火灾场景中细水雾幕对玻璃保护效果实验研究

谭 琼，王喜世,2*，孔祥晓，黄妍清，刘洋鹏

(1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026；2.城市公共安全协同创新中心，合肥， 230026)

火灾场景中细水雾幕对玻璃保护效果实验研究

谭 琼1，王喜世1,2*，孔祥晓1，黄妍清1，刘洋鹏1

(1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026；2.城市公共安全协同创新中心，合肥， 230026)

在火灾环境中，玻璃极易受到过量热流的影响而发生破裂，从而增加火灾房间的通风，导致火势急剧增长，甚至跨区域蔓延。研究防止玻璃在火灾条件下破裂与脱落技术手段对火灾防控具有重要意义。基于此，提出了一种采用细水雾幕阻隔火焰热辐射保护玻璃的方法。实验通过改变细水雾幕工作压力及其在火灾不同阶段的启动，并与传统水膜法进行对比，研究各工况下的保护效果。结果发现火源与保护装置同时启动，细水雾幕与水膜都可以将玻璃首次破裂时间延长。流量为0.38 L/min时，在细水雾幕保护下玻璃首次破裂时间比水膜保护下延长361 s。细水雾幕工作压力越大，保护效果越好，但当压力超过1.0 MPa持续提高细水雾幕压力，保护效果变化不明显。当延迟到玻璃表面温度达到90 ℃时，启动这两种保护装置，细水雾幕对窗玻璃保护效果不受影响，但水膜法玻璃首次破裂时间会缩短。

细水雾幕；玻璃保护；启动时间；压力；水膜

0 引言

随着城市建设的发展，玻璃被广泛地应用在现代建筑物中。然而玻璃属于脆弱构件，一旦发生火灾极易造成玻璃破裂和脱落，这样就容易在火灾场景中形成通风口加速火灾蔓延。2013年3月，天津华苑鑫茂科技园内一高层突发大火，随着火势的增大，窗户玻璃被烧坏，最终火势不断蔓延，造成重大的财产损失[1]。因此对火灾场景下的玻璃进行保护具有重要的现实意义。

Kim等[2]研究了水喷淋位于玻璃向火面和背火面对窗玻璃保护效果影响，发现在辐射强度大于25 kW/m2时，安装于玻璃向火面的水喷淋不能起到保护玻璃的作用。Wu和Lin[3]将水喷淋与水膜对玻璃的保护效果进行对比，实验结果显示水膜的热阻挡效果是水喷淋的3倍，但其耗水量仅为水喷淋的三分之一。邵等[4]通过全尺寸实验研究钢化玻璃在水膜作用下所能承受的最大温度。结果显示当玻璃表面最高温度超过250 ℃时，开启水膜会加速钢化玻璃的破裂与脱落。

然而，前人的研究[3,4,8-10]集中于利用水喷淋或水膜对玻璃进行保护，但水喷淋和水膜耗水量较大，容易造成水渍污染，而细水雾作为一种清洁高效的灭火介质，用水量较少，且对热辐射有明显的衰减作用[11]。因此研究细水雾对玻璃的保护就显得十分必要。

本文选用浮法玻璃作为测试对象，重点研究不同工作压力和细水雾幕启动时间对细水雾幕保护玻璃效果的影响，并与传统水膜法进行对比，研究各工况下的保护效果。文中对玻璃的保护效果通过玻璃是否破裂、破裂时间及玻璃表面温度上升情况和玻璃背火面所接收到的热通量来评判。

1 实验设计

1.1 实验装置

实验装置由玻璃、火模拟系统、细水雾幕系统、测量控制系统等组成。在实际工程中，水膜对玻璃的保护方式有两种，本实验针对细水雾幕保护玻璃的方式，同样考虑了两种类似场景，场景1是指细水雾幕不直接喷在玻璃上，场景2是指部分细水雾幕喷在玻璃上。场景1和场景2的实验装置分别如图1(a)和图1(b)所示。试验所用玻璃为浮法玻璃，尺寸为600 mm×600 mm×6 mm。玻璃安装在铝合金框架内，玻璃与框架不直接接触，玻璃与框架的空隙由玻璃纤维填充，玻璃框架示意图如图1(c)所示。实验采用气体火模拟真实火灾，燃料为丙烷，燃烧器尺寸为350 mm×350 mm，火源中心距离玻璃向火面675 mm，火源功率为156 kW。细水雾幕系统包括高压泵组、控制阀、泄压阀、压力表、细水雾幕喷头、高压水管、挡水装置等。挡水装置如图1(d)所示。挡水装置可以收集多余的水雾，帮助形成均匀的细水雾幕，文中的有效流量(Q)是指通过两挡水板之间的真正发挥作用的有效流量。实验台的测量系统由热电偶、水冷热流计、压力表及高速摄像机等组成。实验中使用的热电偶为K型贴片热电偶(6 mm×10 mm)，共计22支，其布置见图2。1号～4号热电偶布置在玻璃背火面遮蔽区域，5号～13号布置在玻璃背火面，14号～22号布置在玻璃向火面。实验所用热流计型号为MEDTHERM 64系列水冷热流传感器(型号：64-10-20，量程为50 kW/m2)。热流计布置在玻璃背火面50 mm处测量透过玻璃和细水雾幕的热流值。指针式压力表记录细水雾幕的工作压力，量程为8 MPa，精度为0.01 MPa。高速摄像机记录整个实验过程可用于分析玻璃首次破裂时间及位置。

图1 实验装置Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus

图2 热电偶布置(正视图)Fig.2 Arrangement of the thermocouples on the tested glass surface

1.2 原理及理论

玻璃热破裂的形成主要与玻璃表面存在的微裂纹和受热时玻璃内部出现的热应力有关。玻璃表面的微裂纹在外部热荷载作用下扩大成可见裂纹，本文中，玻璃破裂是指玻璃表面出现树枝状或龟背纹状的可见裂纹。

在众多关于玻璃破裂行为的理论研究中，温差判据和热通量判据应用较广泛。Keski-Rahkonen[12]、Shao等[13]提出的温差判据公式如下：

σb=EβΔTb

(1)

式中，σb为玻璃破裂的临界应力值，10MPa<σb<50MPa,E为杨氏模量，取7.3×1010Pa，ΔTb为玻璃破裂的临界温差，β为线性热膨胀系数，取7.33×10-6℃。Keski-Rahkonen通过公式(1)预测玻璃破裂的临界温差ΔTb为80 ℃。

在玻璃四周遮蔽宽度大于玻璃厚度时，向火面临界热通量判据[14]如下：

(2)

式中，S为玻璃四周遮蔽宽度，S=20 mm，κ=0.8W·m-1K-1，qcrit为玻璃破裂的向火面临界热通量，由式(2)可得qcrit为3.2kW/m2。本文中，使用的临界热通量是指玻璃破裂的背火面临界热通量(HFcrit)，HFcrit可以由qcrit换算得到：

HFcrit=aqcrit

(3)

式中，a为修正系数，a受玻璃种类及厚度影响。保持其他实验条件不变，通过测量有无玻璃时热流计的读数计算得a=0.54，带入式(3)可得玻璃破裂的背火面临界热通量HFcrit=1.7 kW/m2。

2 结果与讨论

*：工况1三次重复实验中浮法玻璃的平均破裂温度为97.3 ℃。

a：施加细水雾幕；b：施加水膜。

场景1：细水雾幕不直接喷在玻璃上，场景2：部分细水雾幕喷在玻璃上。

2.1 细水雾幕保护玻璃效果

对于单层浮法玻璃，热量守恒方程为[1]：

(4)

通过积分可以得到：

(5)

式中，c为玻璃的比热容，c=0.92 kJ/kg·K，ρ为玻璃密度，ρ=2500 kg/m3，b为玻璃厚度，b=0.006 m，h为对流换热系数h=0.04 kW/m2·K，Tg和T0分别为玻璃表面温度和环境温度。

在火源和玻璃之间，辐射传热会被细水雾幕逐渐衰减或者被空气和细水雾幕吸收，假设在气体中的光谱辐射的衰减和吸收系数为κλ，假设空气厚度为L，则空气的光谱透射率表达式为：

(6)

假设来自火的辐射是一个常值I0，细水雾幕的光谱透射率为τWMC，可以获得入射热流的表达式：

q=I0e-κλLτWMC

(7)

细水雾幕光谱透射率和首次破裂时间的关系可以由方程式(5)和(7)得到：

(8)

根据方程(8)和实验测得的数据，可以得到κλ约为4m-1，I0约为48 kW/m2。在该实验条件下，没有细水雾幕保护时，空气厚度为0.5 m。细水雾幕的透射率τWMC看作1，玻璃破裂时Tg=370.3 K，T0=293 K，计算玻璃首次破裂时间为177 s，预测时间和表1中实验所得到的150 s基本吻合。在工作压力为0.5 MPa的细水雾幕保护下，空气厚度为0.475 m，细水雾幕的光谱透射率τWMC=0.78，玻璃破裂时Tg=376.3 K，T0=293 K，理论预测破裂所需加热时间约为442 s，预测时间和表1中实验所得到的423 s基本吻合。预测时间和实验结果之间的微小差别可能是假定火源表面的热流密度和环境温度恒定引起的。在工作压力为1.0 MPa、1.5 MPa和2.0 MPa时，预测玻璃首次破裂时间都在600 s以上。

图3是玻璃在细水雾幕关闭/开启工况下的温度差-时间变化曲线，如图3，四种不同压力的细水雾幕均使玻璃表面最大温差上升幅度减缓，且随着压力的增加，玻璃表面温差达到其破裂临界值(ΔTb)所需时间增长，对应表1的结果。因为随着压力增大，细水雾雾化效果增强，细水雾雾滴粒径减小，有效作用的雾滴数目增多，细水雾比表面积增大，细水雾幕的辐射衰减作用和吸热冷却作用增强。当工作压力超过1.5MPa时，持续增加压力玻璃表面最大温差上升幅度变化不明显。这是由于压力增大到一定程度后，继续增加喷雾压力对细水雾雾滴特性的影响效果较小。

图3 玻璃表面温度差随时间变化曲线Fig.3 Temperature difference of the glass pane

图4 细水雾幕保护下透过玻璃表面热流值随时间变化曲线Fig.4 The heat flux penetrating through the glass pane with the protection of water mist curtain

图4是关闭以及开启细水雾幕工况下的透过玻璃表面热流值随时间变化曲线。如图4，在开启细水雾幕时，透过玻璃表面热流值均有所下降，但下降幅度有所差异。喷雾压力为0.5MPa时，透过玻璃表面热流值在100s后一直高于玻璃破裂的临界值(HFcrit)1.7kW/m2，423s玻璃首次破裂。喷雾压力为1.0MPa、1.5MPa和2.0MPa时，透过玻璃表面热流值都低于HFcrit，玻璃均未破裂。以工况4a为例，开启细水雾幕后，透过玻璃表面热流值从2.5kW/m2下降到1.1kW/m2，降幅为56%，直到实验结束热流值都低于HFcrit。这进一步说明细水雾幕能明显衰减火焰热辐射[11]，对玻璃有良好的保护作用。随着压力的增加，透过玻璃表面的热流值下降。与玻璃表面温差变化类似，当压力超过一定值(本实验为1.0MPa)持续增加工作压力，透过玻璃的热流值稍微降低但变化不明显。这是因为挡水装置的存在使有效作用的细水雾幕幕厚仍为7.5cm，所以随着压力的增加，透过玻璃表面的热流值变化非常有限。

2.2 水膜保护玻璃效果

图5是玻璃在水膜关闭/开启工况下透过玻璃表面热通量随时间变化曲线[15]。由图5可知，水膜1、2都能在一定程度上降低透过玻璃表面的热通量，延长玻璃首次破裂时间。在水膜1的保护下，透过玻璃表面的热通量保持在1.71kW/m2，接近HFcrit，点火后239s玻璃首次破裂；在水膜2 保护下，透过玻璃表面的热通量小于1.0kW/m2， 600s玻璃仍保持完整。这是因为水膜2的流量是水膜1的9倍，流量越大，厚度越厚，冷却效果越好从而保护效果越好。

图5 水膜保护下透过玻璃表面热流值随时间变化曲线Fig.5 The heat flux penetrating through the glass pane with the protection of water film

2.3 细水雾幕和水膜不同启动时间对保护玻璃效果影响

图6为玻璃在不同温度下开启细水雾幕时透过玻璃表面的热流随时间变化曲线。由图6可知，在试验工况下，透过玻璃的热流值迅速下降到HFcrit以下，且一直低于该值，玻璃均未破裂。以工况9a为例，开启细水雾幕后，透过玻璃表面的热流值从2.25kW/m2迅速下降到1.25kW/m2，降幅为44.44%，直到实验结束，热流值都低于HFcrit，玻璃未破裂。这是因为细水雾幕对火源热辐射的衰减作用降低了入射到玻璃表面的辐射强度。浮法玻璃破裂的临界温度值较低，细水雾幕瞬间冷却造成的温差不足以导致玻璃破裂。这说明当玻璃表面温度达到一定值(低于破裂临界值97.3 ℃)开启细水雾幕并不会加速浮法玻璃的破裂，仍具有保护作用。

图6 不同启动时间下透过玻璃表面热流值随时间变化曲线Fig.6 Variations of heat flux measured under different time of opening WMC

图7(a)和图7(b)分别为玻璃表面温度达到90 ℃开启细水雾幕和水膜，透过玻璃表面热流值随时间变化曲线。由图7可知，玻璃背火面5cm处，施加细水雾幕比施加水膜后的热流值下降速度快。开启细水雾幕后，透过玻璃表面的热流值迅速下降到1.5kW/m2左右，低于HFcrit，且一直保持到实验结束，实验过程无玻璃破裂。开启水膜后，透过玻璃表面的热流值下降缓慢，水膜开启后300s范围内，热流值一直大于HFcrit。点火后525s，玻璃首次破裂。因为水膜对辐射的衰减作用没有细水雾幕好，部分热辐射透过水膜和玻璃使远离火源的那一薄层玻璃继续升温，这在玻璃厚度方向就会形成一个温度梯度[16]，在525s时这一温度梯度达到玻璃破裂的临界值(ΔTb)，玻璃破裂。这充分说明细水雾幕对热辐射的阻挡效果优于水膜，因为水雾化成细水雾后，一方面比表面积增大，吸热冷却作用增强，另一方面细水雾雾滴的吸收和散射作用快速衰减热辐射，这两者的综合效应使得玻璃背火面热流值迅速降低[11]，从而对玻璃产生较好的保护效果。

图7 玻璃表面热流随时间变化曲线Fig.7 Variations of heat flux measured under different conditions of opening WMC

3 结论

本文通过实验研究了细水雾对浮法玻璃的保护效果。通过改变细水雾的工作压力和启动时间，实时测量玻璃在受到火焰辐射后的破裂时间，热流强度及两面温差等参数，讨论不同细水雾的施加对防止玻璃破裂过程中的作用。同时，通过开展水膜实验，来对比两种保护装置对浮法玻璃的保护效果。所得到的具体结论如下：

(1)火源与保护装置同时启动时，细水雾幕与水膜都可以使6mm浮法玻璃破裂时间延长。提高喷雾压力，细水雾幕对玻璃的保护效果在一定范围内得到提高，但当喷雾压力增加到一定临界(本实验中为1.0MPa)时，持续提高细水雾幕压力，保护效果变化不明显。

(2)延迟启动保护装置，细水雾幕对玻璃的保护效果不会受到影响，但水膜对玻璃的保护效果相比于同时启动工况变差。

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Study on protection of window glass with water mist curtain under a fire scenario

TAN Qiong1, WANG Xishi1,2, KONG Xiangxiao1, HUANG Yanqing1, LIU Yangpeng1

(1. State Key Laboratory of Fire Science, University of Science & Technology of China, Hefei 230026, China; 2. Collaborative Innovation Center for Urban Public Safety, Hefei 230026, China)

Glass may break easily due to influence of heat flux during a fire, leading to increase of ventilation in fire room and significant acceleration even cross-regional spread of enclosure fire. It is significant for fire prevention and control through studying how to prevent break and falling off of window glass. Thus, we adopt a window glass pretection method to resist flame heat flux and decrease radiation

by glass in fire disaster by water mist curtain (WMC). The protective effect of WMC on window glass has been studied under different operating pressure and different time of opening WMC. In addition, the protective effect of WMC and water film on float glass has also been compared. The results illustrate that the time of window glass pane maintaining its integrated structure under the protection of WMC or water film extended. The initial breakage time of glass under pretection of WMC is 361 s longer than that with the protection of water film at flow of 0.38 L/min. The higher working pressure, the better protection efficiency of WMC. However, The protective effect of WMC is not obvious when work pressure is beyond 1 MPa. It is also found that the protection effect of WMC on window glass is not affected by delaying the activation of the WMC. However, when the maximum temperature of the glass reached 90 ℃ to open water film, initial breakage time of window glass decreased.

Water mist curtain; Window glass protection; Acting time; Pressure; Water film

2017-02-16；修改日期：2017-03-06

国家重点研发计划课题(2016YFC0800603)

谭琼(1991-)，女，四川广元人，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室硕士研究生，安全科学与工程专业，主要从事细水雾保护玻璃研究。

王喜世，E-mail: wxs@ustc.edu.cn

1004-5309(2017)-00107-07

10.3969/j.issn.1004-5309.2017.02.07

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