飞机货舱低气压环境对火灾探测参量影响研究

王 洁，潘杨月，郑 荣，陆 松

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院, 武汉, 430081；2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室, 合肥, 230026)

飞机货舱低气压环境对火灾探测参量影响研究

王 洁1,2*，潘杨月1，郑 荣2，陆 松2

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院, 武汉, 430081；2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室, 合肥, 230026)

旨在为飞机货舱火灾探测系统设计和研制提供理论支撑，在飞机货舱环境模拟实验舱内开展了70 kPa、80 kPa、 90 kPa和100 kPa下正庚烷火灾实验，分析了低气压环境对顶棚温度、烟气密度和气体浓度火灾探测参量的影响规律。低压下空气密度较小，卷吸系数减小，导致顶棚最高温升增加，顶棚温度衰减变快。同时，低压下烟气密度降低，并与压力呈指数关系，指数系数约为0.946，扩展了前人研究结果的应用范围。CO浓度最大值随压力降低而增加，且CO增长速率与压力呈负指数关系。CO2增长速率随着压力降低而略有减小。

飞机货舱；低气压环境；火灾探测；顶棚温度；烟气密度

0 引言

飞机货舱火灾如果得不到有效控制，可能导致飞机发生灾难性的安全事故，造成严重的人员伤亡和财产损失。飞机货舱火灾探测是预防飞机火灾事故的关键。飞机货舱内压力随着飞行高度增加而下降，其中，民航客机在巡航高度10000 m时，货舱压力约为80 kPa。前人研究[1]表明低气压环境会延迟火灾烟雾探测器响应时间，甚至使其不能给出火警信号。同时，压力降低的过程中，水雾会形成，也会造成烟雾探测器的误报[2]。

环境压力对燃烧的影响得到了一些学者的关注[3-7]。研究[3,4]发现燃料质量损失速率随压力降低而减小，呈指数关系，并与火源尺寸有关。Li，Yao，Niu等学者[4-6]发现低压下火焰高度增加，并探讨建立统一的数学表征模型。高压燃烧室实验结果表明烟颗粒浓度与环境压力有很强的依赖关系[7]。因此，低气压环境下腔室内烟气运动可能会与常压情况下烟气分布不同。相应地，顶棚处火灾探测参量也会随着压力变化而改变。但是，前人研究大多关注于低气压环境对火焰温度及高度的影响，并通过在高压低压环境中开展大量实验，建立相关火焰温度及高度表征模型。而关于低气压环境下火灾探测参量变化规律的研究非常少。因此，旨在为飞机货舱火灾探测系统设计和研制提供理论基础，探讨低气压环境对火灾探测参量(烟气温度、烟气密度、气体浓度)的影响具有实际应用意义。

1 实验设计

实验在一个全尺寸飞机货舱环境模拟舱内完成。整个实验过程中，模拟舱内压力可以维持在设定值。该实验舱由主体腔室、压力控制系统、通风系统和其他配套系统(如照明和监视系统)构成。主体腔室是一个具有弧形壁面的扁平柱体，如图1，壁面为8 mm不锈钢板。腔室内部尺寸为长467.0 cm、高112.0 cm、底部宽122 cm、顶部宽300 cm，与波音737-700前货舱尺寸相同。前后壁面装有抗高压矩形门，门上面开有矩形钢化玻璃观察窗。左右弧形侧壁上也设有两个矩形钢化玻璃观察窗，便于实验人员直观观察内部实验情况。实验舱内压力由真空泵及其配套控制系统调节。在进行低气压环境火灾实验前，先启动压力控制系统，真空泵以设定的速率将腔室抽成设定的低压环境。整个实验过程中，压力控制系统会使舱体内部维持在设定压力，上下浮动不超过3%。压力调节范围为70 kPa～100 kPa。本研究中压力分别设定为100 kPa、90 kPa、80 kPa、70 kPa，对应真实飞机在海平面和巡航高度(约为10000 m)下的货舱内压力。

图1 实验装置示意图(单位：mm)Fig.1 Schematic diagram of experiment setup

根据火灾探测器检测标准[8,9]，本文燃料选用正庚烷。考虑到本文研究内容服务于飞机货舱火灾探测系统，探测器所监测的烟气特征参量不会过大，同时参考前人研究[10]中火源设计，本文实验采用的油盘均为小尺寸，位于腔室地板中心，如图1所示。油盘由3 mm厚钢板制成，内部深30 mm。油盘尺寸分别为12 cm×12 cm (D12)、10 cm×10 cm (D10)、8 cm×8 cm (D8)、6 cm×6 cm (D6)，每次实验中液体高度均为10 mm。采用精度为0.01 g的电子天平测量燃料质量损失，测量记录时间间隔为1 s。由于底部放置电子天平，火源初始高度为7 cm。货舱顶棚布置9根热电偶(TC-1～TC-9)，水平间距均为0.55 m。所有热电偶均为精度±1%直径1 mm的K型热电偶。四种气体传感器安装在顶棚Y轴1.20 m处，分别测量腔室内四种浓度，测量精度分别为±3%、±3%、±1%、±2%。一组激光发射装置放置在靠近热电偶束，激光路径为1 m。最初环境温度和相对湿度分别为23℃～25℃和67%～69 %。

2 实验结果及分析

2.1 顶棚温度分布

顶棚最高温升是稳定阶段350 s～450 s内实验测得稳定的平均值。图2是不同压力下顶棚最高温升。从图2中可以看出，顶棚最高温升随着压力的降低而增加，变化区域与火源质量损失速率相反。前人[11]通过常压(1 atm)和低压(0.64 atm)实验对比，发现低压(0.64 atm)情况下卷吸系数小于常压情况下卷吸系数。因此，在低压环境中，燃烧区域会被拉伸，火焰高度也会随之增高。低压环境下空气密度较小，相同质量的燃料需要更长的卷吸范围来获取更多的新鲜空气以支撑燃料的完全燃烧，因此火焰高度增加。

图2 不同压力下顶棚最高温升Fig.2 Maximum ceiling temperature rise versus pressure

图3是不同压力下顶棚温度衰减情况。顶棚温升是稳定燃烧阶段350 s～450 s内实验数据的平均值。从图3中可以看出，对于相同尺寸油盘，靠近火源处(r/H=0.5，其中r为测点至火源中心线的距离，H为货舱顶棚高度)顶棚温升在低压情况下大于常压下，而在距离火源较远处(r/H=2)顶棚温升在不同压力下基本相同。也就是说，不同压力下顶棚温度衰减速率不同。随着压力的降低，顶棚温度衰减更快。低压情况下火源质量损失速率减小，热释放速率减小，从而使沿着顶棚蔓延至远处的烟气温度降低，即使烟气流动过程中与冷空气和腔室壁面热损失不变。

图3 不同压力下顶棚温度衰减规律Fig.3 Ceiling temperature decay profile under different pressures

2.2 烟气密度

图4是油盘D10和D8在不同压力下减光系数随时间的变化曲线。可以看出，对于同样尺寸的油盘，减光系数会随着压力降低而降低。而油盘D12和D6具有相同的变化规律，因此下文中均只讨论油盘D10和D8。例如：油盘D10在70 kPa时最大减光系数为2.25 m-1，比100 kPa时的2.41 m-1减少了0.16 m-1。目前飞机货舱内广泛使用的火灾探测器是光电烟雾探测器，低压环境下较小的减光系数会延迟探测器报警时间，甚至使其不能发出正常报警信号。

图4 不同压力下减光系数随时间变化情况Fig.4 Light extinction coefficient under different pressures versus time

图5是300 s时不同压力下减光系数值。可以看出，减光系数与压力呈指数关系，具体关系式如下：

(1)

其中，χ2为0.946.

图5 300 s时减光系数与压力关系Fig.5 Light extinction coefficient at 300 s versus pressure

前人[12]研究了压力(0.1 MPa～0.73 MPa)对丙烷层流扩散火焰中烟颗粒组成的影响，发现烟尘体积分数fv(m-3)正比于压力，具体如下：

(2)

其中，当压力范围为100 kPa～4000 kPa时，n大于0.9。因此，通过实验发现，在70 kPa～100 kPa区间范围内烟气密度具有相似的规律。

2.3 气体浓度

图6是不同压力下CO浓度随时间变化曲线。整体变化趋势成线性。相同尺寸油盘的CO浓度最大值会随着压力降低而增加。70 kPa时的CO浓度最大值几乎是100 kPa时的2倍。造成CO浓度增加的原因有以下两点：1、低压下氧气浓度降低，不完全燃烧产物CO量增多；2、低压情况下烟气沉降速度减慢，从而使大量烟气积聚在顶棚下。

图6 不同压力下CO浓度随时间变化情况Fig.6 CO concentration under different pressures versus time

图7进一步给出300 s时CO增长速率与压力关系。可以看出，CO增长速率随着压力降低而逐渐增大，与压力呈指数关系，油盘D10和D8的指数系数分别为-0.95和-1.06。

图8是不同压力下CO2浓度随时间变化曲线。整个燃烧过程中CO2几乎呈线性增长趋势。相同尺寸油盘下，低压情况下CO2浓度略小于常压情况。与CO浓度最大值相比，压力对CO2浓度最大值影响较小。低压下CO2浓度增长更加缓慢，由于在低压环境中较低的火源质量损失速率。表1是300 s时CO2增长速率，在低压情况下略有减少。油盘D10和D8的CO2增长速率在压力从100 kPa降至70 kPa时分别减少了2.41 ppm/s和1.3 ppm/s。

图7 300 s时CO增长速率与压力关系Fig.7 Increase rate of CO concentration at 300 s versus pressure

图8 不同压力下CO2浓度随时间变化情况Fig.8 CO2 concentration under different pressure versus time

油盘尺寸(cm)100kPa90kPa80kPa70kPaD108．667．687．146．25D84．533．733．583．23

3 结论

在飞机货舱环境模拟实验舱70 kPa～80 kPa压力范围内开展了正庚烷实验，研究了压力对顶棚温度、烟气密度和气体浓度火灾探测参量的影响.主要结论如下：

1.低压情况下火焰中心对应顶棚位置温度增大，顶棚温度沿径向向外衰减比常压情况更快。

2.烟气密度随着压力降低而减小，与压力呈指数关系，指数系数约为0.946。

3.CO浓度最大值随压力降低而增加，且CO增长速率与压力呈负指数关系。CO2增长速率随着压力降低而略有减少。

[1] 王彦. 西藏低压环境受限空间顶棚射流区火灾烟雾信号规律与探测算法研究[D]. 合肥：中国科学技术大学, 2011.

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Experimental investigation on the influence of low pressure on fire detection signals in aircraft cargo compartment fires

WANG Jie1,2, PAN Yangyue1，ZHENG Rong2，LU Song2

(1. School of Resource and Environmental Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China; 2. State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

In this work, experiments of n-heptane fires were conducted in a simulated aircraft cargo compartment at 70 kPa, 80 kPa, 90 kPa and 100 kPa to study the influence of low pressure on fire detection signals including the ceiling temperature, smoke density and gas concentration. The purpose is to provide theoretical basic on the design of fire detection systems for aircraft cargo compartments. Because of the low air density in low pressure, the entrainment coefficient decreases. Therefore, the maximum ceiling temperature increases, and the ceiling temperature decays faster in low pressure. Besides, the smoke density decreases in low pressure and is proportional to ambient pressure with exponential factor 0.946. The maximum value of CO concentration increases and its increase rate increases by a minus exponential factor in low pressure. The maximum value of CO2concentration and its increase rate decrease slightly with decreasing pressure.

Aircraft cargo compartment; Low pressure; Fire detection; Ceiling temperature; Smoke density

2016-07-11；修改日期：2016-08-18

火灾科学国家重点实验室开放课题(HZ2016-KF08)，武汉科技大学青年科技骨干培育计划(2016xz007)。

王洁(1987-)，女，讲师，主要从事特殊空间火灾烟气特性研究。

王洁，E-mail: wangjie87@ustc.edu.cn

1004-5309(2016)-00213-05

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.04.08

X936;X932

A