低压下近熄灭极限区域纸火蔓延实验研究

何选泽，方 俊，王静舞，薛 岩，赵思威

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

0 引言

火灾安全对航空航天的发展至关重要，微重环境下的固体火蔓延研究也引起了学者们的广泛关注[1-5]。除了直接在微重环境中开展实验外，在低压环境中进行火蔓延实验也尤为重要，这不仅仅是因为航天器内部往往是低压环境(80 kPa)，而且还可以利用低压环境中的弱浮力作用对微重环境进行功能模拟，在微重实验条件不成熟的年代，这一技术手段被广泛应用[6-12]。

前人在低压环境下开展了大量的实验，McAlevy和Magee[7]采用3 mm厚的热薄聚合物材料在各种氧气和压力边界条件下，研究了无风环境下的火蔓延特性，并发现火蔓延速度与环境压力呈正相关关系。Goldmeer等[8]研究了PMMA圆棒在低压环境下的顺风火蔓延特性，发现火蔓延速度随压力的减小单调递减。Nakamura等[9]研究了导线在低压环境下的火蔓延特性，通过对比气相传热特征长度和线芯传热特征长度，给出了在不同压力范围下导线火蔓延的传热主控机制。此外，Nakamura等[10]基于低压导线火蔓延实验结果，对低压火蔓延机理进行了讨论，并将实验结果与微重实验进行了对比分析，给出了低压与微重的相似性与不同点。Hu等[11]在低压环境下，采用高热导率线芯对不同倾角的导线火蔓延进行了研究，讨论了倾角对顺风和逆风火蔓延的不同影响。此外，Hu等[12]还研究了常重和微重的低压环境下，不同倾角对PE-NiCr导线顺风火蔓延的极限氧浓度的影响。

值得注意的是，这些学者在研究火蔓延速度时，均采用的是无限化学反应速率假设，其得出的火蔓延速度均不在近熄灭极限区域内，采用该假设时，火蔓延速度与压力和氧气浓度的关系满足指数关系式[7]:

(1)

虽然也有学者对近熄灭极限区域火蔓延进行了研究，但相比之下这部分工作罕见报道。Olson等[13]采用热薄纤维素材料，研究了微重环境下逆风火蔓延在近熄灭极限区域的特征，并得出氧气浓度与逆流风速的着火极限图。Frey等[14]对无风环境下压力与氧气浓度耦合作用的纸火蔓延特性进行了研究，研究认为火蔓延速度随压力变化分为两个区域，一个是近熄灭极限区域，此时速度非线性增长，另一个是线性增长区域。然而，文中并没有对出现两个分区的热传递机理，分区的界限以及线性区域火蔓延速度的变化规律进行分析和讨论。

因此，本文对低压环境下的近熄灭极限区域水平纸火蔓延进行了实验研究。通过降低压力和氧气浓度得出了水平纸火蔓延的着火极限，并分析了在极限氧气浓度条件下的火蔓延速度变化规律。在此基础上，进行了氧气浓度43%时，不同压力下的水平纸火蔓延实验，通过分析火蔓延速度并与文献数据进行比较分析，确定了火蔓延近熄灭极限区域和线性增长区域的分界压力值范围。得出了压力分界处火焰的变化特征，并根据火焰图像与理论分析，得出了不同区域内的火蔓延传热主控机制。

1 实验设置

火蔓延实验在一个封闭的低压舱中进行。低压舱高度40 cm，横截面为圆形，直径50 cm。低压舱压力控制范围为300 pa～101 kPa (±10 pa)，舱室实时压力由压力控制器进行测量。舱体上有2个圆形观察窗，直径均为16 cm。其中一个观察窗位于顶盖中心，另一个位于舱体侧壁，其中心距离舱底15 cm处。低压舱与真空泵连接，用于抽出舱内气体。进行实验时，通过通入氧气与空气使舱内氧气浓度达到预设值，氧气的流量由10.0 slpm(标准升/分钟)的Alicat流量计控制。每次实验通入氧气后静置10 min，以减小气体流动对火蔓延的影响。

纸张火蔓延台架设置如图1，在本文的实验中，仅研究了水平火蔓延。实验样品尺寸为12 cm (长)×2 cm (宽)×0.012 cm (厚)，在进行火蔓延实验之前，所有实验样品均放入100 ℃干燥箱中干燥12 h，然后放入常温干燥皿中静置12 h。进行实验时将纸张水平放入支架的缝隙内，支架每一边尺寸为20 cm (长)×0.5 cm (宽)×0.2 cm (厚)。实验样品由一端的点火线圈点着，点火电流均为6 A，由高砂EX-750 L直流电源控制电流大小。当纸张着火后立刻关闭点火电流。实验过程由尼康相机(30 fps)拍摄记录，再通过后期处理获得火焰图像以及火焰前锋位置，根据火焰前锋位置可计算出火蔓延速度。实验前，提前1小时打开实验房间的空调，使每次实验的室内温湿度基本保持不变。实验时，每个实验工况进行3次重复实验，每两次实验间隔 20 min，以减小环境温湿度对实验的影响。

图1 火蔓延实验装置示意图Fig. 1 Experimental setup

2 结果与分析

2.1 火蔓延熄灭极限

为了研究纸张表面火蔓延在近熄灭极限区域的特征，首先要获取氧气与压力耦合的火蔓延熄灭极限，如图2(a)所示。在进行实验确定熄灭极限时，在某一压力下，对于某一氧气浓度值，若将该氧气浓度再降低1%进行的三次重复实验均不能出现火蔓延，即确定该氧气浓度(降低前)为此压力下的极限氧气浓度。图2(a)中三角形曲线是Frey等[14]由1 cm (宽)×0.019 cm (厚)的纸张火蔓延实验得出。通过对比分析两条曲线可以看出，极限氧气浓度随着压力的减小呈指数上升，然而，氧气分压在熄灭极限处却随着压力的减小而减小，如图2(b)所示，这表明影响火蔓延现象的因素不仅仅是氧气分压，环境压力也同样很重要。另一方面，可以看出实验样品的几何参数，如宽度和厚度，对熄灭极限的影响不大，两条曲线的变化规律与数值大小基本一致。

图2 火蔓延熄灭极限图(a)和氧气分压随压力变化图(b)Fig. 2 Flammability map (a) and oxygen partial pressure vs air pressure (b)

图3 极限氧浓度下的火蔓延速度随压力变化图Fig. 3 Flame spread rate with LOC vs air pressure

图3为极限氧浓度下的火蔓延速度随压力变化的情况。氧气浓度和环境压力是影响火蔓延现象的两个重要边界条件，在二者的耦合作用下，火蔓延速度从25 kPa到30 kPa出现了突然增大的现象。若

将压力范围分为两个区间，分别是4 kPa～25 kPa以及30 kPa～50 kPa，此时火蔓延速度在两个压力区间内均随着压力的增大而减小。

图4为极限氧浓度下的火焰图像，由于图4(a)～图4(d)工况条件下的火焰面积过大不便于展示，因此将其缩小，图片边长缩小的比例系数见图片右下角。分析火焰图像可知，在上文的两个压力区间内，火焰面积均随着压力的升高而逐渐减小，这点与火蔓延速度变化规律一致，但是火焰面积减小的速度并不相同，在4 kPa～25 kPa压力范围内，火焰面积减小速率更快。对比25 kPa和30 kPa可知，30 kPa下的火焰面积和上表面火焰高度都高于25 kPa，此时，由于上表面火焰高度满足hup～δgr～ε，其中，δgr为火焰光学厚度，ε为辐射辐射率。因此，30 kPa的火焰辐射反馈较25 kPa更大，从而造成了火蔓延速度的突然升高。

图4 极限氧浓度下的火焰图像Fig. 4 Flame images with LOC

2.2 压力对火蔓延影响

鉴于压力造成了极限氧浓度下的火蔓延速度突然增大，有必要分析压力单一变化对火蔓延的影响。本文进行了在氧气浓度43%(10 kPa下的极限氧气浓度)条件下，不同压力的火蔓延实验，图5为该系列工况下的火蔓延速度随压力变化曲线，以及Frey等[14]由1 cm (宽)×0.019 cm (厚)的纸张在不同压力和氧气浓度下得出的火蔓延速度。

图5 火蔓延速度随压力变化图(O2=43%)Fig. 5 Flame spread rate with the 43% O2 concentration vs air pressure

由于本文的实验样品几何尺寸与前人不同，且不同纸张的成分也不一样，因此使得本文获得的火蔓延速度大于前人的结果。但值得注意的是，对于不同的实验样品，火蔓延速度随压力的变化规律一致，都呈现出在近熄灭极限区域内非线性增大，而后线性增加的变化趋势。对于不同的氧气浓度，不同实验样品的曲线，线性增长区域出现的初始压力在不同条件下均十分接近，均位于20 kPa～30 kPa压力范围内，因此可以认为20 kPa～30 kPa是近熄灭极限区域和线性增长区域的分界压力。

结合图像来分析出现压力分区的原因。从图6火焰图像分析可以看出，当压力升高至25 kPa时，内部蓝色火焰逐渐开始变为黄色火焰，火焰的亮度也变得更大，这表明此时的火焰辐射在迅速增大。此外，由于浮力作用增大，火焰形状也逐渐由椭圆形开始变成三角形，表明此时对流开始加强，对流换热将逐渐影响火焰传播所需的热反馈。

热反馈(对流，传导，辐射)的大小是决定火蔓延速度的最主要因素。当压力为10 kPa～20 kPa时，由于压力的降低导致空气密度减小，此时对流换热作用弱；此外由图像可知，由于氧气分压减小，火焰内部均为蓝色火焰，炭黑浓度很低，火焰亮度也变得微弱，由此可以推断火焰辐射不是主要的热反馈能量。因此，在该压力区间内，气相传导是主控因素。火蔓延速度的定义式为：

(2)

(3)

由图7可知，上表面火焰宽度在10 kPa～20 kPa压力范围内随着压力的增大迅速增大，若认为上表面火焰宽度与热解区宽度δf正相关，则δf也随着压力的增大迅速增大。另一方面，由图6可以看出火焰高度基本保持不变，可以认为气相导热特征长度δgc与火焰高度正相关，因而δgc也基本不变。根据方程(3)可以看出，由于δf随压力变化的增速大于ρ随压力线性变化的增速，而δgc保持不变，从而造成了火蔓延速度的增加。

当压力大于25 kPa时，由图6可以分析得出，此时的炭黑浓度明显增大，火焰辐射逐渐加强。分析图7中上表面火焰宽度随压力变化可知，压力大于30 kPa时，由于浮力增大，高温气体向上流动作用加强，火焰宽度逐渐减小，此时对流热反馈对火蔓延的影响越来越大。因此，火蔓延热反馈在该压力区间内由辐射，传导和对流三种传热方式共同控制。此时火蔓延速度线性增长，且符合公式(1)提出的指数关系式。

图6 火焰图像随压力变化(O2=43%)Fig. 6 Flame images in various air pressures (O2=43%)

图7 上表面火焰宽度随压力变化图(O2=43%)Fig. 7 The upper flame length vs air pressure (O2=43%)

3 结论

本文研究了低压近熄灭极限区域纸水平火蔓延特性，得出以下结论：

(1)极限氧浓度下的火蔓延速度整体上随着压力的增大而减小，但是在30 kPa时，火蔓延速度出现突然增大的现象。

(3)在相同氧气浓度下(43%)，火蔓延近熄灭极限区域和线性增长区域分界压力区间为20 kPa～30 kPa。火蔓延速度在近熄灭极限区域内非线性增大，在线性增长区域内线性增大且增速与氧气浓度正相关。

(4)火蔓延近熄灭极限区域和线性增长区域交界处，火焰的内部蓝色火焰逐渐转变为黄色火焰，火焰的亮度增大，火焰形状也逐渐由椭圆形开始变成三角形。

(5)在根据压力划分的近熄灭极限区域内，火蔓延热反馈由气相传导主控，在线性增长区域内，火蔓延热反馈由气相传导，对流和火焰辐射共同控制。

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