朱 超,張 英,孫金華

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室,安徽合肥,230026)

試樣放置角度與外加輻射強度對可碳化固體表面火蔓延的影響

朱 超,張 英,孫金華

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室,安徽合肥,230026)

選取了尺寸為400mm×90mm×3mm質(zhì)地較為均勻的白木作為研究對象,對不同試樣放置角度和不同外加輻射強度作用下的火焰高度、火蔓延速率和失重速率等火蔓延參數(shù)進行了測量,以研究試樣放置角度和輻射強度對可炭化固體表面火蔓延的作用規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),試樣表面的火蔓延速率隨輻射強度的增加而增加。當角度在負角度范圍內(nèi)時,角度的變化對火蔓延速率的影響不大,當角度在正角度范圍內(nèi)時,火蔓延速率隨著角度的增加而迅速上升。試樣失重速率隨著輻射強度以及試樣放置角度的增加而增加。火焰高度會隨著外加輻射強度的增加而增加,并與試樣失重速率的0.4次方呈正比關(guān)系。

可碳化材料;輻射強度;試樣放置角度;火蔓延速度;失重速率;火焰高度

0 引言

固體可燃物表面火蔓延是火災(zāi)中常見的現(xiàn)象?？茖W(xué)地認識固體可燃物表面的燃燒機制和火蔓延機理是火災(zāi)科學(xué)研究的重要內(nèi)容。

火蔓延的過程是材料的物理傳熱與化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的過程,它不僅受到材料自身物化性質(zhì)的影響,也受到外加輻射強度、放置角度、風速、環(huán)境溫度等外界因素的制約。前人對火蔓延過程已經(jīng)進行了大量的研究工作[1-9]:de Ris[1]對火蔓延進行了理論和實驗研究,給出了半無限厚的熱薄型材料在逆流下的火蔓延模型;William s[2]對火蔓延的機理進行了研究,建立了燃料表面的熱平衡等式;Saito,Quintiere和William s[3]提出SQW模型,由此模型進一步可得到一個積分形式的火蔓延方程,其結(jié)果能很好的預(yù)測PMMA的火蔓延過程。A treya[4]在模型中引入碳化邊界層,通過假設(shè)氣相反應(yīng)為無限化學(xué)反應(yīng)速率以及熱解區(qū)域內(nèi)的碳化層表面溫度一致,給出了熱厚可碳化固體的火蔓延模型,該模型在邊界層流為拋物線型時成立。Quintiere[5]提出了對于餐巾等材料火蔓延過程與其試樣放置角度的關(guān)系。鄒祥輝[6]等分析了外界輻射強度對膠合板等材料表面火蔓延的影響。王海暉等[7]通過實驗確定了木條火蔓延與其豎直角度的關(guān)系。陳鵬等[8]詳細分析了試樣放置角度變化對木材表面火蔓延速率的影響。Zukoski[9]在總結(jié)大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出了火焰高度與熱釋放速率的關(guān)系。萬維等[10]提出了火蔓延速率與環(huán)境氧濃度的關(guān)系

目前尚未見輻射強度和試樣放置角度兩個因素共同作用于木材火蔓延過程的詳細報道。本文選用質(zhì)地較為均勻的白木為材料,在不同試樣放置角度以及不同外加輻射強度下進行了一系列實驗,分析了外加輻射強度和試樣放置角度對火蔓延的影響。得到了在試樣放置角度與外加輻射強度兩個因素作用下可碳化固體表面火蔓延速率、試樣失重速率、火焰平均高度的變化規(guī)律。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置的示意圖如圖1所示,整個實驗臺主要包括三個部分:燃燒風洞、試樣固定支架和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試樣固定支架放在燃燒風洞的測試段,以防止外界氣流的干擾并提供一個靜止的流場環(huán)境。測試段長1.5m,橫截面積為0.7m×0.7m的正方形。測試段頂部安裝有電加熱板,尺寸為500mm× 600mm×50mm,可以保證試樣所處空間熱流均勻一致。電加熱板的輻射功率可以通過調(diào)節(jié)電流來調(diào)節(jié)最大輻射功率為60kW/m2。實驗中為了觀察方便,在燃燒風洞的前側(cè)壁上安裝有一個玻璃窗,這樣可以用攝像機從側(cè)面記錄下火蔓延的過程,同時在風洞的開口處也放置一臺攝像機,從正面記錄下火蔓延過程中的火焰形態(tài)。試驗過程中將試樣固定在一個可以調(diào)整試樣放置角度的旋轉(zhuǎn)支架上(旋轉(zhuǎn)支架的實物圖如圖1.b所示)。旋轉(zhuǎn)支架放在一臺型號為LA 8200S的賽多利斯電子天平上,電子天平的量程為8200g,精度為0.01g。這樣可以實時精確地記錄下火蔓延過程中的試樣的質(zhì)量變化。

圖1 (a)實驗裝置示意圖,1.整流段、2.風機、3.測試段、4.觀察窗、5.樣品支架、6.攝像機、7.電腦、8.電子天平;單位(cm)(b)樣品支架實物圖。Fig.1 (a)Schematic of experiment setups(b)Actual picture of sam ple holder

1.2 實驗試樣

由于木材的條紋結(jié)構(gòu)導(dǎo)致木材的理化性質(zhì)存在著各向異性,例如平行于條紋方向的導(dǎo)熱系數(shù)約為垂直于條紋方向的兩倍,而透氣性的量級可相差1000倍,因此在燃燒表面下的木材熱解生成揮發(fā)份的溢出速率,順著條紋方向的表面要比垂直于條紋方向的表面要快得多,這樣就會導(dǎo)致火蔓延特性也存在著各向異性。因此,實驗中選取質(zhì)地較為均勻的白木作為研究對象,樣品選取時保證試樣表面光滑平整無缺陷,并保證火蔓延方向與木紋方向一致。試樣長40cm,厚0.3cm,寬9cm。為便于測量火蔓延速率,在試樣上每隔2cm畫一個刻度,標上相應(yīng)數(shù)字。在火蔓延過程中,樣品表面會熱解變黑,可以認為試樣上表面顏色變化速度就是火蔓延速度。然后將畫好刻度的試樣放置在恒溫箱中烘干48h以上,以降低木材含水率對火蔓延的影響。最后將干燥之后的樣品從恒溫箱中取出,用保鮮膜包裹起來,冷卻放置一段時間直至樣品的溫度恢復(fù)至環(huán)境溫度。在實驗開始之前將試樣固定在試樣支架上。實驗開始時,采用線性點火器從樣品的一端點燃,之后移開點火器。如果火蔓延距離小于6cm,則認為火蔓延過程不能維持。

1.3 實驗方法與條件

為了研究試樣放置角度對火蔓延過程的影響,開展了一系列不同輻射強度和放置角度的實驗。本實驗的過程和方法如下:實驗前先把輻射板預(yù)熱二十分鐘使之達到穩(wěn)定狀態(tài)。每組實驗前用隔板擋住試樣,以防止輻射板對試樣的預(yù)熱作用,實驗開始并點火成功后再移開隔板。規(guī)定豎直向上的表面火蔓延為90°,使之向下的表面火蔓延為-90°。樣品的角度范圍從-30°變化至20°,角度間隔為10°;熱流計測得試樣表面接受到輻射強度為0,1.5 kW/m2, 3.0 kW/m2,4.0 kW/m2;實驗環(huán)境溫度為:22℃～28℃;相對濕度為:50%～70%。

2. 實驗結(jié)果及分析

2.1 火蔓延速率的比較

火蔓延速率是表征固體可燃物表面火蔓延行為的重要參數(shù)。本文討論的火蔓延速率是指火焰蔓延的距離除以蔓延時間。如果在某種條件下火蔓延距離小于6cm即熄滅,則認為火蔓延不能維持,對于逆流火蔓延或者沒有強迫對流的水平火蔓延來說,固體可燃物表面火蔓延速度一般定義為火蔓延前鋒相對于試樣表面的移動速度。

圖2a至圖2d是不同輻射強度下火焰前鋒位置與時間的關(guān)系:

圖2 不同輻射強度下火焰前鋒位置與時間的關(guān)系:(a)0kW/m2、(b)1.5kW/m2、(c)3.0kW/m2、(d)4.0kW/m2Fig.2 Plot of flame fron t location with time under differen t external radian t in tensity: (a)0kW/m2、(b)1.5kW/m2、(c)3.0kW/m2、(d)4.0kW/m2

從圖2可以看出,試樣的火蔓延速率都隨著試樣傾斜角度的變大而加快,受輻射強度影響不大,因為隨著傾角的增大,上表面火焰與試樣上表面夾角變小,增加了氣相火焰對固體表面的輻射傳熱和對流傳熱,使得試樣熱解加快,熱解出來的氣體對燃燒有加強作用,從而加快了火蔓延速率。

通過對火蔓延的位置時間曲線進行線性擬合,得到的斜率值即為火蔓延平均速率,圖3是各個輻射強度下火蔓延平均速率與角度的關(guān)系:

從圖3可以明看出,隨著輻射強度的增加,平均火蔓延速率總體呈增加的趨勢。這是因為外加輻射促進了試樣的熱解,從而加強燃燒。從圖中還可以看出,各個輻射強度下負角度范圍內(nèi)火蔓延速率趨近一個常數(shù)。這是因為在負角度范圍內(nèi)的火蔓延,氣相火焰對試樣的加熱有限,而外加輻射源對試樣火蔓延的起到了主導(dǎo)作用。所以同一輻射強度下,負角度范圍內(nèi)的火蔓延速率趨近于一個常數(shù)。

在正角度時,由于氣相火焰對固體試樣的熱輻射和對流傳熱將隨著試樣放置角度的增加而增加,所以火蔓延速率隨著角度的增加快速上升。隨著角度的增加,火焰逐漸貼近試樣表面。試樣表面熱流的主要來源從外加輻射變成火焰對其的傳熱,火焰與試樣表面的角度成了主要控制因素。陳鵬等[8]研究認為,當試樣放置角度在-30°到0°之間時,火蔓延速度總體來說會隨著角度的增加而增加過程,但增加幅度不大。

圖3 各個輻射強度下火蔓延平均速率與角度的關(guān)系Fig.3 Plot of flame spread velocity with sample orientation under different external radiant intensity

2.2 試樣失重速率的比較

試樣的熱解速率是燃燒過程中的一個重要指標,熱解速率對于火蔓延的發(fā)生維持均起著關(guān)鍵的作用。而通過研究材料的失重速率和熱解特征,從而進一步研究外部參數(shù)對該燃燒過程的影響。

圖4.a至圖4.d為試樣在不同輻射強度和不同放置角度下的失重速率:

從圖4中看出,在同一輻射強度下隨著角度的增加,試樣的失重速率增加。原因和火蔓延速率增加的原因相同。通過對試樣失重時間曲線進行線性擬合,得到的曲線斜率即為試樣的失重速率。圖5為不同試樣放置角度下,試樣失重速率與外加輻射強度的關(guān)系曲線:

圖4 不同輻射強度下試樣失重與時間的關(guān)系:(a)0kW/m2、(b)1.5kW/m2、(c)3.0kW/m2、(d)4.0kW/m2Fig.4 Plot of mass loss rate of samples with time under different external radiant intensity: (a)0kW/m2、(b)1.5kW/m2、(c)3.0kW/m2、(d)4.0kW/m2

從圖5中可以看出,隨著輻射強度的增加,試樣平均失重速率總體呈增加的趨勢。而在同一個輻射強度下,在負角度范圍內(nèi)時試樣失重速率增加不明顯,而在正角度范圍內(nèi)時試樣失重速率隨著角度的增加迅速增加。

2.3 不同外部輻射熱流下火焰高度比較

在實際火災(zāi)中,火焰溫度高達千度以上,它到達的地方會造成人員傷亡和財產(chǎn)損失,而且由于它本身可以發(fā)出大量的熱輻射,引燃其它可燃物,加熱不可燃物使之可燃,所以研究火焰的輻射特性具有很強的現(xiàn)實意義。在理論上,要研究火焰的輻射性質(zhì)必須先知道火焰的高度變化規(guī)律。通過將拍攝的火蔓延視頻導(dǎo)入Adobe Premier將其離散成圖片,然后將火焰穩(wěn)定傳播一段時間的圖片導(dǎo)入M atlab,編寫程序處理之后可以得到不同外部輻射強度條件下,0°角時火焰高度的數(shù)據(jù)。圖6.a至圖6.d為各個輻射條件下0°角時火焰高度的數(shù)據(jù)的曲線。

圖5 不同角度下試樣失重速率與外加輻射強度的關(guān)系曲線Fig.5 Plot of mass loss rate of samples with external radiation

從圖6中可以看出,隨著輻射強度的增大,火焰高度逐漸變高。這是由于輻射加熱空氣,使空氣溫度變高,使燃燒區(qū)域增大。同時各個輻射強度下火焰高度均隨著時間呈現(xiàn)出波動的變化特征。造成這種現(xiàn)象的原因是火焰的振蕩。這種振蕩主要是由于火羽流與周圍空氣之間的邊界層不穩(wěn)定性造成的。研究表明,浮力羽流的火焰不穩(wěn)定性正相關(guān)與火焰的浮升力。輻射強度與平均火焰高度關(guān)系如圖7所示。

Zukoski[9]認為,火焰高度L和熱釋放速率中對流部分所占的量Qc的0.4次方具有線性關(guān)系。為了簡化分析,我們認為試樣白木的熱值是一定的,于是得到熱釋放速率Q與試樣失重速率m,成正比。由于在不同輻射強度下火焰溫度和環(huán)境溫度變化均不大,可以認為對流部分所占的量的比例Qc/Q近似為一個常數(shù)。經(jīng)過以上假設(shè),可以得到火焰高度L與質(zhì)量損失速率m′,呈0.4次方的關(guān)系。圖8是實驗結(jié)果與Zukoski的結(jié)論的比較,可以發(fā)現(xiàn)兩者非常相近。

圖6 不同輻射強度下水平放置試樣條件下火焰高度與時間的關(guān)系: (a)0kW/m2、(b)1.5kW/m2、(c)3.0kW/m2、(d)4.0kW/m2Fig.6 Plot of horizon tal flame height with time under different external radian t intensity: (a)0kW/m2、(b)1.5kW/m2、(c)3.0kW/m2、(d)4.0kW/m2

3 結(jié)論

分別在0、1.5kW/m2、3.0kW/m2、4.0kW/m2四種外加輻射強度下,不同放置角度下火焰前鋒位置、試樣質(zhì)量隨時間的變化關(guān)系,通過理論和實驗分析得到如下結(jié)論:

(1)當試樣放置角度和輻射強度的增大時,試樣表面火蔓延速率均增大。在試樣放置角度在負角度范圍內(nèi)時,火蔓延速率隨著角度的增加變化不明顯;當試樣放置角度在正角度范圍內(nèi)時,火蔓延速率隨著角度的增加而迅速增加。

(2)試樣失重速率會隨著試樣放置角度和輻射強度的增大而增大。其隨著試樣放置角度變化的規(guī)律與試樣表面火蔓延速率隨著試樣放置角度變化的規(guī)律相似。

圖7 輻射強度與平均火焰高度的關(guān)系Fig.7 Plot of average flame height with external radiant intensity

圖8 火焰高度與失重速率關(guān)系曲線Fig.8 Plot of average flame height with mass loss rate of samples

(3)當試樣放置角度為零時,火焰平均高度隨著外加輻射強度的增加而增加,火焰高度L與試樣失重速率m′呈0.4次方的關(guān)系。

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Fire spread over charring materials: Influence of the sample orien tation and external radian t in tensity

ZHU Chao,ZHANG Ying,SUN Jin-hua
(State Key Laboratory of Fire Science,University of Science and Technology of China,Anhui Hefei,230026,China)

In this paper,w hitewood sheets in size 400mm×90mm×3mm have been selected as the typical charring material,in order to explore the characteristics of the flame spread under different circum stances,especially with different external radiant intensities and different anglesof orientation.Wemeasured the flame spread rate on the surface of the sample,the weight loss rate of the sample and the flame height.Results show that the flame spread rate increases as the external radiant intensity and the angle of o rientation increase.For the negative angles,the increase of the angle only results in a slight increase of the flame spread rate,w hile fo r the positive angles,the increase of the angle results in a great increaseof the flame spread rate.Similarly w ith the flame spread rate,the weight loss rate of the sample increasesas the external radiant intensity and the angleof orientation increase aswell.With the external radiant intensity added,the flame heightwould increase.The relation between themass loss rate of the sample and the flame height is similar w ith that proposed by Zukoski.

Charring material;External radiant intensity;Angle of orientation;Flame spread velocity;Weight loss rate; Flame height

book=92,ebook=92

X928

A

1004-5309(2010)-0232-07

2010-06-09;修改日期:2010-06-27

朱超(1988-),男,湖北武漢人,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程系07級本科生,研究方向為可碳化固體表面的火蔓延規(guī)律研究。