开口形式对回燃及腔室火灾过程的影响

王 昊，刘启金

(舟山市消防支队，浙江 舟山 316000)

0 引言

回燃是一种特殊火行为，具有隐蔽性强、突发性强等特点，极易引发喷射火焰、火球及强大压力冲击波等危害，严重威胁火场内人员的生命安全，尤其是灭火救援人员[1-2]。一旦消防队员未能准确判断房间内回燃发生的可能或对可能发生回燃的房间破拆方式不正确，亦会导致回燃的发生，甚至引发更为严重的火灾事故[3]。因此研究腔室内回燃及火灾发展过程已成为灭火救援领域的热点研究课题。

近些年，国内外学者利用试验、模拟方法对腔室火灾回燃及发展过程进行了大量研究。瑞典隆德大学的Gojkovic建立了全尺寸回燃腔室，开口因子为2.2 m×1.80 m，以天然气为燃料，研究发现可燃气体浓度是控制腔室回燃发生的重要因素[4]；新西兰坎特伯雷大学的Fleischmann建立了1/2缩尺寸回燃腔室模型，开口因子为1.1 m×0.4 m，以天然气和丙烷为燃料，研究发现可燃气浓度达到15%时才可能发生回燃[5-6]；法国普瓦提大学的Most建立了1/5缩尺寸回燃腔室模型，开口因子为25.6×10-2m2，以天然气为燃料，研究了温差变化对腔室回燃的影响[7]；翁文国[8-9]、陈爱平[10-11]等人建立了小尺寸回燃腔体，以可燃气体为燃料，研究了可燃气体组分与回燃发生的关系；韩国釜庆大学的Park利用FDS建立了小尺寸腔室模型，研究发现FDS能有效表现出重力流、火焰点燃、通风口喷出火球等回燃现象，验证了FDS模拟腔室回燃火灾的可行性[12]；丁谢镔采用LES模拟方法，有效模拟了全开口对单一腔室火灾的影响[13]。目前，国内外研究成果大多以可燃气体或液体为燃料，而在实际火灾场景中主要可燃物为固体材料，因此以可燃气体或液体为燃料的试验数据及理论分析不能真实反映腔室火灾的回燃特性；同时大部分研究以单一开口因子为通风条件，并未深入研究开口因子形式对腔室回燃及火灾发展影响机理。本文以1/5缩尺寸腔室为研究对象，以固体可燃物为燃料，通过改变开口位置及开口面积来研究通风条件对回燃及腔室火灾过程的影响。

1 回燃及腔室火灾过程

腔室回燃发生的两个必须条件为：一是前导燃烧；二是通风条件改变。因此笔者将回燃及腔室火灾过程分为前导燃烧、回燃发生、回燃后燃烧三部分。(1)前导燃烧是通风条件较差的腔室燃烧形式。火灾初期，腔室内火焰体积小，氧气充足，燃烧较为完全；随着火焰体积的增大，新鲜空气只能通过腔体小孔或裂缝进入腔室，使得腔室内氧气含量逐渐减少，燃烧效率降低，产生过剩的可燃烟气集聚在腔室内上部空间。前导火焰随着时间而减弱，直至熄灭，可燃物处于闷燃或阴燃状态。(2)回燃发生。门窗破碎或人为破拆，腔室通风条件突然改变，大量的新鲜空气以重力流的方式进入腔室，与富含可燃热解气体的烟气进行充分混合，进而形成预混区域。此时，如果有点火源存在，如燃烧余烬、高温固体等，腔室内可燃物会恢复有焰燃烧状态，即回燃发生。(3)回燃后燃烧。腔室内通风条件得到较大改善，此时燃烧为燃料控制型燃烧。随着时间推移，可燃物燃烧效率增加，燃烧速率增大，进而使得腔室内可燃物全部进入燃烧状态，处于全面燃烧阶段。随后，腔室内可燃物逐渐减少，火焰体积减小，温度下降，最终达到熄灭状态。

2 试验设计

2.1 试验装置

弗洛德相似准则是模型试验与原型试验相互转换的桥梁，被广泛应用于模型试验设计中，所涉及重要参数的比例关系如下：

式中，Q是火源功率，l为试验尺寸，T为温度，t为时间，下角标l和m分别代表原型试验和模型试验。

基于1/5的相似准则，建立了主体尺寸为1.2 m×0.6 m×0.6 m的回燃腔室，用于模拟尺寸为6.0 m×3.0 m×3.0 m的近似标准办公室腔室火灾的发生、发展及回燃过程。腔体的模拟墙体为内外表面采用2 mm的不锈钢板，中间采用20 mm厚的硅酸铝刺毯棉作为隔热层。为了有效改变腔体的开口形式，腔体一侧墙面呈9宫格分布，编号为1#～9#，以5#开口开启为例，如图1所示。数据采集系统主要包括图像采集系统、气体组分采集系统、K型热电偶树。图像采集系统采用高清摄像仪实时记录腔室内火灾的发生、发展全过程；气体组分采集系统主要分析腔室内氧气含量的变化；距开口水平位置400 mm处布置热电偶树记录腔室内上方温度变化，热电偶之间的间距为100 mm。试验以木垛火(10块100 mm×100 mm×20 mm标准木材试样搭成)为研究对象，采用辐射锥对木垛加热，辐射强度为30 kW。木垛点燃后，停止辐射加热，试样能够自行维持燃烧。

图1 回燃火灾试验装置及开口形式示意图

2.2 工况设计

在灭火救援过程中，救援人员会面临破拆门窗等建筑构件、近攻灭火的境地，一旦破拆位置及面积不当，就可能导致房间内发生回燃，造成严重的人员伤亡和经济损失，因此研究开口位置及面积对回燃及腔室火灾过程的影响具有重大意义。为了探究开口形式对回燃及腔室火灾过程的影响机理，本文针对不同开口位置及开口面积设计了7种工况，如表1所示。其中试验工况1、2、4、5为单一开口形式，开口面积为0.2 m×0.2 m，对应原型试验开口面积1.0 m×1.0 m；试验工况3和6分别为窗开口和门开口形式，开口面积为0.2 m×0.4 m，对应原型试验开口面积1.0 m×2.0 m；试验工况7为落地窗开口形式，开口面积为0.6 m×0.6 m，对应原型试验开口面积3.0 m×3.0 m。为了保证试验的可重复性及试验数据的可靠性，同种工况重复试验3次。

表1 试验工况

3 试验结果分析

3.1 试验现象

图像采集系统能够有效捕捉腔室内火灾发生、发展、回燃的全过程，典型门开口条件下的腔室火灾回燃全过程如图2所示(注：稳定燃烧时被定义为0 s)。木垛材料被点燃后，火势逐渐变大，热释放速率快速增大，而腔室内氧气充足，使得腔室火灾在260 s左右进入稳定燃烧阶段。稳定燃烧至93 s时，腔室内氧气含量不足，燃烧效率降低，火焰体积逐渐减小；燃烧至139 s，火焰熄灭，可燃物处于闷烧或阴燃状态，热解出过剩的可燃烟气并在腔室内集聚。该阶段被定义为前导火灾部分，主要包括点燃阶段、发展阶段、稳定燃烧阶段及火焰熄灭阶段。180 s时，通风口开启，通风条件发生突变，大量的新鲜空气通过门开口进去腔室，与过剩的可燃烟气混合，形成预混可燃气体区域。一旦遇到点火源(余烬或热的固体)，就会发生可燃物的复燃，即回燃现象。该阶段被定义为回燃发生部分，主要包括通风突变阶段、预混阶段和回燃阶段。

图2 典型门开口条件下腔室内回燃发生过程

3.2 回燃延迟时间

回燃延迟时间是腔室回燃火灾的重要参数之一，直接决定了灭火救援人员破拆门窗、进攻灭火的时机选择。回燃延迟时间为通风条件突然改变(开口开窗)至可燃物恢复燃烧所持续的时间，图3为不同工况回燃延迟时间对比图。通过对比1、2、4及5号场景可知，当开口因子面积相同时，不同竖直位置开口(上部、中部、下部)条件下，中部回燃延迟时间最短，其次为上部、下部；不同水平位置开口(左端、中端)条件下，中端回燃延迟时间略小于左端。同时可以看出，开口面积越大，回燃延迟时间越短，全开口的回燃延迟时间仅为45 s，比窗开口及门开口的回燃延迟时间分别缩短了91 s、83 s。通过对比分析可知，开口位置及开口面积均对回燃有较大的影响作用，开口面积越大，开口位置越靠近中心位置，回燃发生可能性越大。

图3 不同工况回燃延迟时间变化图

3.3 腔室内上方温度

腔室内上方温度由距开口水平位置400 mm处的热电偶树记录，图4为典型门开口条件下腔室内上方温度变化曲线。由图可知，腔室内温度经历了以下几个阶段：(1)快速增长阶段，木垛被点燃后，热释放速率快速增大，腔室内上方温度升高到200 ℃左右。(2)快速降低阶段，随着燃烧时间的增加，腔室内氧气不足，燃烧强度降低，热释放速率大幅度下降，腔室内温度快速降低，直至腔室内火焰熄灭发生阴燃。(3)快速增长阶段，开口开启后，通风条件突然改变，大量空气从开口进入腔室内，有效促进了阴燃过程，增大了热释放速率，温度再次快速升高，直至腔室内回燃发生。开口开启前，腔室内上方最高温度均在200 ℃左右；回燃发生前，腔室内上方最低温度在100～120 ℃。

图4 门开口条件下腔室内上方温度变化曲线

回燃发生后，腔室内上方最高温度与开口因子有关。图5为不同工况回燃后腔室内上方最高温度变化图。通过对比1、2、4及5号场景可知，当开口因子面积相同时，不同竖直位置开口(上部、中部、下部)条件下，中部中端、中部左端回燃后腔室内最高温度较高，分别为235 ℃、227 ℃，其次为上部、下部；不同水平位置开口(左端、中端)条件下，中端回燃后腔室内最高温度略高于左端；同时可以看出，全开口条件下回燃后腔室内最高温度为289 ℃，高于门开口及窗开口条件下回燃后腔室内最大温度，说明开口面积越大，回燃后腔室内最高温度越大。通过对比分析可知，开口位置和开口面积均对回燃后腔室内燃烧剧烈程度有关，开口面积越大，开口位置越靠近中心位置，回燃后腔室内最高温度越高，可燃物燃烧越剧烈。

图5 不同工况回燃后腔室内最高温度变化图

3.4 氧气含量分析

腔室内氧气含量由气体组分分析仪测定，图6为门开口条件下腔室内氧气含量随时间变化曲线。由图6分析可知，氧气浓度变化曲线分为6个阶段，主要包括缓慢下降阶段、快速下降阶段、快速上升阶段、渐近平稳阶段、快速下降阶段及快速上升阶段。(1)缓慢下降阶段：木垛被点燃，火焰体积小，燃烧消耗氧气量小。(2)快速下降阶段：火焰体积逐渐增大，燃烧进入稳定燃烧阶段，氧气含量快速降低，使得腔室内氧气含量不足以维持燃烧，火焰逐渐减小直至熄灭；腔室内发生阴燃，氧气含量继续降低到11%左右。(3)快速上升阶段：开口开启，通风条件突然改变，大量新鲜空气进入腔室内，氧气含量快速增加至21%左右。(4)渐近稳定阶段：新鲜空气与腔室内热解可燃气体充分混合，阴燃反应加剧，直至腔室内发生回燃。(5)快速降低阶段：回燃发生后，腔室内可燃固体发生剧烈燃烧，氧气消耗量大幅度提升；随着可燃物剩余质量的减小，单位时间内可燃物质量损失速率减小，氧气消耗量逐渐减小，直至可燃物燃烧殆尽。(6)火焰熄灭后，腔室内氧气含量快速恢复到大气水平。

图6 门开口条件下腔室内氧气含量

通过对比不同工况氧气含量变化曲线可知，回燃发生前，腔室内氧气含量变化趋势基本一致，氧气含量最小值均在11%左右；开口打开后，氧气含量均快速增大至21%左右；经历不同的延迟时间后，腔室内发生回燃。回燃发生后，可燃物持续不同的燃烧时间后发生熄灭，因此氧气含量的第5阶段持续时间被定义为回燃后持续燃烧时间。图7为不同工况回燃后燃烧持续时间对比图。通过对比1、2、4及5号场景可知，当开口因子面积相同时，不同竖直位置开口(上部、中部、下部)条件下，中部回燃后持续燃烧时间最短，其次为上部、下部；不同水平位置开口(左端、中端)条件下，中端回燃后持续燃烧时间略小于左端。同时可以看出，全开口时回燃后持续燃烧时间为243 s，而窗开口及门开口时回燃后持续燃烧时间分别为336 s、315 s，均小于开口面积为0.04 m2时回燃后持续燃烧时间，说明开口面积越大，回燃后持续燃烧时间越短。通过对比分析可知，开口面积越大，开口位置越靠近中心位置，回燃后可燃物持续燃烧时间越短，燃烧强度越强。

图7 不同工况回燃后持续燃烧时间对比图

4 结论

本文利用1/5标准房间的腔室进行固体回燃火灾试验，设计7种不同开口形式以探究开口面积及开口位置对回燃及腔室火灾过程的影响，记录了腔室内回燃及火灾全过程，重点分析了延迟时间、腔室内上方温度、氧气含量及回燃后持续燃烧时间等参数，得到的主要结论为：(1)腔室火灾回燃过程主要包括前导燃烧及回燃发生两个阶段，腔室内上方温度经历了快速增长、快速降低、快速增长等阶段。(2)腔室回燃过程中氧气含量经历了缓慢下降、快速下降、快速增长、渐近稳定、快速降低及快速增长等阶段。(3)开口面积越大，开口位置越靠近中心位置，对回燃过程的发生有促进作用，使得回燃延迟时间越短，腔室内上方温度越高，回燃后持续燃烧时间越短，燃烧强度越强。