小尺度固体材料表面火蔓延实验研究

2020-09-24朱国栋吴飞迟媛卢连成马奕炜孙晓秋

建筑热能通风空调 2020年8期

朱国栋吴飞迟媛卢连成马奕炜孙晓秋

北京特种工程设计研究院

0 引言

固体表面火蔓延是固相气相传输，固相热解，气相可燃气体与氧化物反应等过程共同作用的结果，广泛存在于建筑火灾中，是火灾理论研究的基础性问题[1-3]，因此对表面火研究有助于深入了解表面火蔓延理论。

根据表面火的蔓延过程，固体表面火蔓延可以分为水平火蔓延，垂直火蔓延以及其他角度的表面火蔓延[4-5]，如图1 所示，分别对应于建筑火灾中的顶棚，地面火蔓延以及紧贴壁面和墙角火蔓延[6]，本文主要针对不同形式的表面火进行小尺度表面火蔓延实验研究，分析其蔓延特性，并对固体材料内部温度，表面火蔓延速度及不同角度下的火焰形态进行了实验分析。

图1 表面火蔓延过程分类

1 实验概况

1.1 实验装置

实验装置如图2 所示，实验台的组成部分主要包括：测量系统和参数调控系统。测量系统主要由数据处理、数据采集、传感器三部分组成，主要包括电脑、R-8018BL 数据采集模块、K 型热电偶、视频采集装置。参数调控系统主要由一个旋转支架构成，可调节角度，从而研究表面火在不同角度时的蔓延特性，比如水平火、45°火、垂直火蔓延速度。

图2 小尺度表面火蔓延实验台

1.2 实验材料

本实验选取了一批质量均匀、无裂缝，各个平面加工光滑、平整的椴木作为实验研究对象。试样长：300 mm。宽：30 mm；厚：3 mm。为了降低其他物理参数对实验精确度的影响，比如木料的密度、含水率、木纹方向等，本实验选取了同一批木材，并进行了12 小时的100 ℃烘干处理（表1），制备时沿着木纹方向，以减少木纹方向对表面火蔓延的影响。并且为了目测表面火的蔓延速度，在试样表面每隔20 mm 做一个标记，用来观察表面火的蔓延速度的大小。

表1 试样干燥前后密度变化及含水率

1.3 实验工况

本实验测量的主要参数包括：①水平火、45°火、垂直火蔓延速度。②火焰形态测量。③固体内部的温度测量。

本实验在固体内部均匀布置了五个热电偶，每两个热电偶之间的距离为20 mm，分别编号为T1、T2、T3、T4、T5。为了测量试样上表面温度变化，在距离固体上表面处设置热电偶R3，垂直方向其他热电偶之间的间距为20 mm，如图3 所示。

图3 热电偶布置

表面火蔓延速度及火焰形态的测量将采用数字摄像仪进行图像采集，并利用Matlab 的图像处理功能对图像进行后处理，以便更精确的观察到表面火蔓延时的火焰形态。

2 实验结果分析

2.1 固体材料内部温度变化

对水平火蔓延进行实验结果分析，选取T3 测点处的温度变化进行分析，如图4。从图4（a）图中可以看出，在表面火蔓延过程中，固体内部的温度变化可以分成三个阶段，即：预热阶段、热解阶段、燃烧阶段。当表面火的热解前锋逐渐蔓延至T3 测点时，其温度由缓慢上升变为急剧上升，即预热阶段的AB 段。当到达B点时温度变化趋于缓慢，这是因为此时试样达到了热解温度，大约为400 ℃，正发生热解过程，由火焰和导热过程传递来的热量被热解过程吸收，以便使部分材料气化，维持气相燃烧。当到达C 点时温度又突然上升，原因是由于热解后的材料炭化，与空气接触发生燃烧的结果，大概到达D 点时燃烧结束，温度开始下降。为了更准确的确定其热解温度，从图4（b）图温度变化率曲线中可以明显的看到，在整个蔓延过程中，温度变化率曲线有两个明显的峰值，两个峰值之间的低谷温度从急剧上升变为缓慢上升随后又变为急剧上升，此即为热解过程BC 段，并得到椴木的热解温度为T=410 ℃，到达时刻为t=143 s。

由于表面温度是木材燃烧的重要参数，经常作为输入参数，应用到火灾模型当中，本文对试样表面的温度变化进行了实验研究并进行了结果分析。图5 为试样表面测点R3 处的温度变化图，从温度变化图中可以看出，R3 点处温度开始时变化缓慢，随即迅速上升，当到达某一温度时开始下降，此温度即为试样的最高表面温度，约为620 ℃。结合温度变化图与温度变化率图，可以看出，随着实验角度的增加，R3 点温度发生剧烈变化的时间越早，表面火蔓延至R3 点的时间越短，蔓延速度越快，其原因为随着角度的增加，火焰对试样的热量传递作用增强，浮力作用对火灾蔓延的作用越明显。

图4 测点T3 处的温度数据图

图5 三种放置角度下测点R3 的温度变化

2.2 表面火蔓延速度实验结果分析

图6 为水平表面火热解前锋位置与时间关系图，从图6 中的曲线变化率可以看出，水平表面火蔓延在整个蔓延时间段上并不是以某一特定的速度进行蔓延，而是经历了由缓慢蔓延到蔓延速度增大，再到以稳定速度蔓延的过程，这是因为试样在燃烧过程中要经历由热量积聚到稳定传热的过程。本文把稳定蔓延后的速度作为水平表面火的蔓延速度，通过曲线拟合，拟合后曲线斜率即为水平表面火蔓延速率，大小为V0=0.18 cm/s。

图6 水平火蔓延热解前锋位置与时间关系示意图

图7 45°、90°表面火热解前锋位置与时间关系图

图7 为45°、90°表面火热解前锋位置与时间的关系图，通过曲线拟合，得到表面火的蔓延速度分别为V45°=0.33 cm/s、V90°=1.25 cm/s。通过观察不同角度下的表面火蔓延速度图，可以发现，随着角度的增加，表面火的蔓延速度也随之不断增大，通过曲线拟合发现增长速度与角度存在指数关系，分析其原因为，随着角度的增加，上表面火焰与试样表面之间的夹角不断减小，气相火焰对试样表面的热对流和热辐射作用不断加强，从而造成了蔓延速度的不断增大。

2.3 火焰形态测量结果及分析

研究表面火蔓延时火焰形态的变化有助于了解蔓延过程中流场特性和蔓延特性。通过观察水平火蔓延形态发现，在表面火蔓延过程当中，试样边缘处的火蔓延速度要大于中间处的火蔓延速度，如图8 所示，造成这种现象的主要原因是由于边缘处的空气流动更加充分，卷吸更加强烈，供氧更加充足，因此蔓延速度更快，即边缘效应。

图8 表面火蔓延

图9 三种角度下表面火形态变化

图9 为三种角度下表面火蔓延过程中的火焰形态变化对比图。从图9（a）中可以看出，水平火在蔓延过程中，初始阶段燃烧缓慢，火焰高度不高，随着蔓延的进行，火焰稳定增长，火焰高度增加，并维持一定的火焰高度蔓延。由于火焰受到浮力诱导自然对流的作用，火焰方向向上。对比图9（a）、（b）可以看出，由于试样表面角度的变化，同样受到浮力诱导自然对流的作用，图9（b）中，火焰与试样表面之间的夹角变小，这就增强了热对流与热辐射对表面火蔓延的影响，加快了火蔓延速度，同时在火焰稳定增长8 s 之后，出现了明显的火焰振荡现象，并不断加强。比较图9（a）和（b）、（c），可以发现，在垂直条件下，火焰方向与试样表面平行，这就造成了垂直条件下表面火蔓延速度比其他角度条件下都要快，从点火开始到14 s 时，火焰已经蔓延至整个试样表面。