不同风速对聚氨酯保温板材水平顺风火蔓延特性的影响

刘天昊, 方廷勇, 马鑫, 王经纬, 夏雲飞, 万露露, 李浩瀚, 李旺, 何灿

不同风速对聚氨酯保温板材水平顺风火蔓延特性的影响

刘天昊1, 方廷勇1, 马鑫2, 王经纬1, 夏雲飞1, 万露露1, 李浩瀚2, 李旺2, 何灿2

(1. 安徽建筑大学 土木学院, 安徽 合肥, 230601; 2. 安徽建筑大学 环境与能源工程学院, 安徽 合肥, 230601)

利用聚氨酯保温板材燃烧实验平台和模拟环境风可调节风速的装置进行实验, 研究了在6种不同风速环境影响下, 聚氨酯保温板材(PU)水平顺风火蔓延的特性,获得了火焰前锋形态、火蔓延速率、质量损失速率以及燃烧率等重要特征参数。结果表明: 随着风速的不断增大, 火蔓延速率和质量损失速率也随之增大, 而板材的燃烧率却呈现出先增大后减小的变化趋势。

聚氨酯保温板材; 不同风速; 火蔓延; 燃烧率

进入21世纪以来, 随着我国经济的快速发展, 能源消耗也在与日俱增, 尤其是在建筑行业的能源消耗占到了全国能耗的三分之一, 近年来随着我国节能减排以及可持续发展概念的不断推广和落实, 建筑节能也受到了人们越来越多的重视, 对建筑外墙保温板材的研究也倍受关注[1]。目前我国在高层建筑中大多使用聚氨酯(PU)板材作为建筑外墙的保温材料, 主要是因为聚氨酯材料有着良好的保温隔热性能; 但是聚氨酯材料属于可燃的高分子聚合物, 一旦由于某些意外原因发生引燃就会产生大量有毒气体, 并且会产生滴落点燃其它部位, 从而使板材的燃烧发生迅速蔓延, 对生命和财产安全构成巨大威胁[2]。近年来研究人员对聚氨酯板材的燃烧特征进行过大量的研究和分析[3–8], 如王春三等[9]研究了不同辐射强度对聚氨酯板材逆流火蔓延燃烧特性的影响, 结果表明聚氨酯板材向下火蔓延为非稳态的加速蔓延; Tu R等[10]研究了低气压对聚氨酯板材水平火蔓延的影响, 研究表明低压环境下水平火蔓延速率相对常压下较慢。但很多研究都是在无风的环境下进行的实验, 而现实中聚氨酯保温板材的燃烧及蔓延必然会受到风的影响。基于此, 本论文的研究中增加了风速的影响, 能够更好地模拟板材在自然界中的燃烧环境, 通过在6种不同的稳定风速作用下, 对聚氨酯板材水平顺风火蔓延的火焰前锋形态、火蔓延速率、质量损失速率以及燃烧率等变化规律进行分析研究, 从而得出相应的结论。

1 实验设计

本文设计的水平顺风火蔓延实验平台如图1所示。该实验平台的设备主要包括平面板材火蔓延燃烧装置、热电偶、滴落台、高精度电子天平、可调节风速的风箱、风速仪以及高清摄像机。实验所选用的聚氨酯板材密度为41.5 kg/m3, 板材尺寸为长80 cm、宽20 cm、厚1 cm, 为厂家定制板材, 为了避免对材料燃烧产生干扰, 选择的板材没有添加任何阻燃成分。实验工况采取在0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m/s的外部稳定风速作用下进行。

图1 侧向环境风作用下板材水平火蔓延实验平台

实验开始前, 沿着PU板材的长度方向, 用马克笔每隔10 cm绘制一条平行于宽度的参考线。将板材固定在石膏保温板上, 在每两条刻度线之间布置1组热电偶探头, 自右到左编号依次为T1—T8, 热电偶与板材不接触, 以免影响对质量的测定。高精度电子天平量程为100 kg, 精度为0.01 g。风箱出风口远大于火蔓延燃烧装置, 可用于模拟自然环境中的稳定平行风; 出风口前方设置有风速仪, 可以精确测量产生的风速大小, 以便调节实验所需的不同风速。装置前方的高清摄像机以30帧/s进行全程拍摄, 以便记录火焰形态变化以及火蔓延的速率等特征。本实验采用线型火源进行点燃, 点火位置从PU板材的右端开始, 采用的线型火源为一条酒精浸润的棉绳, 通过先将棉绳引燃再进而使板材发生燃烧。环境温度参数稳定为(20±2℃), 环境相对湿度参数稳定为(50±3%), 实验过程采用多次重复实验去除随机误差, 以便从中选取最具有代表性的数据。

2 实验结果分析

2.1 火焰形态变化以及火蔓延速率

PU板材在顺风火蔓延时, 由于受到不同风速作用的影响, 火焰的高度、宽度以及蔓延的速率各不相同。图2为板材在不同风速作用下顺风燃烧时, 用高清摄像机拍下的火焰前锋状态。由图2可知, 随着风速的增大, PU板材在侧向风和火焰羽流浮力的共同作用下, 火焰前锋变得越发倾斜, 高度也随之降低。当风速进一步增大时, 水平风力分量就会远大于垂直方向火焰羽流的浮力而导致火焰被拉伸并敷于板材表面, 所以火焰会呈现宽度增加的现象。

图2 不同风速作用下火焰前锋的状态

通过高清摄像机拍摄的火焰前锋每前进一个参考刻度线所用的时间, 结合板材表面相邻热电偶升温的时间, 可以计算出不同风速作用下, 稳定燃烧阶段火蔓延的速率如表1所示。由表1可知, 随着风速的不断增大, 火蔓延的速率也在增加。这主要是因为风速的增大导致了火焰前锋被拉伸变宽, 同时火焰前锋处预热区的面积也在随着火焰的拉伸而扩大, 甚至覆盖住前方未燃烧的板材, 进而对前方板材未燃区的辐射和炙烤作用增强, 加快了未燃区域板材的熔融热解, 而且风速的增大也加快了PU板材周围空气的流动, 使得板材更容易燃烧, 所以火蔓延的速率与风速呈正相关。

表1 不同风速下火蔓延速率

2.2 质量损失速率

图3表示在不同风速作用下PU板材火蔓延期间的质量损失变化趋势。燃烧的初期质量损失变化比较小, 随后板材进入稳定燃烧阶段, 单位时间内质量的损失也基本达到平稳。由图3可知, 随着风速的不断增大, PU板材质量的损失也在不断变快。当风速达到2.0 m/s时, 蔓延过程的后期质量呈现快速减少。这是由于随着风速的增大促进了板材的燃烧速率, 当风速增加到一定程度时, 未完全燃烧黏附在石膏板上的余烬也会在风力的作用下吹离实验平台。选取PU板材燃烧后50～120 s的稳定燃烧阶段进行分析和计算, 可以得出不同风速影响下板材的质量损失速率, 绘制于图4中。由图4可知风速大小与PU板材质量损失速率呈近似的线性正比例关系, 随着风速的增大, PU板材火蔓延过程中质量损失的速率也在不断增大。

图3 不同风速作用下PU板材质量变化趋势

图4 不同风速作用下PU板材50～120 s稳定燃烧阶段质量损失速率

2.3 熔融滴落率和燃烧率

在实际中, 当建筑发生火灾时PU板材由于燃烧的不充分, 在火蔓延时除了产生大量的热量和有毒气体外, 还会发生熔融滴落现象, 进而会引燃下方未燃烧的部位, 造成多个着火点同时燃烧, 给消防救援工作带来难度。通过研究熔融滴落率和燃烧率, 可以更好地为实际中的火灾救援提供参考依据。

表2 不同风速下熔融滴落率和燃烧率

在这里定义为滴落率,为燃烧率,1为PU板材的初始质量(120 ± 2 g),2为每一组实验结束后滴落台上所收集的滴落物的总质量, 则滴落率=2/1, 进而得出燃烧率= (1-2)/1, 通过计算可以得出在实验中不同风速影响下板材的熔融滴落率与燃烧率的大小如表2所示; 通过热电偶可以测出不同风速影响下板材燃烧过程中火焰表面平均温度的大小如表3所示。

表3 不同风速下火焰表面平均温度大小

由表2、3可知, 随着风速的不断增大, PU板材燃烧的滴落量先减少后增多, 燃烧率却先增大, 后又出现减小的趋势, 而火焰表面的温度也是先升高, 后降低。这种现象主要是因为燃烧的初期随着风速的增大, 空气的流动带给板材表面更充足的氧气, 使得板材燃烧得更加充分, 火焰表面温度也随之升高, 因此PU板材的燃烧率也在不断增加。但是当风速继续增大时, 虽然空气的流动带来了更多的氧气, 但是过大的风速吹在PU板材的表面, 降低了板材周围的温度, 使部分余烬未能燃烧完全便被吹灭落在实验平台, 从而使得板材滴落的质量变大, 因此燃烧率有所下降。所以随着风速的增大, 燃烧率呈现出了先增长后降低的趋势。

3 结论

本文研究了在不同风速环境作用下对聚氨酯保温板材水平顺风火蔓延的影响特性, 进行了多组的对比实验, 通过对实验数据和实验现象的分析处理可以得出以下结论:

(1) 随着外界风速的不断增大, 聚氨酯保温板材燃烧时火焰的高度随之降低, 而宽度随之增大, 燃烧时火蔓延的速率也在不断增加;

(2) 聚氨酯保温板材在稳定燃烧的阶段, 随着环境风速的不断增大, 板材质量损失的速率也在不断加快;

(3) 聚氨酯保温板材在不同风速影响下燃烧时, 由于受到空气流动的影响, 板材在燃烧时随着风速的不断增大, 燃烧率呈现出先增加后降低的趋势。

以上研究结论可供建筑消防安全和救援等工作进行参考, 以便制定科学的消防安全措施, 从而将公共安全的风险和生命财产的损失降到最低。

[1] Ma X, Tu R, Zhao Y L, Xie Q Y. Study on downward flame spread behavior of flexible polyurethane board in external heat flux [J]. Journal of Thermoplastic Composite Materials , 2015, 28(12): 1 693–1 707.

[2] Xie Q, Tu R, Wang N, et al. Experimental study on flowing burning behaviors of a pool fire with dripping of melted thermoplastics[J]. Journal of Hazardous Materials, 2013, 267C(1): 48–54.

[3] 王经纬, 方廷勇, 马鑫, 等. 风速对聚氨酯泡沫垂直逆流火蔓延的影响[J]. 消防科学与技术, 2019, 38(8): 1 059–1 061.

[4] 王艳, 张亚锋. 高层建筑幕墙火灾特性与防治对策[J]. 合肥工业大学学报(社会科学版), 2011, 25(4): 72–76.

[5] 郑斗均. 关于聚氨酯发泡塑料自燃性能的研究[J]. 消防科学与技术, 2004, 23(4): 316–319.

[6] 王禹, 王青松, 黄柯, 等. 点式安装玻璃幕墙在火灾中的破裂行为[J]. 燃烧科学与技术, 2015, 21(3): 241–247.

[7] 赵杰, 黄新杰, 刘伟, 等. 不同宽度及密度的保温材料EPS的火焰蔓延及燃烧特性[J]. 过程工程学报, 2016, 16(3): 463–469.

[8] 何珺怡, 孙玉浩. 基于Phoenics的教室火灾模拟研究[J]. 湖南文理学院学报(自然科学版), 2017, 29(3): 43–47, 63.

[9] 王春三.不同辐射强度下硬质聚氨酯板材逆流火蔓延燃烧特性研究及在消防方面应对措施[J]. 消防科学与技术, 2015(8): 988–991.

[10] Tu R, Zeng Y, Fang J, et al. The influence of low air pressure on horizontal flame spread over flexible polyurethane foam and correlative smoke productions [J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 94(10): 133–140.

Effects of different wind speed on horizontal downwind fire spread characteristics of polyurethane insulation board

Liu Tianhao1, Fang Tingyong1, Ma Xin2, Wang Jingwei1, Xia Yunfei1, Wan Lulu1, Li Haohan2, Li Wang2, He Can2

(1. School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China; 2. School of Environment and Energy Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China)

The characteristics of horizontal downwind fire spread of polyurethane thermal insulation board (PU) under the influence of six different wind speed environments are studied by using the combustion experimental platform of PU thermal insulation board and the device simulating ambient wind which can adjust wind speed, the important characteristic parameters such as the flame front shape, the flame spreading rate, the mass loss rate and the combustion rate are obtained. The results show that with the increase of wind speed, fire spread rate and mass loss rate also increase, while the burning rate of plate increases first and then decreases.

polyurethane insulation board; different wind speed; spread of fire; burning rate

X 932

A

1672–6146(2020)03–0082–04

10.3969/j.issn.1672–6146.2020.03.015

刘天昊, 1019152071@qq.com。

2020–04–24

国家“十三五”重点研发计划项目(2017YFC0803300); 火灾科学国家重点实验室开放课题(HZ2019-KF13);安徽省自然科学基金项目(190085QE250); 安徽省高校协同项目(GTXXT-2019-027)。

(责任编校: 张红)