木质类人造板材炭化痕迹实验及数值重构研究

余莹莹，徐晓楠（中国人民武装警察部队学院，河北廊坊，065000）



木质类人造板材炭化痕迹实验及数值重构研究

余莹莹＊，徐晓楠
（中国人民武装警察部队学院，河北廊坊，065000）

摘要：利用锥形量热仪测定不同辐射热通量和不同燃烧时间下木质类人造板材的炭化深度，建立木质类人造板材炭化痕迹的数学模型，并嵌入到FDS（Fire Dynamics Simulator）源程序中，与自身功能相结合，实现重构木质类人造板材炭化痕迹的功能。同时实验研究了不同油盘尺寸、不同燃烧时间、不同火源位置和不同材料种类对炭化痕迹的影响，并利用新编译的FDS程序对实验进行重构，对比重构结果和实验结果，证明该程序可以用于重现木质类人造板材的炭化痕迹。

关键词：人造板材；炭化痕迹；数值重构；FDS；火灾调查

0　引言

木质类人造板材广泛应用于室内装修装潢和家具的制造过程中，受到火场作用后，形成的炭化痕迹是火灾现场中常见的痕迹物证之一，可直接或间接证明火灾发生的时间、起火点位置、起火原因和蔓延路线等［1，2］。但由于火灾燃烧过程的复杂性、火灾本身的破坏性、不同火场的特殊性等原因，给火灾调查工作带来了极大的困难［3］，而火灾数值重构技术作为火灾调查工作中的一种新技术，能够直观准确地再现火灾过程以及得到火灾现场勘验无法得到的数据，发展前景十分广阔。国外，关于火灾数值重构的研究主要是针对火灾蔓延和烟气流动过程，Madrzykowski等人［4］对1999年5月30日华盛顿某街道别墅火灾进行重构，结果表明，火灾中地下室的玻璃推拉门打开，使氧气进入了高温受限防火分区，导致60s后发生轰然，产生的烟气高速冲向地下室楼梯。国内，不仅研究了火灾蔓延和烟气流动过程的数值重构，还研究了火灾痕迹的数值重构，同课题组的韩［5］研究了PVC板热蚀痕迹的数值重构、吴［6］研究了防火板烟熏痕迹的数值重构、施［7］研究了石膏板脱水痕迹的数值重构，但木质类人造板材炭化痕迹的数值重构还未研究，且炭化痕迹的形成机理与前几种痕迹均不同。因此，本文以木质类人造板材炭化痕迹为研究对象，通过实验和理论相结合的方法建立数学模型，并将数学模型嵌入到FDS源程序中，实现对木质类人造板材炭化痕迹的重构，同时，设计了实验验证新编译的FDS程序的有效性，将该技术用于预测火场中木质类人造板材炭化痕迹，与火场中的其它证据相印证，为火调人员反推起火点提供帮助。

1　木质类人造板材炭化痕迹数学模型的建立与实现

1．1 数学模型的建立

1．1．1 木质类人造板材受热炭化实验

按照ISO5660将刨花板、细木工板或密度板裁成尺寸为100mm×100mm的试样进行锥形量热实验，为了减小模型建立时产生的误差，选择炭化深度差别较大的时间参数进行实验，具体安排见表1，实验过程中，记录试样表观状态随时间的变化，实验结束后，测量试样的炭化深度（以此值表征试样的炭化程度）。

表1　实验安排表Table 1 The schedule of experiment

1．1．2 结果分析

火灾烈度是衡量火灾破坏性的指标，对火灾中各构件受损程度具有重要的影响，可近似地用接收的净辐射热通量（q·″net）和暴露时间（t）的乘积来计算［8］。当火灾烈度为0MJ／m2，炭化深度为0mm，对实验数据进行曲线拟合时应过原点，拟合曲线见图1，相应的数学关系式见式（1）。

式中：D－炭化深度，mm；S－火灾烈度，MJ／m2。

由式（1）可知，炭化深度与火灾烈度均符合D＝a·Sb＝a·（q·″net·t）b的关系，其中a，b是与材料性质有关的系数，q·″net是随时间t的变化量，因此，木质类人造板材炭化痕迹的数学模型用式（2）表示：

式中：k－与实验尺度有关的系数。根据实验过程记录的材料表面开始炭化的时间，求得刨花板、密度板、细木工板形成炭化痕迹的边界阈值分别为：火灾烈度为1．71MJ／m2、1．67MJ／m2、1．43MJ／m2时，炭化深度为1．71mm、1．62mm、1．68mm。

图1　炭化深度与火灾烈度关系的拟合图Fig．1 Fitting chart of relationship between carbonization depth and fire severity

1．2 数学模型的实现

在Visual Studio 2010操作环境下，利用Fortran语言［9］对FDS 6．0．1源程序（共有32个文件）［10］中的read．f90、dump．f90、wall．f90等文件进行修改并嵌入式（2），经过不断调试，式（2）与FDS源程序成功耦合，编译成了新的FDS程序，新编译的FDS程序能够计算并显示木质类人造板材炭化痕迹。

2　木质类人造板材炭化痕迹实验

2．1 实验材料

实验用刨花板、密度板或细木工板作为壁面材料，购自于廊坊市建材市场，裁成实验所需尺寸1200mm×800 mm，厚度分别为16 mm、8 mm、15mm；正方形油盘由廊坊市捷强五金加工厂制成，高度为50mm；燃料为93汽油。

2．2 实验装置

先将石膏板固定在搭建好的实验台上，再将人造板材固定在石膏板上，在实验台底部放置电子天平记录燃料质量的变化（用于设定模拟中火源的热释放速率），油盘放置在电子天平上用于盛放汽油，用计时器记录燃烧时间，用摄像机记录炭化痕迹的形成过程，用照相机记录最终形成的炭化痕迹，用卷尺测量炭化痕迹的最大宽度、高度，并沿着炭化痕迹中心位置从下至上每隔10cm处，用炭化深度测量仪测量一次炭化深度，实验装置见图2。

2．3 实验步骤

图2　实验装置图Fig．2 Experimental apparatus

由式（2）可知，木质类人造板材上形成的炭化痕迹受壁面接收的净辐射热通量、燃烧时间、材料性质等因素的影响，而壁面接收的净辐射热通量与油盘尺寸和位置有关，通过控制变量法研究各影响因素对炭化痕迹的影响。

（1）不同油盘尺寸。油盘边长分别为13cm、15cm、20cm、25cm、30cm，位于底部中央距壁面2．0cm，为保持燃烧时间的一致性，待燃烧时间到120s时，人为将火熄灭，壁面材料为刨花板，实验编号为1～5。

（2）不同燃烧时间。燃烧时间分别为100s、120s、140s、160s、180s，为了便于观察形成的炭化痕迹，选取边长为20cm的油盘，位于底部中央距壁面2．0cm，壁面材料为刨花板，实验编号为6～10。

（3）不同油盘位置。油盘分别位于底部中央距壁面1．5cm、2．0cm、2．5cm和距离墙角2．0cm，同样选取边长为20cm的油盘，燃烧时间为120s，壁面材料为刨花板，实验编号为11～14。

（4）不同材料种类。壁面材料分别为刨花板、密度板和细木工板，油盘边长为20cm，位于底部中央距壁面2．5cm，燃烧时间为120s，实验编号为15 ～17．

3　木质类人造板材炭化痕迹数值重构

利用新编译的FDS程序重构人造板材炭化痕迹实验，计算空间有两个面全部敞开，与实验的设置保持一致。根据网格独立性测试及时间步长的调整［11，12］，在1．2m×0．8m×1．2m的模拟计算空间内共设了60×48×60个网格。材料的热物性参数设置参照NIST发布的典型材料热物性参数和《SFPE消防工程手册》，模拟时间设置与实验时间相同，实验室门是关闭的，风速设为0m／s，实验装置模拟图见图3。

图3　实验装置模拟图Fig．3 Simulation diagram of experimental apparatus

4　结果与讨论

4．1 油盘尺寸的影响

matchShapes值由三个与Hu矩有关的函数计算得到，用于比较两个图像形状的相似性，一般认为，当matchShapes值小于0．4，两个图像在形状上较相似［13，14］。表2是1～5实验和重构的炭化痕迹图，matchShapes值分别为0、0．361291、4．44089×10－16、0．321281和0．130638；实验得到的痕迹的最大宽度分别为0．0cm、12．5cm、15．0cm、15．3cm、18．1cm，最大高度分别为0．0cm、27．4cm、46．1cm、68．9cm、85．4cm，重构得到的痕迹的最大宽度分别为0．0cm、11．6cm、14．9cm、15．7cm、17．4cm，最大高度分别为0．0cm、27．8cm、46．7cm、70．1cm、86．0cm；实验和重构得到的痕迹的最大宽度、高度均与油盘边长呈线性关系，见式（3）和（4），最大高度的增长速率快于宽度的，锥形形状越来越明显；图4为1～5实验和重构的炭化深度值，随着油盘尺寸的增大，炭化深度值增大，且炭化深度值在第2个或第3个探测开始出现，主要原因油盘与壁面存在一定距离，且底部有总高度为16cm的电子天平和隔热材料；证明了新编译的FDS程序可以较好的重现炭化痕迹的形状、尺寸、随油盘尺寸的变化规律、炭化深度等特征。

式中：W－痕迹的最大宽度，cm；H－痕迹的最大高度，cm；L－油盘边长，cm。

表2　1～5实验和重构的炭化痕迹图Table 2 Experimental and reconstructed carbonization trace of 1～5

图4　1～5实验和重构的炭化深度值Fig．4 Experimental and reconstructed ofcarbonization depth of 1～5

4．2 燃烧时间的影响

表3　6～10实验和重构的炭化痕迹图Table 3 Experimental and reconstructed carbonization trace of 6～10

图5　6～10实验和重构的炭化深度值Fig．5 Experimental and reconstructed of carbonization depth of 6～10

式中：t－燃烧时间，s。

4．3 火源位置的影响

11～14实验和重构的炭化痕迹图见表5，matchShapes值分别为0．31095、4．44089×10－16、1．07429×10－2和6．81211×10－2；11～14实验得到的痕迹的最大宽度分别为13．4cm、15．0cm、3．1cm、15．3cm，最大高度分别为63．4cm、46．1cm、9．2cm、90．4cm；重构得到的痕迹的最大宽度分别为13．7cm、14．9cm、2．9cm、15．4cm，最大高度分别为64．1cm、46．7cm、8．9cm、90．6cm；对比11～13的结果，随着火源与壁面距离的增大，痕迹尺寸逐渐减小，颜色也逐渐变浅，对比12和14的结果，壁面受墙角的交叉辐射效应，接收的累积热量增多，痕迹尺寸明显增大，且颜色明显变深；图6为11～14实验和重构的炭化深度值，火源距壁面越近，炭化深度值越大，火源位于墙角，炭化深度明显增大，炭化深度值仍开始出现于第2个或第3个探测点．

表4　11～14实验和重构的炭化痕迹图Table 4 Experimental and reconstructed carbonization trace of 11～14

4．4 材料种类的影响

图6　11～14实验和重构的炭化深度值Fig．6 Experimental and reconstructed ofcarbonization depth of 11～14

15～17实验和重构的炭化痕迹图见表5。 matchShapes值分别为1．07429×10－2、0．327619和0．234081；15～17实验得到的痕迹的最大宽度分别为3．1cm、12．1cm、17．9cm，最大高度分别为9．2cm、45．1cm、71．9cm；重构得到的痕迹的最大宽度分别为2．9cm、12．3cm、16．5cm，最大高度分别为8．9cm、45．4cm、72．3cm；根据1．1．2的结果，相同的火灾烈度，炭化深度由小变大的顺序为刨花板、密度板、细木工板，稳定性的顺序相反，15～17重构和实验的结果表明，炭化痕迹的尺寸随材料稳定性减弱而逐渐增大、颜色逐渐加深；图7为15～17实验和重构的炭化深度值，材料稳定性越好，炭化深度值越小，炭化深度值仍开始出现于第2个或第3个探测点。

表5　15～17实验和重构的炭化痕迹图Table 5 Experimental and reconstructed carbonization trace of 15～17

图7　15～17实验和重构的炭化深度值Fig．7 Experimental and reconstructed of carbonization depth of 15～17

5　结论

（1）炭化痕迹的最大宽度、高度均与油盘边长呈线性关系，且高度的增长速率快于宽度的；炭化痕迹的最大宽度与燃烧时间呈Logistic的关系，最大高度与燃烧时间呈Allometric1的关系，随燃烧时间的增加，高度明显增加，而宽度几乎没有变化。

（2）火源位于中间位置，随着与壁面的距离增大，炭化痕迹尺寸、炭化深度都逐渐减小，颜色也逐渐变浅；火源位于墙角位置，炭化痕迹尺寸、炭化深度有明显的增大，且颜色明显变深。

（3）三种材料的稳定性顺序为：刨花板＞密度板＞细木工板，炭化痕迹的尺寸、炭化深度随材料稳定性减弱而逐渐增大，颜色逐渐加深；

（4）利用新编译的FDS程序对实验进行重构，分别从痕迹的形状、尺寸、随影响因素的变化规律、炭化深度四个方面对比重构结果和实验结果，发现两者具有较好的一致性，验证了新编译的FDS软件的有效性，将该软件应用于消防工作，不仅可以作为一种定量手段来描述炭化痕迹的形成过程，还可以用来反推起火点位置，较好地辅助火灾调查工作。

参考文献

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Keyword：Man－made wood board；Carbonization trace；Numerical reconstruction；FDS；Fire investigation

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Experiment and numerical reconstruction of carbonization trace of man－made wood board

YU Yingying，XU Xiaonan
（Chinese People’s Armed Police Force Academy，Langfang 065000，China）

Abstract：Carbonization depth of man－made wood board is determined under different radiation heat fluxes and different burning time using the cone calorimeter．A mathematical model of man－made wood board carbonization trace is established，and is embedded into FDS（Fire Dynamics Simulator）source program．By this means，the man－made wood board carbonization can be reconstructed．The influence of pool size，burning time，fire source position and wood species on the carbonization trace is also studied．By comparing the results of experiment and reconstruction，the newly compiled FDS is justified to be able to reconstruct the carbonization depth of man－made wood board．

通讯作者：余莹莹，E－mail：994673524＠qq．com．

作者简介：余莹莹（1991．7－），女，汉，在读研究生，主要从事火灾调查、火灾数值模拟方向的学习和研究。

基金项目：公安部应用创新计划项目（2011YYCXWJXY134）；中国人民武装警察部队学院优秀硕士学位论文培育工程资助（201403）。

收稿日期：2015－01－06；修改日期：2015－02－04

DOI：10．3969／j．issn．1004－5309．2015．01．06

文章编号：1004－5309（2015）(－)0040－07

文献标识码：A

中图分类号：X928．7；X915．5