中空結(jié)構(gòu)可燃物豎直向上火蔓延特性實(shí)驗(yàn)研究*

周 洋，陳 飛，卜蓉偉，徐斌雁

(中南大學(xué) 防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 引言

在復(fù)雜的建筑火災(zāi)中，火焰會(huì)沿著可燃物的各個(gè)方向蔓延，豎直向上的火蔓延由于蔓延方向與氣流方向相同，火蔓延速度最大，通常被認(rèn)為是最嚴(yán)重的火災(zāi)表現(xiàn)[1-2]?，F(xiàn)代建筑的中庭和天井等中空結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)時(shí)其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生劇烈的煙囪效應(yīng)和空氣卷吸作用從而急劇加快火焰向上蔓延的速率，例如2020年重慶沙坪壩火災(zāi)，著火點(diǎn)產(chǎn)生的可燃高溫?zé)煔馐艿綗焽栊?yīng)的作用在通道內(nèi)迅速向上流動(dòng)并在通道頂部積聚，導(dǎo)致明火從著火點(diǎn)迅速蔓延至頂樓并發(fā)生噴射。除此之外，建筑外立面U型結(jié)構(gòu)和排水管等中空結(jié)構(gòu)燃燒時(shí)會(huì)出現(xiàn)類似現(xiàn)象，無(wú)疑增大了建筑火災(zāi)的危險(xiǎn)性。

可燃物的結(jié)構(gòu)直接決定火焰的形態(tài)和火焰蔓延的速度，因此可燃物的結(jié)構(gòu)(如寬度和厚度等)對(duì)固體火蔓延行為規(guī)律與燃燒特性的影響引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[3-6]。關(guān)于豎直向上火蔓延的研究，早在1961年，Thomas等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論研究得出向上火焰蔓延速度與薄棉織物寬度的平方根成正比的結(jié)論；Zhou等[8]同時(shí)研究了寬度和自熄的共同耦合作用，得出熱解高度和火蔓延速率均隨樣品寬度的增加而增加的結(jié)論，并得到最大火焰蔓延速率與寬度之間的函數(shù)關(guān)系；Kosdon等[9]研究直徑和長(zhǎng)度對(duì)α-纖維素和樺木材質(zhì)的圓柱向上火蔓延的影響，并提出與垂直平板相鄰的自然對(duì)流邊界層的相似理論；Kim等[10]開發(fā)相似性理論來(lái)描述垂直平板附近的層流邊界層的燃燒，并利用垂直圓柱體上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)支持相似性理論；Meng等[11]通過(guò)縮尺寸實(shí)驗(yàn)研究膠合板厚度對(duì)豎直向上火蔓延的影響，發(fā)現(xiàn)火焰前沿、熱解前沿和燃燼前沿均隨樣品厚度的減小而增加，這與火焰蔓延速率隨樣品厚度的變化趨勢(shì)一致，還得出了火焰高度和熱解高度均隨時(shí)間的增加先增加后趨于穩(wěn)定，并隨樣品厚度的減小而增加的結(jié)論；向上的誘導(dǎo)氣流會(huì)加速火焰的向上蔓延，Blasi等[12]通過(guò)將固體視為2組分材料(氣化的可燃組分和剩余的固體材料)來(lái)模擬可燃固體的炭化，并建立在火焰?zhèn)鞑シ较蛏弦苿?dòng)的氣流輔助可燃物向上火焰蔓延的理論模型，該模型預(yù)測(cè)火焰擴(kuò)散速率隨氣體流速的增加而增加。上述學(xué)者主要集中在對(duì)實(shí)心固體可燃物的豎直火蔓延的研究，未考慮中空結(jié)構(gòu)對(duì)向上火蔓延的影響，然而在復(fù)雜的真實(shí)火災(zāi)中存在較多諸如此類結(jié)構(gòu)的火災(zāi)，因此對(duì)中空結(jié)構(gòu)可燃物的火蔓延特性研究具有重要意義。

本文選用瓦楞紙圓管為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行小尺寸燃燒實(shí)驗(yàn)，分析中空結(jié)構(gòu)可燃物豎直向上火蔓延行為特征，通過(guò)改變瓦楞紙圓管的內(nèi)徑來(lái)探究火焰高度、火蔓延速率和質(zhì)量損失速率的變化趨勢(shì)，從而揭示試樣內(nèi)徑對(duì)中空結(jié)構(gòu)可燃物豎直向上火蔓延特性的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用樣品為長(zhǎng)度1 m，厚度1 mm的瓦楞紙空心圓管，樣品的內(nèi)徑(d)分別為30,40,50,60,70，80 mm。瓦楞紙屬于纖維素材質(zhì)，為充分降低試樣內(nèi)部含水量對(duì)其火蔓延的影響，所有試樣在實(shí)驗(yàn)前均放置在80 ℃的恒溫烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干，每2 h測(cè)量1次試樣質(zhì)量，直至試樣質(zhì)量不再發(fā)生變化。烘干完成后的瓦楞紙圓管的密度為732 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.133 W/(m·K)。

小尺寸火蔓延實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由樣品支架(寬0.4 m，高1.5 m)、底座和各數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成。瓦楞紙圓管通過(guò)細(xì)鐵絲固定在打孔的樣品支架上，試樣下端距離底座高度為0.15 m，便于實(shí)驗(yàn)開始時(shí)點(diǎn)燃試樣。樣品支架和底座放置于賽多利斯PMA-35001電子天平(測(cè)量精度為0.1 g，采集頻率為5 Hz，量程為32 kg)上方，底座和電子天平中間放置1塊防火石膏板，電子天平用于采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的質(zhì)量損失并通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄保存。在試樣正前方和側(cè)面分別布置2臺(tái)索尼高清數(shù)碼攝像機(jī)(SONY FDR-AX-700和SONY FDR-AX-100E)用于記錄整個(gè)火蔓延動(dòng)態(tài)過(guò)程，通過(guò)拍攝的火焰形態(tài)獲取火蔓延速率和火焰高度等參數(shù)，其中攝像機(jī)的頻率為50幀/s。在試樣頂部放置2個(gè)Gardon式(圓箔式)熱流傳感器(GTT-25-150-R/WT)用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的總熱流和輻射熱流。在試樣內(nèi)部中心線處放置1串K型熱電偶樹用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中試樣內(nèi)部中心線處的溫度數(shù)據(jù)，最上方的熱電偶位于試樣頂部開口處，往下一共布置5個(gè)熱電偶，間距為0.2 m。熱流傳感器和熱電偶樹采集的數(shù)據(jù)均通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄并保存。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，使用丁烷線性點(diǎn)火器(ZT-08，巖谷氣具有限公司)對(duì)試樣底部均勻點(diǎn)火，待底部產(chǎn)生穩(wěn)定火焰后將點(diǎn)火器撤走，每組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，待實(shí)驗(yàn)裝置冷卻至初溫再進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。為減小實(shí)驗(yàn)誤差，每組實(shí)驗(yàn)工況重復(fù)3次以提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與討論

2.1 火焰發(fā)展和特征

2.1.1 試樣外表面火焰形態(tài)

試樣內(nèi)徑d=30 mm時(shí)的向上火蔓延過(guò)程，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)對(duì)試樣底部進(jìn)行均勻點(diǎn)火直至產(chǎn)生穩(wěn)定火焰，定義此時(shí)為t=0 s，如圖2(a)所示。側(cè)壁的存在對(duì)火蔓延存在促進(jìn)作用[13]，加之燃燒時(shí)氣流方向與火焰?zhèn)鞑シ较蛳嗤⑶沂艿皆嚇觾?nèi)部劇烈的誘導(dǎo)氣流的影響，導(dǎo)致豎向燃燒速度遠(yuǎn)大于其在水平方向的燃燒速度[14]，整個(gè)燃燒過(guò)程持續(xù)時(shí)間僅100 s，可見火焰向上蔓延速度極快。試樣內(nèi)徑d=30 mm時(shí)，試樣外表面火焰長(zhǎng)度(試樣頂部開口橫截面以下的火焰長(zhǎng)度)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，如圖3所示。結(jié)合圖2和圖3的火焰長(zhǎng)度可以將中空結(jié)構(gòu)可燃物豎直向上火蔓延大致分為3個(gè)階段：1)火焰發(fā)展階段；2)穩(wěn)定蔓延階段；3)火焰衰弱階段。

圖2 向上火蔓延過(guò)程(d=30 mm)

圖3 試樣外表面火焰長(zhǎng)度隨時(shí)間變化(d=30 mm)

在火焰發(fā)展階段，即0～38 s過(guò)程中，火焰根部始終位于試樣底部，由于空氣卷吸和向上氣流的影響，上方火焰前沿不斷向上蔓延，火焰長(zhǎng)度被急劇拉升，在38 s時(shí)火焰長(zhǎng)度被拉到最大；并且由于煙囪效應(yīng)的作用，此時(shí)可以清晰地看到從試樣內(nèi)部通道不斷涌出可燃熱解氣，如圖2(b)所示。在火焰穩(wěn)定蔓延階段，即火焰僅存在于試樣表面時(shí)，如圖2(c)所示，火焰長(zhǎng)度幾乎保持恒定，火焰蔓延可以看作是1個(gè)穩(wěn)定階段。由圖2(d)可知，隨著火焰繼續(xù)向上蔓延至接近試樣頂部位置，熱解氣與空氣充分混合后形成的可燃混合氣在t=63 s時(shí)被試樣表面火焰點(diǎn)燃，在試樣上方形成射流火焰，陳慶等[15]在對(duì)受限空間射流火的實(shí)驗(yàn)研究中亦觀察到類似現(xiàn)象。當(dāng)t=76 s時(shí)，試樣表面火焰前沿與噴射火焰完全融合，如圖2(e)所示，融合后的火焰劇烈波動(dòng)，燃燒加劇，火焰長(zhǎng)度驟增，火焰長(zhǎng)度最大可達(dá)1.183 m。當(dāng)t=94 s時(shí)，燃燒處于火焰衰弱階段末期，如圖2(f)所示，由于試樣外表面氧氣充足，導(dǎo)致試樣外表面先于試樣內(nèi)表面燃盡，此時(shí)試樣上方涌出的可燃熱解氣僅產(chǎn)生于試樣內(nèi)部，火焰僅在試樣上方以射流火的形式存在，而熱解氣的濃度和產(chǎn)生速率降低，造成火焰長(zhǎng)度的減小。最終直至產(chǎn)生的可燃熱解氣濃度不足以維持火焰的燃燒，明火熄滅，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。但是由于火焰向上蔓延迅速，還有部分試樣未完全燃燒，剩余未完全燃燒的部分以陰燃的形式消耗。

2.1.2 試樣內(nèi)部溫度變化

內(nèi)徑d=30 mm的試樣內(nèi)部中心線處放置的熱電偶樹測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)，如圖4所示。位于最下面的熱電偶距離試樣底部開口0.2 m，每個(gè)熱電偶間距為0.2 m，即每個(gè)熱電偶距離試樣底部開口的距離分別為0.2，0.4，0.6，0.8，1 m。從圖4可以看出，在試樣內(nèi)部的類煙囪效應(yīng)和劇烈的誘導(dǎo)氣流作用下，試樣內(nèi)部的火焰脈動(dòng)比較劇烈，溫度數(shù)據(jù)波動(dòng)較大。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)位置的熱電偶在11 s左右開始明顯升溫，說(shuō)明此時(shí)試樣內(nèi)部形成的火焰在誘導(dǎo)氣流的影響下大幅度拉升，熱電偶受到火焰的加熱而升溫。以0.2 m處熱電偶為例，結(jié)合圖2和圖3可知，38 s時(shí)火焰長(zhǎng)度被拉升至最大，而該位置熱電偶溫度在38 s附近達(dá)到最大值1 187 ℃；而在50 s時(shí)火焰根部恰好位于試樣底部0.2 m處，此時(shí)說(shuō)明火焰已經(jīng)掠過(guò)該熱電偶的位置，加之產(chǎn)生的高溫?zé)峤鈿怆S誘導(dǎo)氣流向上運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致溫度在50 s附近發(fā)生驟降。由于在燃燒過(guò)程中不斷卷吸周圍空氣進(jìn)入試樣，產(chǎn)生的高溫?zé)峤鈿庠谠嚇觾?nèi)部向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中溫度逐漸降低，在0.4，0.6，0.8，1 m處熱電偶測(cè)得的最高溫升分別為933，771，495，330 ℃。

圖4 試樣內(nèi)部溫度隨時(shí)間變化(d=30 mm)

2.1.3 試樣上方熱流變化

通過(guò)在試樣頂部放置的2個(gè)Gardon式熱流傳感器測(cè)量得到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的總熱流和輻射熱流，總熱流與輻射熱流的差即為對(duì)流換熱。內(nèi)徑d=30 mm的試樣上方對(duì)流換熱和輻射傳熱隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，如圖5所示?？梢钥吹?，在試樣開始燃燒之后，對(duì)流換熱和輻射傳熱緩慢增加，這是因?yàn)榇藭r(shí)試樣內(nèi)部的高溫?zé)煔馐艿綗焽栊?yīng)的作用向上運(yùn)動(dòng)至熱流計(jì)位置。在t=63 s左右開始出現(xiàn)噴射火焰，熱流計(jì)由于受到噴射出的火焰直接加熱，導(dǎo)致輻射傳熱和對(duì)流換熱從此時(shí)開始均急劇增加。在90 s左右對(duì)流換熱達(dá)到最大，8.25 kW/m2，然后對(duì)流換熱隨時(shí)間減小，這是因?yàn)榇藭r(shí)處于火焰衰弱階段末期，只剩下試樣上方的噴射火焰，試樣底部卷吸進(jìn)入的大量冷空氣對(duì)熱流計(jì)產(chǎn)生冷卻作用，對(duì)流換熱迅速減小。100 s以后，火焰熄滅，受到冷空氣的冷卻作用輻射傳熱隨時(shí)間迅速下降。在整個(gè)燃燒過(guò)程中，對(duì)流換熱始終高于輻射傳熱，這說(shuō)明在中空結(jié)構(gòu)可燃物豎直向上火蔓延過(guò)程中，對(duì)流換熱占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖5 熱流隨時(shí)間變化(d=30 mm)

2.2 火焰高度

未燃區(qū)域是通過(guò)已燃區(qū)域產(chǎn)生的火焰加熱并引燃的，這是火災(zāi)發(fā)展的主要原因，而在豎直向上的火災(zāi)中，火焰高度成為評(píng)判火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要指標(biāo)之一。選用較為經(jīng)典的圖像處理法來(lái)獲得火焰長(zhǎng)度，需要注意的是在豎直向上火蔓延中，火焰長(zhǎng)度就是火焰高度。定義試樣頂部開口橫截面以下的火焰長(zhǎng)度為試樣外表面火焰長(zhǎng)度(即不考慮射流火焰)。通過(guò)對(duì)各工況的火焰穩(wěn)定蔓延階段的外表面火焰長(zhǎng)度求平均值得到平均火焰高度(hf)，其中各工況下的平均火焰高度，如圖6所示。通過(guò)圖6可以看出平均火焰高度隨著試樣內(nèi)徑的增大呈現(xiàn)出先增大后略微減小的變化趨勢(shì)。在試樣內(nèi)徑較小時(shí)，試樣邊緣產(chǎn)生的可燃熱解氣的損失在可燃熱解氣總量中的占比較大，導(dǎo)致火焰高度較小。隨著試樣內(nèi)徑的增大，邊緣損失的可燃熱解氣對(duì)火焰高度的影響越來(lái)越小，導(dǎo)致火焰高度隨著試樣內(nèi)徑的增大而增大，火焰高度在試樣內(nèi)徑為70 mm時(shí)達(dá)到最大。在d=80 mm時(shí)，火焰高度出現(xiàn)略微減小，可能是此時(shí)空氣卷吸隨內(nèi)徑的增大而增強(qiáng)，火焰根部的駐留時(shí)間變短導(dǎo)致的。

圖6 火焰高度隨試樣內(nèi)徑的變化

2.3 火蔓延速率

用MATLAB程序處理得到火焰向上蔓延過(guò)程中熱解前鋒的位置，通過(guò)求解前鋒位置對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)得到向上的瞬時(shí)火蔓延速率，發(fā)現(xiàn)火蔓延速率的穩(wěn)定段和火焰長(zhǎng)度的穩(wěn)定段相近，對(duì)穩(wěn)定段求均值得到火焰的平均火蔓延速率定義為火蔓延速率(vf)?；鹇铀俾孰S試樣內(nèi)徑大小的變化情況，如圖7所示?？梢钥闯觯鹇铀俾孰S著試樣內(nèi)徑的增大呈現(xiàn)出單調(diào)增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谕葪l件下，試樣內(nèi)徑越大，燃燒過(guò)程中試樣內(nèi)部能夠卷吸的空氣越多，燃燒越劇烈。另外，隨著試樣內(nèi)徑的增大，輻射傳熱在總熱通量中的占比不斷增大，這使得火蔓延速率逐漸增大。

圖7 火蔓延速率隨試樣內(nèi)徑的變化

2.4 質(zhì)量損失速率

圖8 質(zhì)量損失速率隨試樣內(nèi)徑的變化

(1)

質(zhì)量損失速率增大可認(rèn)為是由2個(gè)原因?qū)е碌模壕砦鯕庠黾雍屯瑫r(shí)燃燒的燃料質(zhì)量增加。當(dāng)試樣內(nèi)徑增大時(shí)，試樣內(nèi)部的空氣卷吸增強(qiáng)，氧氣隨之增多導(dǎo)致火焰燃燒更加劇烈，火焰蔓延速度加快，從而導(dǎo)致質(zhì)量損失速率增加；而試樣內(nèi)徑增大導(dǎo)致試樣體積和表面積增大，導(dǎo)致同時(shí)燃燒的燃料質(zhì)量增加，導(dǎo)致質(zhì)量損失速率增加。

通過(guò)質(zhì)量損失速率可以求得熱釋放速率，計(jì)算公式如式(2)所示：

(2)

利用公式(2)計(jì)算得到的熱釋放速率與火蔓延速率的關(guān)系，如圖9所示。

由圖9可知，火蔓延速率與熱釋放速率呈現(xiàn)出較好的冪次關(guān)系，通過(guò)冪函數(shù)擬合得到火蔓延速率與熱釋放速率的關(guān)系如式(3)所示：

圖9 火蔓延速率隨熱釋放速率的變化

(3)

式中：vf為火蔓延速率，mm/s。

3 結(jié)論

1)由于受到劇烈的煙囪效應(yīng)和空氣卷吸的作用，中空結(jié)構(gòu)可燃物向上火蔓延速度極快，其火蔓延過(guò)程大致可以分為3個(gè)階段：①火焰發(fā)展階段；②穩(wěn)定蔓延階段；③火焰衰弱階段。在整個(gè)火蔓延過(guò)程中，對(duì)流換熱總是高于輻射傳熱，占據(jù)主導(dǎo)地位。

2)試樣內(nèi)徑在30～80 mm范圍時(shí)，平均火焰高度隨著試樣內(nèi)徑的增大呈現(xiàn)出先增大后略微減小的變化趨勢(shì)，火焰高度在試樣內(nèi)徑為70 mm時(shí)達(dá)到最大。

3)試樣內(nèi)徑在30～80 mm范圍時(shí)，火蔓延速率和質(zhì)量損失速率均隨著試樣內(nèi)徑的增大而單調(diào)增大。其中質(zhì)量損失速率與試樣內(nèi)徑呈線性關(guān)系。說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，中空結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑越大火災(zāi)危險(xiǎn)性越高。

4)試樣內(nèi)徑在30～80 mm范圍時(shí)，火蔓延速率隨熱釋放速率呈冪函數(shù)增長(zhǎng)。

5)將會(huì)通過(guò)進(jìn)一步的研究來(lái)討論試樣厚度、更大的試樣內(nèi)徑與厚度的耦合作用對(duì)中空結(jié)構(gòu)可燃物豎直向上火蔓延特征規(guī)律的影響機(jī)制。