侧向风速对聚氨酯材料水平逆流火蔓延实验探究

李浩瀚,马 鑫，王经纬，万露露，李 旺，何 灿，刘天昊，夏云飞

(安徽建筑大学 a.环境与能源工程学院，b.土木工程学院，安徽 合肥 230601)

0 引言

进入21世纪以来，社会经济高速发展，随之而来的是能源消耗的与日俱增，其中建筑领域的能源消耗占总能源消耗的三分之一[1]，因此建筑节能改造工作亟需推行，有机保温材料因其保温隔热效果好、导热系数低、质轻等诸多优点而广泛应用于建筑外墙保温材料。目前市场上有机保温材料主要有聚氨酯泡沫、聚苯乙烯等，此类保温材料通常具有可燃性，燃烧过程会产生大量有毒烟气，并伴随熔融液滴落，引燃未燃区域，加大火灾危险性。因建筑保温材料而引发的火灾屡见不鲜，图1为2019年12月2日发生在沈阳市的一起因居民使用的插排电源线发生故障引燃保温材料而引发的火灾事故，造成了严重的经济损失。

图1 沈阳市商住楼火灾事件Fig.1 Fire incident in commercial and residential buildings in Shenyang

关于聚氨酯(Poly Urethane,PU)保温板材火蔓延的特性，前人已经进行过大量研究[2-6]。汪洋等[7]对不同气压下聚氨酯板材的宽度效应对于火蔓延特性的研究，指出了低压环境下燃烧速率低于高压环境，在相同的外界条件下，当保温板材处于100 mm宽度时，保温板材具有最小的燃烧速率等结论；宦祖飞等[8]基于熔融滴落现象，分别在水平情况下和竖直情况下进行了双火源XPS火蔓延特性研究，得出关于双火源条件下各项表征参数均大于单火源条件下的结论，揭示了双火源之间对流传热的变化是影响实验参数的重要原因；马鑫等[9]对相邻立面建筑结构中聚氨酯的热行为进行了探究，发现临近角角度的大小会对平均火蔓延速率和火焰高度产生影响，得出了关于烟囱效应和限制效应耦合作用下燃烧情况迥异于自由燃烧的结论。前人对保温板材沿竖直方向的火蔓延特性研究居多，对PU板材水平火蔓延特性缺乏相关探索。本文开创性地针对建筑外墙保温材料与不同风速之间的效应进行研究，分别设置了风速vw为0，0.5，1.0,1.5,2.0,2.5 m/s的6种实验，研究风速变化对于立面材料水平火蔓延行为的影响，表征重要的特征参数(如：火焰形貌、气流组织分布、质量损失速率、温度场分布、辐射热流变化等)，用这些参数的变化规律来体现建筑外墙保温材料火灾的风速效应。

1 实验设计

本文中的所有实验均是在自行搭建的右侧给风情况下PU板水平逆流火蔓延实验装置中进行的，实验装置如图2所示。

图2 PU板燃烧火蔓延实验平台Fig.2 Experimental platform of PU board combustion fire spread

实验装置包括可调节稳定送风系统、保温材料火蔓延系统和数据采集系统3个部分。变频风机可提供实验所需的稳定侧向风，风速仪用于检测风速波动情况，检验环境风是否符合实验要求。实验装置放置于高精度电子天平(型号：德国Sartorius，精度0.01 g)，用于监测实验过程中质量的变化。实验所采用的PU泡沫板样品的厚度、长度、宽度分别为20 mm、800 mm、200 mm，其它各项物理参数见表1.实验PU板材通过铁钉固定在绝热石膏板上，石膏板通过支撑铁架固定于熔滴滴落台，熔滴滴落台(1 200 mm×300 mm×50 mm的石膏板)用于承接因燃烧过程中PU板热解产生的熔滴物。实验前使用马克笔在实验板材上标注刻度线，间距为100 mm，用以实时观察记录PU表面近域温度场分布情况；PU实验板材两侧呈阵列布置10 根K型热电偶编号为T0-T9，距保温板材表面2 mm，以防止对质量测量的影响,用于记录板材火蔓延过程中的表面场温度；板材中间对立固定两根水冷式辐射热流计(型号：STT-25-50-R/WF, Tecfront Co., LTD.)，用于记录PU板热解前锋辐射热通量；在实验装置正前方放置一台高清相机(型号：SONY，FDR-AX100E)，用于录制保温板材火焰变化形态以及热熔滴落现象。以上实验仪器共同组成数据采集系统并以1 Hz频率进行数据采集与记录。

上述实验装置模拟真实环境下建筑发生火灾时立面保温材料的燃烧行为，以分析火灾防治方法。本实验取vw分别为0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 m/s 6种风速条件进行实验，所有的实验均在恒定的初始环境温度和湿度下进行((22.0±2.0) ℃，(55±4)%)，每组实验重复不少于3次的情况下，选取最具代表性的实验数据进行分析用以排除实验误差。

表1 实验所选用PU板材的各项属性Table 1 The properties of PU board used in the experiment

2 实验结果分析

2.1 火焰前锋形态分态

火焰前锋形态可直观反映火势大小及其危害性，其主要受燃烧区周围空气湍流影响，在火场可依据火焰前锋形态判断火蔓延趋势进行逃生及扑救工作。图3为风速vw分别为0 m/s和2.5 m/s情况下火焰前锋的形貌瞬时变化。

图3 侧向风速vw=0 m/s和vw=2.5 m/s时的火焰前锋形态示意图Fig.3 Schematic diagram of flame front shape with lateral wind speed vw=0 m/s and vw=2.5 m/s

火蔓延共分为三个阶段。第一阶段(t= 60 s)为燃烧初期阶段，火焰前锋呈现垂向分布，PU板各部分燃烧速率基本相同，这时的燃烧现象是火焰周围气流被辐射热加热，膨胀产生上升气流，夹带火焰竖直向上传播，由于高热空气的膨胀上升，在压差的作用下PU板的下侧卷吸周围冷空气，再加上火焰下部覆盖在PU板未燃区域，使得火蔓延前期下侧快于上侧。第二阶段(t=160 s)火焰前锋的形貌呈水平V型，这主要是由于空气卷吸效应，使得侧边燃烧速率大于PU板中部，由于风力与上升气流的耦合作用加强了PU板上侧附近烟气的活跃度，强化了试样上侧周边冷空气的卷吸效应，从而加剧气流中的可燃气体燃烧，此外施加的左向自然风力，使得火焰前锋在上升气流与风力的合力作用下偏离PU板，两侧边火蔓延速率逐渐持平，此时的火苗形状已经呈现斜向左上的方向。第三阶段(t= 260 s)风速较小的情况下(vw=0，0.5，1.0 m/s)呈现水平V型的火焰前锋，在风速较大的情况下(vw=1.5，2.0，2.5 m/s)火焰前锋与PU板下侧呈锐角的倾斜直线。三个阶段揭示了PU板火焰热解前锋形态以及预热区的变化，以及侧向风的存在导致试样上侧燃烧速率逐渐大于下侧。

2.2 质量损失及熔滴率分析

图4为不同风速条件下PU板水平火蔓延过程中质量变化情况，可以看出风速对材料热解起主导作用。图5为选取燃烧稳定阶段进行线性拟合得到的质量损失速率折线图，结果表明:当风速较小时可促进燃烧区周围气流组织的活跃，使得PU板热解前端得到充足的氧气，质量损失加快；随着风速的加大，风力对火焰蔓延的阻碍作用大于对周边气流组织的促进作用，使得燃烧减慢，质量损失速率降低，同时由于过大的风速会带走大量的热量，从而使得热解速率下降。

图4 不同风速下PU板的燃烧质量变化Fig.4 Combustion quality change of PU plate at different wind speeds

图5 不同风速下PU板质量损失速率折线图Fig.5 Line chart of mass loss rate of PU plate at different wind speeds

PU板属于高分子聚合物，在高温条件下会发生受热熔融收缩现象，而熔融滴落是实际火灾发生时严重

图6 风速为2.0 m/s时的PU板燃烧熔融滴落现象Fig.6 Melting and dripping phenomenon of PU plate during combustion when wind speed is 2.0 m/s

的灾害隐患，因此研究燃烧熔融滴落现象具有重要意义，图6为风速vw=2.0 m/s时的PU板燃烧熔融滴落现象。水平火蔓延过程中火焰前锋呈水平V型，因而下侧的熔滴液直接滴落至滴落台上，而上侧熔滴液生成速率大于其燃烧消耗速率，因此熔滴液逐渐积累直至溢出，从而引燃PU板上侧的未燃区域，加大了火蔓延速率。表2为不同风速下板材的熔滴率，此处将熔滴率定义为熔融液滴落质量和试样初始质量的比值，可见随着风速的加大，PU板的熔滴率也在不断增大，直到风速大于2.0 m/s之后逐渐趋于稳定。这归结于随着风速加大，PU板的热解前锋加剧热解，自身重力和风力的作用使得熔滴产生水平方向的动量，加速了熔滴的产生和滴落。达到一定风速后熔滴率趋于稳定导致质量损失速率不再增大；风速的阻碍作用占据主导，也是导致风速过大时质量损失速率降低的原因。

表2 不同风速下板材的熔滴率Table 2 Droplet rate of sheet metal at different wind speeds

2.3 温度场及辐射热流分析

温度直接影响PU板燃烧过程中的质量损失速率、热解状况等多种参数，研究PU板表面温度变化可以直观解析燃烧状况。图7为PU板水平逆流火蔓延过程中近域场温度场梯度分布，T0—T9对应的温度用θ0—θ9表示，(a)、(b)图分别表示风速vw为0.5 m/s和2.0 m/s的情况。

(a)vw=0.5 m/s

(b)vw=2.0 m/s

从图中可以看出，当火焰前锋到达第一列热电偶(T0，T5)时，下侧的燃烧温度高于上侧，vw=0.5 m/s时θ5记录为819.2 ℃，θ0记录为559.2 ℃；vw=2.0m/s时θ5记录为657.9 ℃，θ0记录为533.8 ℃。这是由于燃烧产生的热空气膨胀上升，并且随着风速的增加，上侧的高热空气偏斜于竖直方向的角度越大，高热空气的逸散促进了周边冷空气的灌流，使得PU板上侧的空气流动频率大于下侧，并且侧向风带来了充足的空气，燃烧产生的可燃气体与空气进一步混合，加大了PU板火焰前锋上部的热解；由于上侧冷空气灌流较下侧更强，产生的冷却效应也更强，上侧燃烧温度峰值低于下侧。这也就阐述了上侧温度低于下侧，燃烧速率大于下侧。随着火蔓延的进行，PU试样下侧温度始终高于上侧。但是在不断变换风速的情况下，上下侧温度发生显著的差异，表现在风速逐渐加大，温度差异逐渐缩小，这是由于随着上侧的燃烧速率的不断增高，热解速率不断增大，在火蔓延过程中产生的辐射热量越来越多，从而在不断缩小上下两侧的温度差。

图8为不同侧向风速下PU板上下侧辐射热通量变化曲线。从图中可以看出，无论环境风存在与否，下侧辐射热通量的峰值始终高于上侧，且随着风速的加大，辐射热通量峰值的差值呈现先增加后减少的趋势。这主要是由于燃烧初始阶段时产生的上升烟气阻碍了上侧火焰辐射的扩散，当风速较小时，风力的增强还不足以吹散积聚的气固混合物，下侧的剧烈燃烧增强了火焰辐射，上下侧辐射热通量的峰值差开始增大；随着风速的增加，由于浮力作用的上升烟气被吹散以及较强风力具有冷却作用占主导地位，使得上下两侧的温度峰值差逐渐减小，火焰的热释放速率随之减少，此外火焰形状的变化使得高温核心区转移到PU板外，也会使得辐射热通量的峰值差开始逐渐减少。

(a)vw=0 m/s，vw=0.5 m/s，vw=1.0 m/s

(b)vw=1.5 m/s，vw=2.0 m/s，vw=2.5 m/s

3 结论

本文探究了不同风速对PU板水平逆流火蔓延特性的影响，开展了一系列小尺度实验，讨论和分析实验数据所获结论如下：

1)环境风会改变保温材料上下侧的温度升高速率，风速越大，PU板上下两侧温度峰值差越小，风力通过促进上侧卷吸效应加快了PU板上侧的热解速率。

2)环境风会改变保温材料上下侧的辐射热通量差值，风速越大，PU板上下两侧辐射热通量峰值差先增大后减小，风力逐渐加大了上侧的热辐射行为。

3)环境风会导致室外保温材料燃烧质量损失速率异于无风状态，随着逆向风风速的加大，质量损失速率呈现先增大后减小的趋势，滴落材料质量百分比随风速增大而增大。主要归结于风速小的时候促进卷吸效应占据主导，风速过大的时候阻碍燃烧速率占据主导。

4)根据实验获得的关于火焰前锋形貌变化、质量损失速率、温度场梯度分布、辐射热通量等重要特征参数，分析风速大小对这些火蔓延特性的影响，探讨存在自然风情况下的高层建筑水平火蔓延防治措施，有助于其火灾危险性评估和建筑立面的安全设计。

通过分析侧向风速影响下聚氨酯泡沫水平逆流火蔓延相关特性参数所得实验数据，对高层建筑外墙保温材料火蔓延的防治提出以下两点建议：

1)针对PU板燃烧过程滴落材料质量随风速增大而增大的情况，建议设计建筑时在每层楼房外墙向外延伸100～150 mm,使用耐高温材料修建熔池，用以承接建筑外层保温材料发生火灾时的熔融滴落物。

2)针对PU板风速小于3.0 m/s的火蔓延过程中，下侧温度及辐射热通量高于上侧的情况，下侧温度过高极有可能破坏建筑外墙的完整性和稳定性，造成墙体出现裂隙甚至坍塌，建议在常年主导风向的上风侧设置喷淋系统，一方面由于重力的因素，射流会以抛物线的形状向下倾斜，另一方面设置于上风侧水流受风力的影响可以实现更大的射流面积，从而有效降低建筑室外保温材料的辐射热通量和温度。