧環(huán)境下火焰溫度較高,紙箱燃燒比較快,熱釋放速率變化趨勢也比較快。從圖6a)可知,隨著氧濃度從21%增大到33%,熱釋放速率增大了63.56%,主要是由于在60 kPa氧濃度21%環(huán)境時(shí), 較低的氧含量會(huì)降低火焰溫度,從而降低返回樣品表面的凈熱通量,導(dǎo)致紙箱不充分燃燒,殘余量較多。從圖6b)可知,在低氧濃度下,壓力對(duì)燃燒的影響較大,但氧濃度增大到33%時(shí),不同壓力間的總釋熱量相差不大,在高氧濃度下,壓力對(duì)釋熱量呈弱相關(guān)。隨著氧濃度從21%增大到33%,當(dāng)壓力為50 kPa時(shí),產(chǎn)熱量增加了16%,當(dāng)壓力為70 kPa時(shí),產(chǎn)熱量只增加了7.1%,可見在低壓力下,氧濃度對(duì)產(chǎn)熱量影響較大,因此在高高原地區(qū)室內(nèi)富氧后,危險(xiǎn)性明顯增大。

圖6 不同氧濃度下的產(chǎn)熱特性

3.4 火焰溫度

火羽流是火的初始基本形態(tài),在垂直方向上,火羽流可分為3個(gè)比較明顯的區(qū)域,連續(xù)火焰區(qū)、間歇性火焰區(qū)和浮力羽流區(qū)。羽流中心線溫度是火羽的基本特征參數(shù),下面主要分析60 kPa時(shí)氧濃度對(duì)火羽溫度的影響。

從圖7可以看出,隨著氧氣濃度的增加,紙箱的火焰溫度不斷升高,與經(jīng)典火羽流公式吻合。60 kPa時(shí),氧濃度從21%增大到33%,火焰最高溫度提升19%。5種環(huán)境下火焰的最高溫度大都發(fā)生在紙箱上方第三個(gè)熱電偶(圖7中熱電偶高度為10 cm時(shí))附近,位于火焰的連續(xù)區(qū)域,因此通過熱電偶測得的最高溫度可近似為火焰溫度。

圖7 60 kPa紙箱中心線上火焰溫度隨熱電偶高度的變化曲線圖

4 結(jié) 論

本文在低壓/kPa(50,60,70)不同氧濃度(21%,24%,27%,30%,33%)對(duì)室內(nèi)常見瓦楞紙箱材料的燃燒特性進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究,主要結(jié)論如下:

1)在低壓富氧環(huán)境下,紙箱燃燒也可分為3個(gè)階段,但相對(duì)常壓常氧環(huán)境,第二階段燃燒較為劇烈,時(shí)間明顯縮短。隨著氧濃度增大,火焰形狀由細(xì)高型變?yōu)閷挼托?顏色由藍(lán)黃色逐漸轉(zhuǎn)為明亮色。

3)隨著氧濃度的增大,質(zhì)量損失、熱釋放速率、產(chǎn)熱量和火焰溫度有增大趨勢。60 kPa時(shí),氧濃度從21%提升到33%時(shí),熱釋放速率增大了63.56%,總產(chǎn)熱量增大了8%,火焰最高溫度提升19%。在高氧濃度環(huán)境下,壓力與質(zhì)量損失和產(chǎn)熱量呈弱相關(guān),通過富氧能明顯減弱低壓對(duì)固體燃燒的抑制作用,一旦室內(nèi)發(fā)生火災(zāi),富氧環(huán)境下的危險(xiǎn)性明顯提高。