低速热颗粒点燃聚苯乙烯泡沫的实验研究

张 玉，张春寅，王苏盼

低速热颗粒点燃聚苯乙烯泡沫的实验研究

张 玉，张春寅，王苏盼

(南京工业大学安全科学与工程学院，南京 210009)

具有一定动量的热颗粒点燃保温材料是发生高层建筑火灾的重要路径．本文研究了低速热颗粒(直径8mm，初始速度为0～6m/s)冲击聚苯乙烯泡沫燃料床的点火行为．研究发现：适当增加热颗粒初始速度(0～3m/s)可提高其点火危险性，但增加过多(3～6m/s)反而降低点火能力．在低速范围内，具有点火能力的热颗粒需要经过多次弹跳以达到速度小于0.35m/s的接触速度才能够停留在燃料床表面，且在燃料床表面的停留时间不小于40ms后才能发生点火．

热颗粒；低速；聚苯乙烯泡沫；临界条件

森林燃料、木质建筑物的燃烧等过程产生的余烬或是电焊操作、高压电线短路等过程产生的高温颗粒，在环境风、火羽流等外力作用下运输至其产生区域之外，落地后点燃周围可燃燃料引发火灾的过程，即为飞火．在森林-城镇交界域(WUI)火灾的灾后危害评估分析中，飞火被认为是引燃建筑物的主要原因之一．飞火颗粒点燃建筑构件、建筑外立面保温材料等是导致建筑火灾、森林-城镇交界域大火加速跳跃式蔓延的重要途径．如2007年发生的美国南加州大火中有2/3的烧毁建筑是由于飞火的直接或间接袭击引发的[1]；同年美国加州草谷火灾中烧毁的199家建筑里有193家是受到飞火侵扰的[2]；2010年发生的中央电视台配楼大火[3]、上海“11·15”特大火灾事故是由于烟花、焊渣颗粒引燃保温材料引发的．飞火导致的火灾加速跳跃式蔓延给扑救工作带来极大的困难，深刻认识飞火发生本质及其防治措施，是控制火灾离散蔓延的重要保障．

一般的，将飞火现象分为飞火颗粒的产生、输运和点燃落地点可燃物3个连续的过程．大多数研究者简化研究设计、只关注其中一个部分，但热颗粒是否具有点火危险性与3个部分密切相关，尤其是飞火颗粒的输运过程和点燃过程．输运过程赋予热颗粒动量使其以一定速度运动，随后落至燃料表面发生点火行为．不同接触速度下，热颗粒与燃料床可能产生不同的接触关系．热颗粒可能直接嵌入、穿透或在燃料床表面弹跳后点燃燃料．当热颗粒自由落体落至纤维素粉末燃料床上时都有一定程度的反弹，尺寸越小反弹越高[4]，但反弹过程增加了热颗粒的冷却时间．作者先前工作也表明[5]，热颗粒与燃料床的接触过程中由于停留时间的增加，点火的临界颗粒温度会略微降低，说明热颗粒与燃料床之间的接触关系对点火有明显影响．

前人为模拟输运过程中飞火颗粒的燃烧、抛射状态，落地时分布密度、质量、形态等参量的变化规律，在实验研究过程中多将热颗粒置于0～40m/s的环境风速[6]中，并将热颗粒落地时终端坠落速度假设为3m/s、6m/s、8m/s、9m/s[7-9]．目前坠落速度对点燃过程的影响暂未有相关研究，进行不同速度热颗粒的点火研究对模拟贴合实际飞火产生情景和补充完善飞火颗粒点火机理有重要意义．

本文结合终端坠落速度范围及实验条件限制等情况，重点研究低速范围内热颗粒速度对其点燃的影响．实验建立了热颗粒点燃平台[10]，研究8mm直径钢颗粒在不同温度(970～1070℃)和冲击速度(0～6m/s)下点燃建筑外墙保温材料(聚苯乙烯泡沫)的点火特性，揭示低速热颗粒点燃建筑保温材料的点火现象、点火概率、弹跳情况及点火机理．

1 实验方法与流程

图1 热颗粒加速实验装置原理

1.1 实验材料

根据以往实验结果[5,10]，本实验初步研究8mm直径的温度实心颗粒(304不锈钢材质)，实验温度分别为970℃，1020℃和1070℃．热颗粒通过自由落体或加速实验装置加速垂直落至聚苯乙烯泡沫上，通过视频处理获得颗粒的下落速度．例如，将燃料床分别置于距离陶瓷管下沿垂直向下9.5cm和39cm处，热颗粒分别自由落体实现如表1的速度1和速度2．当然，调节燃料床与陶瓷管垂直距离可实现0～1.2m/s间的任何速度．考虑到颗粒速度3下落距离过长，实验随机性较大，因此先将热颗粒用打击装置加速后，再自由落体至置于距离陶瓷管下沿82cm处的燃料床，此时热颗粒达到速度3．

表1 实验中热颗粒温度和初始速度分布

Tab.1　　The temperature and initial velocity of the hot particles in the experiments

实验的燃料床是由武汉天元铭创建筑材料有限公司生产的商业外墙保温材料——聚苯乙烯泡沫．实验材料由聚乙烯催化而成，未添加阻燃剂，是一种硬质闭孔结构的非阻燃型泡沫[11]．先前研究已呈现其热解曲线，热解温度约450℃[5]．该材料延伸性极小，当轴向应变为5%时，EPS泡沫表现出弹塑性．泡沫密度为(19.94±0.37)kg/m3，尺寸为20cm×20cm×5cm．实验中，泡沫四周包裹防火棉，以隔热和限制燃料床四周氧气的供应．

1.2 实验过程和测量

实验过程中，一旦炉内温度稳定，使用长柄金属勺将不锈钢颗粒固定于加热炉中心加热．同时颗粒表面打小孔，插入两支K型热电偶(触点直径分别是1mm和0.5mm)监测颗粒表面温度，修正测量误差．待颗粒温度接近预定炉温且温度稳定时，旋转金属勺使颗粒沿陶瓷管滚落，陶瓷管终端热颗粒水平速度为零．热颗粒垂直方向自由落体或者在陶瓷管出口位置被加速后落至燃料床表面．

实验中有两台摄像机(50帧/s)分别从正视方向和45°斜向下方向，对实验现象进行记录．为降低实验随机性的影响，同一工况重复试验5～8次以得到点火概率．

2 实验结果

实验过程观察到不点燃、明火点燃(嵌入点火、接触点火)两种点火现象，将可见火焰持续时间超过1s的点火定义为成功点火．由于热颗粒点燃过程的复杂性和随机性，本文采用先前文章[10-13]里对“点燃概率”的定义，即颗粒成功点燃燃料床的次数(ig)与该工况其总试验次数(tot)的比值，即：

2.1 点燃现象

图2呈现的是8mm热颗粒在1020℃温度下，以1.15m/s、2.9m/s和5.99m/s等3种速度冲击燃料床时的点火实验快照．假设热颗粒冲击接触燃料床的前一时刻为0时刻，据此定义，所有热颗粒与燃料床的第1次接触均在第20ms．另将热颗粒从离开燃料床到完全落至燃料床的时间间隔≥60ms的弹跳定义为一次成功的弹跳．

如图2(a)所示，热颗粒以1.15m/s冲击燃料床时，热颗粒发生一次弹跳，分别在20ms、140ms与燃料床接触，弹跳高度为2.29cm．随后，逐渐嵌入并在320ms发生点火，形成稳定的长条状火焰．当热颗粒以2.9m/s冲击燃料床时，如图2(b)，热颗粒发生两次弹跳，弹跳高度分别为7.9cm、1.8cm，弹跳期间热颗粒分别在20ms、280ms和400ms与燃料床接触．在第3次接触后，热颗粒逐渐嵌入燃料床，随后在520ms发生点火．图2(c)展示的是热颗粒以5.99m/s冲击燃料床的实验快照，热颗粒弹跳3次，弹跳高度随弹跳次数的增加而减小，分别为18.7cm、3.8cm、0.6cm．在弹跳期间热颗粒分别在20ms，440ms，600ms和680ms与燃料床接触，第4次接触后，热颗粒在800ms点燃燃料床．

另一方面，照片中的假体却又代表着二十世纪后期。这样一个数字化手段创造的恐怖景象，使用最现代化的技术呈现被弓箭刺穿的圣·塞巴斯蒂安（St. Sebastian）那种令人窒息的样貌——这样的画面自文艺复兴与巴洛克艺术兴起以来即是基督教艺术的组成部分。

图2 热颗粒以1.15m/s、2.9m/s和5.99m/s冲击点燃燃料床时的实验快照

对比分析上述3组实验快照，说明热颗粒以一定速度冲击聚苯乙烯泡沫燃料床时，热颗粒弹跳次数、弹跳高度与颗粒速度呈正相关．这主要是由于聚苯乙烯泡沫具有弹性，热颗粒与燃料床接触过程中接触时间小于点火延滞时间，不能发生点火．在1.15m/s、2.9m/s和5.99m/s等3个初始速度下，热颗粒点火延迟时间分别为320ms、520ms、800ms，点火延迟时间随着初始速度增加而增加，是因为热颗粒弹跳次数与初始速度呈正相关．

图3呈现的是热颗粒(8mm，1070℃)以6.2m/s冲击点燃燃料床时的实验快照．热颗粒弹跳情况与图2(c)一致，即热颗粒弹跳3次，在弹跳期间热颗粒分别在20ms、440ms、600ms和660ms与燃料床接触，说明在实验温度范围内热颗粒温度的提高对热颗粒与燃料床接触过程的相关参数几乎没有影响，但温度的提高使得热颗粒与燃料床接触的过程中出现闪燃点火．在第2次接触弹跳后，即460ms时，燃料床上出现闪燃，但随着热颗粒的弹开，火焰熄灭，这主要是由于接触时间过短，燃料床不能在热源离开的情况下维持热解和燃烧[14]．第3次接触中没有闪燃出现，660ms时发生第4次接触，热颗粒接触燃料床即出现闪燃，但热颗粒没有弹开而是停留在落点处，在热源持续加热作用下，闪燃火焰扩大并且亮度提高，在700ms时发生点火．提高热颗粒温度使接触过程有闪燃火焰出现，但由于热颗粒与燃料床的接触时间非常短致使热颗粒停止弹跳前不能造成点火．

图3 热颗粒以6.2m/s冲击点燃燃料床时的实验快照

2.2 低速热颗粒点燃聚苯乙烯泡沫的点燃概率

图4给出了低速热颗粒点燃聚苯乙烯泡沫的点燃概率与热颗粒温度(p)、初始速度()的关系．每个圆圈表示5组以上重复实验，彩色条将点燃概率从20%(黑色)缩放到100%(白色)．从图中观察可知，适当增加热颗粒初始速度(1.2～3m/s)可提高其点火危险性，但增加过多(3～6m/s)反而降低了点火能力．当热颗粒温度远大于临界点火温度时，如1070℃，速度对热颗粒点火能力几乎没有影响．

为进一步验证适当增加热颗粒初始速度可提高其点火危险性，额外进行了0m/s、0.35m/s、0.5m/s、0.75m/s初始速度下的点火实验．图5给出970℃热颗粒在0～6m/s初始速度下的点火概率分布．当初始速度从0m/s增加至3m/s时，热颗粒的点火危险性提高，即：点燃概率从25%增加至100%．但当热颗粒以6m/s冲击燃料床时，热颗粒点火能力明显降低．如970℃时，热颗粒点燃概率为20%，明显低于其他初始速度．

图4 热颗粒的点燃概率与颗粒温度和初始速度的关系

图5 970℃热颗粒的初始速度与点燃概率的关系

基于先前对聚苯乙烯泡沫热颗粒点燃研究，热颗粒接触材料表面，材料受热而发生热解反应(热解时间)，热解气体释放并与空气混合形成易燃混合气(混合时间)，易燃气体的燃烧(化学反应时间)．从点火时刻火焰形态以及颗粒停留位置可判断该易燃气体点燃过程是由热颗粒触发的预混气体的先导点火过程．因而，热颗粒在整个点火过程中不仅是个加热源而且是先导点火源[5, 10]．固体先导点火过程的点火延滞时间可由热解时间、混合时间以及化学反应时间之和估算．一般化学反应时间极短，是10-4的量级．根据颗粒点火温度远大于材料热解温度，颗粒携带的能量远大于热解需要的能量以及点燃与不点燃对燃料消耗量影响很弱，可以证明材料可在短时间产生足够的热解气体，热解时间对点燃没有影响．因而，热颗粒点燃其实是易燃气体的混合时间与颗粒在表面滞留时间的相互竞争的结果[10]．

在0～3m/s的速度下，颗粒弹跳时间较短，在停留于EPS燃料床表面时的温度下降不超过20℃．与此同时，因为初始速度的增加能够减少颗粒周边可燃气体的混合时间，所以在这一速度范围内点火概率随速度的增加而增加．

但是因为热颗粒从接触燃料床的时刻起至完全落至燃料床的时间间隔与热颗粒初始速度呈正比，当初始速度为6m/s时，热颗粒有更长时间冷却降温．颗粒停留于EPS燃料床表面时温度较初始温度下降大于30℃，从而降低点火能力．

2.3 弹跳过程中的接触速度

图6呈现的是颗粒接触速度与初始温度、接触次序的关系．图6(a)表示3m/s冲击速度下，热颗粒弹跳过程中的接触速度与初始温度的关系，图6(b)表示1020℃颗粒温度下，热颗粒以3种冲击速度接触燃料床后接触速度与接触次序的关系．误差棒表示该工况下重复实验间存在的误差，较小的误差表示实验重复性较好．

图6 颗粒接触速度与初始温度、接触次序的关系

热颗粒以3m/s冲击速度接触燃料床时，热颗粒温度对随后弹跳过程中接触速度几乎没有影响．如图6(a)所示，热颗粒在3m/s冲击速度下第1次接触燃料床，弹跳后的第2次接触速度约为1.2m/s，大约是初始速度的2/5，随后第3次接触速度在0.3m/s左右，温度的变化对接触速度几乎没有影响．所以在低速热颗粒弹跳过程中，热颗粒温度不是控制速度的主要因素．

在同一温度下，热颗粒以1.18m/s、3.03m/s、6.05m/s的初始速度接触燃料床时，其弹跳过程中接触速度与接触次序的关系如图6(b)所示．接触速度随接触次序的增加而降低，不同初始速度下，相邻两次接触间的速度差值不同，初始速度越大，速度差值越大，如D1＞D1＞D1，这是因为泡沫的弹性属性能够缓冲卸掉一部分速度，热颗粒速度越大，缓冲卸掉的速度越多．弹跳过程使热颗粒不断减速，直到＜0.35m/s，热颗粒不再弹跳而是停留在燃料床表面，进而发生点火．

故在低速范围内，初始温度对接触速度的影响甚微，热颗粒需要经过多次弹跳以达到＜0.35m/s的接触速度后才能够停留在燃料床表面．此时，如果热颗粒温度足够热解可燃物并引燃可燃混合气体就能发生点火．

2.4 点火延滞时间

图7表示本实验所有工况下热颗粒弹跳过程的接触速度与点火延滞时间的关系．点火延滞时间为自热颗粒接触燃料床的时刻起至发生点火的时间间隔．由于热颗粒初始温度的影响，一定速度下，点火延滞时间区间宽度在300ms内，较高的初始温度可减小点火延滞时间．热颗粒点火延滞时间随速度的增加而增加，主要是由热颗粒弹跳次数增加导致的．

图7 热颗粒弹跳过程的接触速度与点火延滞时间的关系

在误差范围内，点火延滞时间同速度两者近似呈正比关系，如1070℃，6.40m/s的初始速度下，接触速度与对应的点火延滞时间分别为：6.06m/s (700ms)，1.97m/s(300ms)，0.63m/s(140ms)，0.15m/s(60ms)，从图中也可明显看出同一形状符号之间的连线几乎是直线．在0～1m/s范围内，点火延滞时间在40～200ms之间，说明热颗粒要发生点火，颗粒在燃料床表面的停留时间要大于或等于40ms.同样的，在一定热颗粒初始温度下，存在最大点火延滞时间使得热颗粒在该时间范围内不能冷却到最低点火温度．如970℃，热颗粒的最大点火延滞时间小于900ms，若热颗粒在该时间范围内仍不能够停留在燃料床时则肯定不会发生点火．

3 结 论

本文呈现了低速热颗粒对建筑保温材料-低密度聚苯乙烯泡沫的点燃实验研究．

(1)低速热颗粒对聚苯乙烯泡沫的点燃过程要经过数次弹跳直至完全落至燃料床后才能发生点火，弹跳次数和弹跳高度与初始速度呈正相关．同时随着弹跳次数的增加，点火延滞时间同样随初始速度的增加而增加．

(2)在实验温度范围内热颗粒温度对热颗粒与燃料床接触过程的相关参数几乎没有影响．在低速范围内，热颗粒初始速度的增加可提高热颗粒的点火能力，但是速度增加过多反而会因为较多的弹跳降低热颗粒的点火危险性．

(3)热颗粒经过多次弹跳以达到＜0.35m/s的接触速度后才能够停留在燃料床表面，并且在热颗粒温度足够的前提下，颗粒在燃料床表面的停留时间要大于或等于40ms才能发生点火．

该研究贴合实际飞火产生情景并补充完善现有飞火颗粒点火实验，对建筑及森林-城镇交界域火灾中的飞火预测及防控具有重要意义．

［1］ Maranghides A，Mell W. A case study of a community affected by the Witch and Guejito Wildland Fires[J].，2011，47(2)：379-420.

［2］ Zhou K，Suzuki S，Manzello S L. Experimental study of firebrand transport[J].，2015，51(4)：785-799.

［3］ 杨 璇. “央视大火”原因调查[J]. 劳动保护，2010(4)：36-39.

Yang Xuan. Investigation into the cause of the "CCTV fire"[J].，2010(4)：36-39(in Chinese).

［4］ Fernandez-Pello A C，Lautenberger C，Rich D，et al. Spot fire ignition of natural fuel beds by hot metal particles，embers，and sparks[J].，2015，187(1-3)：269-295.

［5］ Wang S，Zhang Y，Huang X. Combustion and flame ignition of EPS foam by a hollow particle：Threshold，auto-ignition，and fire point[J].，2021，232：111524.

［6］ Tarifa C S，Notario P P del，Moreno F G. On the flight paths and lifetimes of burning particles of wood[J].()，1965，10(1)：1021-1037.

［7］ Thurston W，Kepert J D，Tory K J，et al. The contribution of turbulent plume dynamics to long-range spotting[J].，2017，26(4)：317-330.

［8］ Thomas C M，Sharples J J，Evans J P. The terminal-velocity assumption in simulations of long-range ember transport[J].，2020，175：96-107.

［9］ Ellis P F M. The effect of the aerodynamic behaviour of flakes of jarrah and karri bark on their potential as firebrands[J].，2010，93(1)：21-27.

［10］ Wang S，Huang X，Chen H，et al. Ignition of low-density expandable polystyrene foam by a hot particle[J].，2015，162(11)：4112-4118.

［11］ 李诗诗，董美蓉，骆发胜，等.单颗粒固体燃料燃烧火焰光谱特性研究[J]. 燃烧科学与技术，2021，27(3)：271-278.

Li Shishi，Dong Meirong，Luo Fasheng，et al.Study on spectral characteristics of combustion flame of single particle solid fuels[J].，2021，27(3)：271-278(in Chinese).

［12］ Wang S，Liu N，Chen H. Ignition of expandable polystyrene foam by a hot particle：An experimental and numerical study[J].，2015，283：536-543.

［13］ Wang S，Chen H，Liu N，et al. Interaction between flaming and smouldering in hot-particle ignition of forest fuels and effects of moisture and wind[J].，2017，26(1)：71-81.

［14］ 黄新杰，高金达，周志杰，等.受限结构下外墙保温材料EPS垂直向下火蔓延研究[J]. 燃烧科学与技术，2021，27(6)：621-628.

Huang Xinjie，Gao Jinda，Zhou Zhijie，et al.Study on downward flame spread over external wall insulation material EPS under constrained construction[J].，2021，27(6)：621-628(in Chinese).

Ignition of EPS Foam by Low-Velocity Hot Particles

Zhang Yu，Zhang Chunyin，Wang Supan

(College of Safety and Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 210009，China)

The ignition of thermal insulation materials by hot particles with a certain momentum is an important path for high-rise building fires. This paper studies the ignition behavior of low-velocity hot particles(diameter 8mm，initial velocity 0—6m/s)impacting the expandable polystyrene(EPS)foam. It has been found that an appropriate increase in the initial velocity of hot particles(0—3m/s)can increase its ignition risk，but an excessive increase(3—6m/s)will reduce the ignition ability of hot particles. Within the low-velocity range，the hot particles with ignition ability will bounce several times to reduce the contact velocity below 0.35m/s before they can stay on the surface of the fuel bed. In addition，the residence time of hot particles on the surface of the fuel bed must reach 40ms and above before ignition occurs.

hot particle；low-velocity；expandable polystyrene foam；critical conditions

10.11715/rskxjs.R202305035

TK11

A

1006-8740(2023)04-0460-07

2022-03-21．

国家自然科学基金资助项目(52176113)；江苏省高等学校基础科学(自然科学)重大项目(21KJA620003)；江苏省研究生科研创新计划资助项目(KYCX21_1194).

张 玉(1993—  )，女，硕士研究生，15738516601@163.com.

王苏盼，女，博士，副教授，wangsp@njtech.edu.cn.

(责任编辑：梁 霞)