感煙火災(zāi)探測(cè)器的木材熱解陰燃火試驗(yàn)?zāi)M研究

張 培

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 201114）

引言

一般室內(nèi)火災(zāi)是指建筑物內(nèi)普通房間大小的受限空間，根據(jù)室內(nèi)火災(zāi)溫度隨時(shí)間變化的特點(diǎn)，室內(nèi)火災(zāi)的發(fā)展過(guò)程分為三個(gè)階段,即初期增長(zhǎng)階段、充分發(fā)展階段、減弱階段。在火災(zāi)的初期階段，一般是發(fā)生的15 min內(nèi)，著火點(diǎn)處局部溫度較高，燃燒面積不大，受可燃物性能、堆放和通風(fēng)散熱等條件影響，氧氣不足、溫度較低或濕度較大，固體物質(zhì)發(fā)生只冒煙而無(wú)火焰的熱解燃燒，室內(nèi)各點(diǎn)的溫度不平衡，多處于陰燃階段，燃燒發(fā)展比較緩慢，有可能形成火災(zāi)，也有可能中途自行熄滅，燃燒發(fā)展不穩(wěn)定。感煙火災(zāi)探測(cè)器就是利用火災(zāi)初期特征以煙霧為探測(cè)對(duì)象，將探測(cè)部位煙霧濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

PyroSim 被用來(lái)建立消防模擬，為火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬（FDS即Fire Dynamics Simulator）提供了一個(gè)圖形用戶界面，軟件可以模擬的火災(zāi)范圍很廣，包括日常爐火，房間，接電設(shè)備引起的各種火災(zāi)形式。它以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）為依據(jù)，把設(shè)定空間分成多個(gè)小的三維矩形控制體或計(jì)算單元，計(jì)算每個(gè)單元內(nèi)氣體密度，速度，溫度，壓力和組分濃度用質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒的偏微分方程來(lái)近似有限差分，通過(guò)對(duì)同一網(wǎng)格使用有限體積技術(shù)來(lái)計(jì)算熱輻射、流體流動(dòng)中存在湍流現(xiàn)象，追蹤預(yù)測(cè)火災(zāi)氣體的產(chǎn)生和移動(dòng)，并結(jié)合家具、墻壁、地板和頂棚的材料特性來(lái)計(jì)算火災(zāi)的增長(zhǎng)和蔓延，準(zhǔn)確地模擬預(yù)測(cè)火災(zāi)煙氣流動(dòng)、火災(zāi)溫度和有毒有害氣體濃度分布等情況。FDS處理湍流流動(dòng)有兩種方法，即大渦模擬(LES)方法和直接數(shù)值模擬(DNS)方法，LES直接求解表征流體流動(dòng)特性的含能大渦，而對(duì)隨機(jī)性較強(qiáng)的耗散小渦則采用亞網(wǎng)格模型進(jìn)行模擬，模擬求解后可獲得相關(guān)測(cè)量點(diǎn)處溫度、CO濃度、能見(jiàn)度、光學(xué)密度等一系列數(shù)據(jù)。

為了測(cè)試感煙火災(zāi)探測(cè)器對(duì)火災(zāi)的靈敏度，需要進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，影響燃燒過(guò)程煙濃度的因素很多，例如環(huán)境溫度、濕度、加熱盤(pán)等，真實(shí)試驗(yàn)很難分析單一因素對(duì)煙濃度的影響，通過(guò)PyroSim使用LES模擬木材熱解陰燃火，改變?nèi)紵囼?yàn)條件，來(lái)分析不同試驗(yàn)因素對(duì)木材熱解陰燃火煙霧濃度的影響，實(shí)現(xiàn)不同試驗(yàn)條件時(shí)煙濃度控制在標(biāo)準(zhǔn)要求判定范圍內(nèi)。

1 模擬燃燒試驗(yàn)室內(nèi)木材熱解陰燃火

木材的主要成分是碳（50 %）、氫（6.4 %）和氧（42.6 %）元素，還有少量的氮（0.01～0.2 %）和其他元素（0.8～0.9 %），但不含有其它燃料中常有的硫。山毛櫸木材受熱后，水分先蒸發(fā)，加熱到150 ℃時(shí)開(kāi)始微弱分解出水和二氧化碳；溫度升高到200 ℃以上，逐漸分解木材的主要成分纖維素，產(chǎn)生大量一氧化碳、氫和碳?xì)浠衔铮?50～280 ℃劇烈分解，得到熱分解剩余物30～38 %的碳。火災(zāi)初期，山毛櫸木材處于隨燃熱解階段，固體物質(zhì)發(fā)生只冒煙而無(wú)火焰的燃燒，形成大量的微小固體碳顆粒，產(chǎn)生大量煙霧。一般來(lái)說(shuō)，固體燃料的燃燒涉及無(wú)數(shù)的基本化學(xué)反應(yīng)，但最簡(jiǎn)單的模型可以用兩步化學(xué)反應(yīng)來(lái)近似化學(xué)反應(yīng)過(guò)程：熱解（方程 （1）），然后氧化（方程 （2）或（ 3））[1]。

熱解：

氧化：

或者：

應(yīng)用PyroSim大渦模擬技術(shù)模擬一般室內(nèi)火災(zāi)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 4715【2】，建立長(zhǎng)10 m寬7 m高4 m的燃燒試驗(yàn)室，頂棚為水平平面，試驗(yàn)火點(diǎn)火前試驗(yàn)室內(nèi)無(wú)氣流流動(dòng)，火源設(shè)在地面中心處，探測(cè)器和測(cè)量?jī)x器安裝在以頂棚中心為圓心、半徑3 m、圓心角60 °的圓弧上。10根75 mm×25 mm×20 mm的山毛櫸木棍，呈放射狀放置于加熱盤(pán)上，加熱盤(pán)直徑220 mm，在11 min內(nèi)升到600 ℃并保持穩(wěn)定，m（減光系數(shù)）=2 dB/m結(jié)束試驗(yàn)。

PyroSim模擬中設(shè)置山毛櫸木化學(xué)式C3.4H6.2O2.5，臨界火焰溫度1427.0 ℃，煙霧生成率0.12，模擬網(wǎng)格密度60×45×25，ramp-up time t2660 s（11 min）[1]，計(jì)算時(shí)間900 s。 模擬結(jié)束后，Smokeview三維視圖如圖1所示，可以看到，150 s時(shí)已輕微產(chǎn)生煙霧，到660 s已產(chǎn)生大量煙霧，在燃燒室內(nèi)煙氣以浮力羽流形式垂直升起，成V字形，到達(dá)天花板后向外擴(kuò)散，再向下蔓延，逐漸充滿整個(gè)房間。

圖1 0 s、150 s、300 s、660 s、840 s、900 s時(shí)模擬燃燒試驗(yàn)室內(nèi)木材熱解陰燃火3D視圖

2 模擬數(shù)據(jù)與木材熱解陰燃火試驗(yàn)測(cè)量曲線

燃燒試驗(yàn)室內(nèi)用光學(xué)密度計(jì)測(cè)量山毛櫸木材熱解陰燃火煙濃度，光學(xué)密度計(jì)安裝在以燃燒實(shí)驗(yàn)室頂棚中心為圓心、半徑為3 m、圓心角為60 °的圓弧上，光束的中線位于頂棚以下0.15 m，測(cè)量光束長(zhǎng)度1 m。光學(xué)密度計(jì)利用光束受煙粒子作用后，光輻射能按指數(shù)規(guī)律衰減的原理測(cè)量煙濃度，用減光系數(shù)m值（單位為dB/m）表示。

減光系數(shù)用下式表示：

式中：

m—減光系數(shù)，dBm-1；

d—試驗(yàn)煙的光學(xué)測(cè)量長(zhǎng)度，m；

P0—無(wú)煙時(shí)接收的輻射功率，W；

P—有煙時(shí)接收的輻射功率，W。

PyroSim中創(chuàng)建氣相監(jiān)測(cè)設(shè)備，在8.00 m×3.50 m×3.85 m處創(chuàng)建煙霧監(jiān)測(cè)設(shè)備，與光學(xué)密度計(jì)在燃燒試驗(yàn)室的高度相同，用光密度optical density（OD）表示，

式中：

I0-無(wú)煙時(shí)光強(qiáng)度，

I -有煙時(shí)光強(qiáng)度。

根據(jù)公式（4）、（5）得出m=10*OD，如圖2所示，PyroSim模擬煙濃度與光學(xué)密度計(jì)測(cè)量煙濃度基本吻合。

圖2 PyroSim模擬煙濃度與光學(xué)密度計(jì)測(cè)量煙濃度

在PyroSim模型中，分別在4.00 m、3.90 m、3.85 m、3.80 m、3.70 m高度（即天花板以下0.00 m、0.10 m、0.15 m、0.20 m、0.30 m）位置創(chuàng)建氣相監(jiān)測(cè)設(shè)備，煙濃度隨時(shí)間增加曲線如圖3所示，4.00 m、3.90 m、3.85 m高度位置的煙濃度曲線重合了，3.80 m、3.70 m高度位置的煙濃度曲線重合了，這是由于模擬網(wǎng)格設(shè)置原因沒(méi)能區(qū)分出煙濃度數(shù)據(jù)。但是從圖3仍可看出，煙霧垂直擴(kuò)散到天花板后，4.00 m、3.90 m、3.85 m高度處煙濃度普遍比3.80 m、3.70 m處煙濃度大，平均偏差0.0096 /m，最大偏差0.04 /m。為了檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，檢測(cè)樣品的進(jìn)煙部位最好與光學(xué)煙霧密度計(jì)處于同等高度，如安裝時(shí)出現(xiàn)偏差，檢測(cè)樣品與光學(xué)煙霧密度計(jì)位置高度不能，那么按照BS EN 54-7[3]標(biāo)準(zhǔn)要求，檢測(cè)樣品與光學(xué)煙霧密度計(jì)同處于天花板以下0.30 m高度內(nèi)，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)煙濃度曲線，煙霧濃度偏差在準(zhǔn)許誤差范圍內(nèi)。

圖3 4.00 m、3.90 m、3.85 m、3.80 m、3.70 m高度煙濃度

3 不同試驗(yàn)條件模擬結(jié)果分析

3.1 加熱盤(pán)加熱時(shí)間與最高溫度對(duì)煙霧濃度的影響

設(shè)置 ramp-up time t2為 330 s、440 s、660 s、900 s，致使不同加熱時(shí)間達(dá)到同一溫度600 ℃，在3.85 m高度（即天花板以下0.15 m）設(shè)置煙霧監(jiān)測(cè)設(shè)備，煙濃度如圖4所示，在900 s的模擬階段，加熱盤(pán)加熱到600 ℃所用時(shí)間越短，煙濃度曲線越陡峭，330 s和440 s加熱時(shí)間下煙濃度曲線在770 s后趨于重合，660 s、900 s加熱時(shí)間下煙濃度曲線更平緩，330 s、900 s加熱時(shí)間下煙濃度曲線已經(jīng)超出GB 4715標(biāo)準(zhǔn)要求m與試驗(yàn)時(shí)間比值關(guān)系范圍，440 s加熱時(shí)間下煙濃度曲線基本在上限要求附近，實(shí)際燃燒試驗(yàn)過(guò)程中，加熱時(shí)間建議設(shè)置為不小于440 s，900 s加熱時(shí)間下煙濃度曲線已經(jīng)超出要求下限，燃燒試驗(yàn)過(guò)程中加熱時(shí)間不應(yīng)大于900 s，加熱時(shí)間最大值可設(shè)在660 s附近。

設(shè)置ramp-up time t2為660 s，相同的加熱時(shí)間加熱到不同溫度600.0 ℃、700.0 ℃、888.5 ℃，煙濃度如圖5所示，相同試驗(yàn)時(shí)間時(shí)，加熱盤(pán)設(shè)置的溫度越高煙霧濃度越低，當(dāng)加熱盤(pán)溫度設(shè)定為888.5 ℃時(shí)，煙濃度曲線會(huì)超出標(biāo)準(zhǔn)要求下限，650 s試驗(yàn)時(shí)間后煙濃度明顯超出下限，實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加熱盤(pán)溫度不宜太高，按標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置為600 ℃最為合適。

圖5 相同的加熱時(shí)間660 s加熱到不同溫度600.0 ℃、700.0 ℃、888.5 ℃下煙濃度

根據(jù)靜態(tài)加熱公式（4），在相同質(zhì)量材質(zhì)下，功率受加熱時(shí)間和升高溫度影響，

式中：

P—介質(zhì)升溫所需功率（kW）；

C—介質(zhì)比熱（kcal/kg℃）；

M—介質(zhì)重量（kg）；

ΔT—溫升（℃）；

t—加熱時(shí)間（s）。

根據(jù)公式（6）可以計(jì)算得出一定加熱時(shí)間和升高溫度所需的功率。選擇額定功率為3 kW的加熱盤(pán)，設(shè)定440 s升溫至600 ℃，則煙濃度比額定功率2 kW、660 s升溫至600 ℃煙濃度大，已經(jīng)到達(dá)要求上限，模擬煙濃度曲線如圖4所示。使用加大額定功率加熱盤(pán)，通過(guò)設(shè)定加熱時(shí)間和升高溫度來(lái)調(diào)節(jié)煙濃度大小。

圖4 不同加熱時(shí)間加熱到600 ℃時(shí)煙濃度與時(shí)間曲線

3.2 環(huán)境溫度對(duì)煙霧濃度的影響

設(shè)置加熱盤(pán)加熱時(shí)間分別為440 s、660 s，均加熱到600 ℃，改變?nèi)紵囼?yàn)室初始環(huán)境溫度，分別為18 ℃、23 ℃、25 ℃，相對(duì)濕度均為50 %，煙濃度隨時(shí)間曲線如圖6所示，加熱時(shí)間分別為440 s、660 s時(shí)，均顯示出較低環(huán)境溫度18 ℃狀態(tài)下煙濃度曲線更穩(wěn)定平緩。熱時(shí)間為660 s，23 ℃、25 ℃環(huán)境溫度時(shí)，750 s后煙濃度明顯低于18 ℃環(huán)境溫度下的煙濃度，且煙濃度出現(xiàn)波動(dòng)。熱時(shí)間為440 s情況下，23 ℃環(huán)境溫度時(shí)660 s后煙濃度大幅度降低，28 ℃環(huán)境溫度時(shí)750 s后煙濃度大幅度降低。越短加熱時(shí)間煙濃度受初始環(huán)境溫度影響越大，煙濃度下降越多，故燃燒試驗(yàn)可在較低初始環(huán)境溫度下進(jìn)行。

圖6 環(huán)境溫度18 ℃、23 ℃、25 ℃時(shí)煙濃度

即使受環(huán)境溫度影響煙濃度有變化，但是煙濃度均沒(méi)有超出上限和下限，且在光學(xué)密度0.2 /m以下受環(huán)境溫度影響較小，所以環(huán)境溫度對(duì)樣品測(cè)試區(qū)間內(nèi)煙濃度影響可忽略。

3.3 環(huán)境濕度對(duì)煙霧濃度的影響

設(shè)置加熱盤(pán)加熱時(shí)間分別為440 s、660 s，均加熱到600 ℃，燃燒試驗(yàn)室初始環(huán)境溫度23 ℃，改變初始環(huán)境濕度，分別為25 %、50 %、75 %，煙濃度隨時(shí)間曲線如圖7所示，加熱時(shí)間分別為440 s、660 s時(shí)，在較低環(huán)境濕度25 %狀態(tài)下煙濃度曲線更穩(wěn)定平緩，且440 s加熱時(shí)間比660 s加熱時(shí)間煙濃度受初始環(huán)境濕度影響大，煙濃度下降更大。在熱時(shí)間為660 s，50 %、75 %環(huán)境濕度時(shí)，730 s后煙濃度明顯低于25 %環(huán)境濕度下的煙濃度，且75 %環(huán)境濕度下煙濃度出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，已經(jīng)超出標(biāo)準(zhǔn)要求下限。加熱時(shí)間440 s情況下，50 %環(huán)境濕度時(shí)650 s后煙濃度比25 %環(huán)境濕度下煙濃度大幅度降低，而75 %環(huán)境濕度時(shí)煙濃度大幅度降低時(shí)間點(diǎn)較50 %環(huán)境濕度時(shí)提前，在620 s后煙濃度大幅度降低。越短加熱時(shí)間煙濃度受初始環(huán)境濕度影響越大，煙濃度下降越多，但在較短加熱時(shí)間時(shí)，由于煙濃度比較高，即使高初始環(huán)境濕度下煙濃度在后段試驗(yàn)時(shí)間出現(xiàn)大幅降低，煙濃度不容易超出下限。相對(duì)較長(zhǎng)加熱時(shí)間情況下，由于較高初始環(huán)境濕度導(dǎo)致的煙濃度降低，煙濃度容易超出下限。故燃燒試驗(yàn)可在較低初始環(huán)境濕度下進(jìn)行，如果試驗(yàn)當(dāng)天環(huán)境濕度較高，可縮短加熱時(shí)間來(lái)調(diào)整煙濃度曲線。

圖7 環(huán)境濕度25 %、50 %、75 %時(shí)煙濃度

440 s加熱時(shí)間情況下，初始環(huán)境濕度影響的煙濃度下降時(shí)的煙濃度均在0.2 /m以上，已經(jīng)超出標(biāo)準(zhǔn)要求的樣品測(cè)試區(qū)間，可認(rèn)為在標(biāo)準(zhǔn)要求的樣品測(cè)試區(qū)間，環(huán)境濕度沒(méi)影響；660 s加熱時(shí)間情況下，接近0. 2 /m煙濃度時(shí)，高環(huán)境濕度下煙濃度下降超出了下限，對(duì)報(bào)警煙濃度設(shè)置在0.2 /m的樣品有一定影響，可縮短加熱時(shí)間來(lái)適當(dāng)提高煙濃度。

4 結(jié)論

根據(jù)PyroSim模擬分析影響因素，天花板以下0.30 m范圍內(nèi)煙濃度平均偏差0.009 6 /m，最大偏差為0.04 /m，試驗(yàn)測(cè)量?jī)x器和樣品安裝在此區(qū)域內(nèi)不同位置產(chǎn)生的測(cè)試差異可忽略。使用較大額定功率加熱盤(pán)，通過(guò)設(shè)定加熱時(shí)間和升高溫度來(lái)調(diào)節(jié)煙濃度大小，縮短加熱時(shí)間能加大煙濃度，但是宜不小于440 s；升高的溫度越高煙濃度越低。環(huán)境溫度升高煙濃度降低，但在光學(xué)密度0.2 /m以下煙濃度曲線偏差較小，受環(huán)境溫度影響不大，所以環(huán)境溫度對(duì)樣品測(cè)試區(qū)間內(nèi)煙濃度影響可忽略。環(huán)境濕度越大煙濃度越小，0.2 /m以下煙濃度差異不大，接近0.2 /m煙濃度時(shí)，高環(huán)境濕度下煙濃度超出了下限，可通過(guò)縮短加熱時(shí)間來(lái)適當(dāng)提高煙濃度。試驗(yàn)宜在涼爽干燥晴朗的天氣進(jìn)行，高溫高濕天氣可通過(guò)大功率加熱盤(pán)縮短加熱時(shí)間來(lái)加速升煙，以獲得合適的煙濃度。