硬质聚氨酯板材贴壁逆流火蔓延燃烧特性实验研究

王鹏，王艳，，马鑫

（1.安徽省合肥市公安消防支队，安徽 合肥 230001；2.中国科学技术大学火灾国家重点实验室，安徽 合肥 230027）



硬质聚氨酯板材贴壁逆流火蔓延燃烧特性实验研究

王鹏1，王艳1，2，马鑫2

（1.安徽省合肥市公安消防支队，安徽 合肥 230001；2.中国科学技术大学火灾国家重点实验室，安徽 合肥 230027）

针对典型热固性有机保温材料硬质聚氨酯泡沫（R PU），自行搭建了一种大尺寸实验装置，开展存在外界稳定辐射情况下硬质聚氨酯保温材料逆流火蔓延特性实验研究，观察比较此种材料存在外界辐射源辐照和无辐射条件下实验现象的异同，并获得平均质量损失速率和火蔓延速度等火焰特征参数。实验结果表明：较之无辐射情况下，板材受到外界辐射辐照，火蔓延过程后期会出现加速现象，质量损失速率通过线性拟合后呈二段式分布，厚度方向的热流增加，未燃层厚度减小，板材碳化层区域面积变大；质量损失速率和火蔓延速度与外界辐射强度呈正相关的关系。

硬质聚氨酯保温材料；外加辐射；逆流火蔓延；可变宽度

1　研究背景

硬质聚氨酯（RPU）泡沫塑料因质轻、吸水率低、热性能优越，从而被广泛应用于建筑保温等领域，然而其本身极易燃烧，且蔓延迅速。如2009年央视配楼火灾及2010年上海静安区大火等多起案例均是由于RPU保温板被点燃引起的，故系统地研究该类保温材料的火蔓延特性具有重要的现实意义。

近年来，有机保温材料应用于高层建筑外立面而引发的火灾事故引起了建筑科学领域和材料领域科研工作者的注意。例如：Altenkirch[1]，andFerkul and Ti’en[2]等人研究表明辐射在火蔓延过程中是很重要的机理。Zhang[3]等研究发现固体表面火蔓延行为的宽度效应受控于对流和辐射两种传导机制，火蔓延速度随试样宽度的增加表现出先减小后增大的势。Rangwala[4]等人研究了宽度效应对PMMA板材火蔓延特性的影响；赵恒则[5]等人研究了聚氨酯泡沫板被线火源从中间点燃情况下的垂直火蔓延特性；Quintiere[6]等人研究了小功率辐射工况下PMMA板材火焰高度的变化规律并归纳了火蔓延速度和辐射强度之间的关系； Fernandez-Pello[7]、Hirano[8]等认为外加辐射主要是通过影响燃料初始温度进而影响火蔓延进程。基于上述固体可燃物的火蔓延特性研究可见，在固体可燃物复杂的固相分解和气相燃烧耦合过程中，辐射强度和宽度对保温材料的火蔓延行为起着至关重要的作用。

2　实验设计及安排

本文搭建实验装置示意图如图1所示，一块长厚为1m×2cm的保温板材表面用记号笔沿高度方向每隔10cm画水平线。 本实验中分别对宽度为10cm、15cm、20cm、25cm、30cm的RPU板材火蔓延特性进行研究。保温材料上边缘二侧分别固定一根铆钉用于悬挂点火槽用于点燃板材。 实验开始时，辐射直接照在板材表面，同时点燃点火槽内的燃料，板材上部被引燃。 石膏板利用铆钉固定在支架表面，支架放置于石英板上，石英板底部放置电子天平，电子天平的量程为100kg，精度为0.01g。辐射源放置在支架上方，支架底部为移动轮，可以通过移动滑轮改变辐射源相对保温材料的距离，从而改变辐射板对保温材料的辐射强度，本实验采用标定的辐射强度分别为2.5kW/m2和5.0kW/m2。支架上部安装滑轮支架、滑轮及耐火板，侧方向为电机。

图1　逆流火蔓延实验装置

3　结果与讨论

3.1唯象特性

图3　辐射强度为由2.5kW/m2到5kW/m2时火蔓延现象的转变（W=10cm）

图3给出了宽度为10cm的RPU板材在外界辐射强度由2.5kW/m2升到5kW/m2时的后期火蔓延现象的变化。前者表示当外界辐射强度为2.5kW/m2火蔓延的情况，从板材顶部被点燃到火焰前锋蔓延至底部的整个过程近似为稳态，但是当外界辐射强度升为5.0kW/m2时，可以看出，火蔓延后期过程出现非稳态的加速现象，板材的燃烧程度呈先增大趋势后减小的趋势。导致上述现象主要原因是：逆流火蔓延的蔓延速度主要是由火焰前锋处达到热解温度的时间长短决定，当前锋区域受辐射时间越长，蓄积热量越大，达到热解温度时间越短。本实验中，火蔓延后期，板材表面温度较辐射强度较小时高，所以火蔓延速度加快，导致质量损失速率变大，火焰高度拉伸，从而火势变大。

3.2实验特征参数

3.2.1质量损失速率

火蔓延过程中燃料的质量损失速率能够直观反映热释放速率的变化过程，是衡量火灾危险程度的重要参量之一，其规律可为计算机数值模拟提供重要理论依据。

图4　不同辐射强度下的PU板材质量损失曲线（W=20cm）

图5　不同辐射强度下的平均相对质量损失速率

图4和图5分别给出了宽度为20cm时PU板材的平均质量损失速率变化曲线和由于辐射强度增大导致的净增加的质量变化与辐射强度之间的关系：=0.0216。RPU板材的质量损失速率主要受传热和辐射两种控制机理控制。由于硬质聚氨酯泡沫表面过火燃烧时，会形成碳化层，阻止火蔓延向板材厚度方向发展，导致板材沿厚度方向分为碳化层和未燃区域二层。由于蔓延燃烧过程中热解区形成的表面碳化层始终接受外界辐射源和火焰的辐射。当碳化层接受的总热流密度大于临界热流密度时，火蔓延将继续向板材厚度方向发展，板材被烧透，燃烧加剧。另外，沿纵向方向，火焰前锋接受到的热解区域的热量传导也会增加，从而加速板材的火蔓延速度，导致蔓延后期质量损失速率变大，从而使得质量损失速率呈二段式分布，质量损失速率的净增加量正比于辐射强度，辐射强度越大，净增加量越大。

3.2.2火蔓延速度

火蔓延速度是表征固体可燃物表面火蔓延行为的最重要参数，经典定义如下所示[9]：

图7给出了板材宽度为25cm且辐射强度5kW/m2情况下的板材表面温度变化曲线。依据公式：得出平均火蔓延速率变化曲线（图8）。式中ti为火焰达到热电偶的时间，为二个相邻热电偶之间的距离，因此为10cm。公式（1）给出了逆流火蔓延的速度表达式，火蔓延速度即为热解前锋在单位时间前进的距离，火蔓延主要是由火焰前锋的未燃区是否达到临界点燃温度决定的，而火焰前锋未燃区的温度主要受二方面作用：① 热解区的热传导作用;②辐射对未燃区域的直接作用。板材表面的温度TS由于受到辐射源辐射而升高，热解区燃烧加剧，传导给火焰前锋区域的热量增加，从而使得火焰前锋达到临界点燃温度的时间缩短，将会加速整体的火蔓延。并且随着辐射强度的增加，燃烧区的燃烧加剧，使得单位面积的热释放速率增加，火焰温度Tf升高，燃烧区面积增大，回馈给板材表面的热量增加，从而导致火蔓延速度加速。并且受宽度影响，随着宽度的变大，热量向两侧的扩散会减小，层流边界层δg变小，燃烧更加剧烈，导致板材单位面积的热释放速率增加，从而导致火蔓延速度加剧。

图7　5kW/m2辐射强度下板材表面温度变化曲线

图8　区间平均火蔓延速度随辐射强度的变化曲线

4　结论

本文针对典型保温材料硬质聚氨酯泡沫，通过外加一种可调节稳定的辐射源装置，研究不同宽度的RPU逆流火蔓延典型特征参数的变化规律，结论如下：

①硬质聚氨酯泡沫在外界辐射作用下质量损失速率呈二段式分布，蔓延后期质量损失速率在宽度和辐射强度耦合作用下变大，燃烧加剧，当辐射大于某一强度时，板材被烧穿。

②板材净质量损失速率随着辐射强度的增加而增加，随着板材宽度的增加，净损失质量变大。

③RPU板材火蔓延速度主要是由外界辐射和热解区域的热传导作用，使得达到临界点燃温度点的时间缩短，火蔓延速度加快，相比于向上火蔓延情况，外界辐射对于向下火蔓延的作用更加明显。

[1]R.A.Altenkirch，L.Tang，K.Sacksteder，S.Bhattacharjee，and M.A. Delichatsios，Inherently Unsteady Flame Spread to Extinction over Thick FuelsinMicrogravity.ProceedingsoftheCombustionInstitute27（1998）: 2515-2524.

[2]P.V.Ferkul andJ.S.T'ien，A Model of Low-SpeedConcurrent FlowFlame Spread Over a Thin Fuel[J].Combustion Scicence and Technology 99 （1994）:345-370.

[3]ZhangYing，Ji Jie，Li Jie，etal.Effectsofaltitudeandsamplewidthonthe characteristics of horizontal flame spread over wood sheets[J].Fire Safety Journal 51（2012）:120-125.

[4]A.S.Rangwala，S.G.Buckley，J.L Torero.Upward flame spread on a vertically orientedfuel surface：Theeffect of finitewidth.Proceedings ofthe CombustionInstitute31（2007）:2607-2615.

[5]H.Z.Zhao，Y.M.Zhang.Widtheffect onavertical RPU flamespreadwitha middlelinearignition[J].InPress

[6]King-Mon Tu and James G.Quintiere.Wall flame heights with external radiation[J].Firetechnology27（1991）:195-203

[7]A.C.Fernandez-Pello.Upward laminar flame spread under the influence of externally applied thermal radiation[J].Combustion and Flame 17 （1977）:87-98.

[8]T.Hirano，K.Tazawa.A further study on effects of thermal radiation on flamespreadoverpaper[J].CombustionandFlame32（1978）:95-105.

[9]Subrata Bhattacharjee，Jeff West，Determination of the spread rate in opposed flow flame spread over thick solid fuels in the thermal regime，Proceedings of the Combustion Institute26（1996）:1477-1485.

TU502

A

1007-7359(2016)03-0260-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.095

王鹏（1978-），男，安徽涡阳人，毕业于中国科学技术大学，硕士，工程师。