王 潔，潘楊月，鄭 榮，陸 松

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 武漢, 430081；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室, 合肥, 230026)

飛機貨艙低氣壓環(huán)境對火災(zāi)探測參量影響研究

王 潔1,2*，潘楊月1，鄭 榮2，陸 松2

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 武漢, 430081；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室, 合肥, 230026)

旨在為飛機貨艙火災(zāi)探測系統(tǒng)設(shè)計和研制提供理論支撐，在飛機貨艙環(huán)境模擬實驗艙內(nèi)開展了70 kPa、80 kPa、 90 kPa和100 kPa下正庚烷火災(zāi)實驗，分析了低氣壓環(huán)境對頂棚溫度、煙氣密度和氣體濃度火災(zāi)探測參量的影響規(guī)律。低壓下空氣密度較小，卷吸系數(shù)減小，導(dǎo)致頂棚最高溫升增加，頂棚溫度衰減變快。同時，低壓下煙氣密度降低，并與壓力呈指數(shù)關(guān)系，指數(shù)系數(shù)約為0.946，擴展了前人研究結(jié)果的應(yīng)用范圍。CO濃度最大值隨壓力降低而增加，且CO增長速率與壓力呈負指數(shù)關(guān)系。CO2增長速率隨著壓力降低而略有減小。

飛機貨艙；低氣壓環(huán)境；火災(zāi)探測；頂棚溫度；煙氣密度

0 引言

飛機貨艙火災(zāi)如果得不到有效控制，可能導(dǎo)致飛機發(fā)生災(zāi)難性的安全事故，造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。飛機貨艙火災(zāi)探測是預(yù)防飛機火災(zāi)事故的關(guān)鍵。飛機貨艙內(nèi)壓力隨著飛行高度增加而下降，其中，民航客機在巡航高度10000 m時，貨艙壓力約為80 kPa。前人研究[1]表明低氣壓環(huán)境會延遲火災(zāi)煙霧探測器響應(yīng)時間，甚至使其不能給出火警信號。同時，壓力降低的過程中，水霧會形成，也會造成煙霧探測器的誤報[2]。

環(huán)境壓力對燃燒的影響得到了一些學(xué)者的關(guān)注[3-7]。研究[3,4]發(fā)現(xiàn)燃料質(zhì)量損失速率隨壓力降低而減小，呈指數(shù)關(guān)系，并與火源尺寸有關(guān)。Li，Yao，Niu等學(xué)者[4-6]發(fā)現(xiàn)低壓下火焰高度增加，并探討建立統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表征模型。高壓燃燒室實驗結(jié)果表明煙顆粒濃度與環(huán)境壓力有很強的依賴關(guān)系[7]。因此，低氣壓環(huán)境下腔室內(nèi)煙氣運動可能會與常壓情況下煙氣分布不同。相應(yīng)地，頂棚處火災(zāi)探測參量也會隨著壓力變化而改變。但是，前人研究大多關(guān)注于低氣壓環(huán)境對火焰溫度及高度的影響，并通過在高壓低壓環(huán)境中開展大量實驗，建立相關(guān)火焰溫度及高度表征模型。而關(guān)于低氣壓環(huán)境下火災(zāi)探測參量變化規(guī)律的研究非常少。因此，旨在為飛機貨艙火災(zāi)探測系統(tǒng)設(shè)計和研制提供理論基礎(chǔ)，探討低氣壓環(huán)境對火災(zāi)探測參量(煙氣溫度、煙氣密度、氣體濃度)的影響具有實際應(yīng)用意義。

1 實驗設(shè)計

實驗在一個全尺寸飛機貨艙環(huán)境模擬艙內(nèi)完成。整個實驗過程中，模擬艙內(nèi)壓力可以維持在設(shè)定值。該實驗艙由主體腔室、壓力控制系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和其他配套系統(tǒng)(如照明和監(jiān)視系統(tǒng))構(gòu)成。主體腔室是一個具有弧形壁面的扁平柱體，如圖1，壁面為8 mm不銹鋼板。腔室內(nèi)部尺寸為長467.0 cm、高112.0 cm、底部寬122 cm、頂部寬300 cm，與波音737-700前貨艙尺寸相同。前后壁面裝有抗高壓矩形門，門上面開有矩形鋼化玻璃觀察窗。左右弧形側(cè)壁上也設(shè)有兩個矩形鋼化玻璃觀察窗，便于實驗人員直觀觀察內(nèi)部實驗情況。實驗艙內(nèi)壓力由真空泵及其配套控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)。在進行低氣壓環(huán)境火災(zāi)實驗前，先啟動壓力控制系統(tǒng)，真空泵以設(shè)定的速率將腔室抽成設(shè)定的低壓環(huán)境。整個實驗過程中，壓力控制系統(tǒng)會使艙體內(nèi)部維持在設(shè)定壓力，上下浮動不超過3%。壓力調(diào)節(jié)范圍為70 kPa～100 kPa。本研究中壓力分別設(shè)定為100 kPa、90 kPa、80 kPa、70 kPa，對應(yīng)真實飛機在海平面和巡航高度(約為10000 m)下的貨艙內(nèi)壓力。

圖1 實驗裝置示意圖(單位：mm)Fig.1 Schematic diagram of experiment setup

根據(jù)火災(zāi)探測器檢測標準[8,9]，本文燃料選用正庚烷?？紤]到本文研究內(nèi)容服務(wù)于飛機貨艙火災(zāi)探測系統(tǒng)，探測器所監(jiān)測的煙氣特征參量不會過大，同時參考前人研究[10]中火源設(shè)計，本文實驗采用的油盤均為小尺寸，位于腔室地板中心，如圖1所示。油盤由3 mm厚鋼板制成，內(nèi)部深30 mm。油盤尺寸分別為12 cm×12 cm (D12)、10 cm×10 cm (D10)、8 cm×8 cm (D8)、6 cm×6 cm (D6)，每次實驗中液體高度均為10 mm。采用精度為0.01 g的電子天平測量燃料質(zhì)量損失，測量記錄時間間隔為1 s。由于底部放置電子天平，火源初始高度為7 cm。貨艙頂棚布置9根熱電偶(TC-1～TC-9)，水平間距均為0.55 m。所有熱電偶均為精度±1%直徑1 mm的K型熱電偶。四種氣體傳感器安裝在頂棚Y軸1.20 m處，分別測量腔室內(nèi)四種濃度，測量精度分別為±3%、±3%、±1%、±2%。一組激光發(fā)射裝置放置在靠近熱電偶束，激光路徑為1 m。最初環(huán)境溫度和相對濕度分別為23℃～25℃和67%～69 %。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 頂棚溫度分布

頂棚最高溫升是穩(wěn)定階段350 s～450 s內(nèi)實驗測得穩(wěn)定的平均值。圖2是不同壓力下頂棚最高溫升。從圖2中可以看出，頂棚最高溫升隨著壓力的降低而增加，變化區(qū)域與火源質(zhì)量損失速率相反。前人[11]通過常壓(1 atm)和低壓(0.64 atm)實驗對比，發(fā)現(xiàn)低壓(0.64 atm)情況下卷吸系數(shù)小于常壓情況下卷吸系數(shù)。因此，在低壓環(huán)境中，燃燒區(qū)域會被拉伸，火焰高度也會隨之增高。低壓環(huán)境下空氣密度較小，相同質(zhì)量的燃料需要更長的卷吸范圍來獲取更多的新鮮空氣以支撐燃料的完全燃燒，因此火焰高度增加。

圖2 不同壓力下頂棚最高溫升Fig.2 Maximum ceiling temperature rise versus pressure

圖3是不同壓力下頂棚溫度衰減情況。頂棚溫升是穩(wěn)定燃燒階段350 s～450 s內(nèi)實驗數(shù)據(jù)的平均值。從圖3中可以看出，對于相同尺寸油盤，靠近火源處(r/H=0.5，其中r為測點至火源中心線的距離，H為貨艙頂棚高度)頂棚溫升在低壓情況下大于常壓下，而在距離火源較遠處(r/H=2)頂棚溫升在不同壓力下基本相同。也就是說，不同壓力下頂棚溫度衰減速率不同。隨著壓力的降低，頂棚溫度衰減更快。低壓情況下火源質(zhì)量損失速率減小，熱釋放速率減小，從而使沿著頂棚蔓延至遠處的煙氣溫度降低，即使煙氣流動過程中與冷空氣和腔室壁面熱損失不變。

圖3 不同壓力下頂棚溫度衰減規(guī)律Fig.3 Ceiling temperature decay profile under different pressures

2.2 煙氣密度

圖4是油盤D10和D8在不同壓力下減光系數(shù)隨時間的變化曲線?？梢钥闯觯瑢τ谕瑯映叽绲挠捅P，減光系數(shù)會隨著壓力降低而降低。而油盤D12和D6具有相同的變化規(guī)律，因此下文中均只討論油盤D10和D8。例如：油盤D10在70 kPa時最大減光系數(shù)為2.25 m-1，比100 kPa時的2.41 m-1減少了0.16 m-1。目前飛機貨艙內(nèi)廣泛使用的火災(zāi)探測器是光電煙霧探測器，低壓環(huán)境下較小的減光系數(shù)會延遲探測器報警時間，甚至使其不能發(fā)出正常報警信號。

圖4 不同壓力下減光系數(shù)隨時間變化情況Fig.4 Light extinction coefficient under different pressures versus time

圖5是300 s時不同壓力下減光系數(shù)值?？梢钥闯?，減光系數(shù)與壓力呈指數(shù)關(guān)系，具體關(guān)系式如下：

(1)

其中，χ2為0.946.

圖5 300 s時減光系數(shù)與壓力關(guān)系Fig.5 Light extinction coefficient at 300 s versus pressure

前人[12]研究了壓力(0.1 MPa～0.73 MPa)對丙烷層流擴散火焰中煙顆粒組成的影響，發(fā)現(xiàn)煙塵體積分數(shù)fv(m-3)正比于壓力，具體如下：

(2)

其中，當(dāng)壓力范圍為100 kPa～4000 kPa時，n大于0.9。因此，通過實驗發(fā)現(xiàn)，在70 kPa～100 kPa區(qū)間范圍內(nèi)煙氣密度具有相似的規(guī)律。

2.3 氣體濃度

圖6是不同壓力下CO濃度隨時間變化曲線。整體變化趨勢成線性。相同尺寸油盤的CO濃度最大值會隨著壓力降低而增加。70 kPa時的CO濃度最大值幾乎是100 kPa時的2倍。造成CO濃度增加的原因有以下兩點：1、低壓下氧氣濃度降低，不完全燃燒產(chǎn)物CO量增多；2、低壓情況下煙氣沉降速度減慢，從而使大量煙氣積聚在頂棚下。

圖6 不同壓力下CO濃度隨時間變化情況Fig.6 CO concentration under different pressures versus time

圖7進一步給出300 s時CO增長速率與壓力關(guān)系?？梢钥闯觯珻O增長速率隨著壓力降低而逐漸增大，與壓力呈指數(shù)關(guān)系，油盤D10和D8的指數(shù)系數(shù)分別為-0.95和-1.06。

圖8是不同壓力下CO2濃度隨時間變化曲線。整個燃燒過程中CO2幾乎呈線性增長趨勢。相同尺寸油盤下，低壓情況下CO2濃度略小于常壓情況。與CO濃度最大值相比，壓力對CO2濃度最大值影響較小。低壓下CO2濃度增長更加緩慢，由于在低壓環(huán)境中較低的火源質(zhì)量損失速率。表1是300 s時CO2增長速率，在低壓情況下略有減少。油盤D10和D8的CO2增長速率在壓力從100 kPa降至70 kPa時分別減少了2.41 ppm/s和1.3 ppm/s。

圖7 300 s時CO增長速率與壓力關(guān)系Fig.7 Increase rate of CO concentration at 300 s versus pressure

圖8 不同壓力下CO2濃度隨時間變化情況Fig.8 CO2 concentration under different pressure versus time

油盤尺寸(cm)100kPa90kPa80kPa70kPaD108．667．687．146．25D84．533．733．583．23

3 結(jié)論

在飛機貨艙環(huán)境模擬實驗艙70 kPa～80 kPa壓力范圍內(nèi)開展了正庚烷實驗，研究了壓力對頂棚溫度、煙氣密度和氣體濃度火災(zāi)探測參量的影響.主要結(jié)論如下：

1.低壓情況下火焰中心對應(yīng)頂棚位置溫度增大，頂棚溫度沿徑向向外衰減比常壓情況更快。

2.煙氣密度隨著壓力降低而減小，與壓力呈指數(shù)關(guān)系，指數(shù)系數(shù)約為0.946。

3.CO濃度最大值隨壓力降低而增加，且CO增長速率與壓力呈負指數(shù)關(guān)系。CO2增長速率隨著壓力降低而略有減少。

[1] 王彥. 西藏低壓環(huán)境受限空間頂棚射流區(qū)火災(zāi)煙霧信號規(guī)律與探測算法研究[D]. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2011.

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Experimental investigation on the influence of low pressure on fire detection signals in aircraft cargo compartment fires

WANG Jie1,2, PAN Yangyue1，ZHENG Rong2，LU Song2

(1. School of Resource and Environmental Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China; 2. State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

In this work, experiments of n-heptane fires were conducted in a simulated aircraft cargo compartment at 70 kPa, 80 kPa, 90 kPa and 100 kPa to study the influence of low pressure on fire detection signals including the ceiling temperature, smoke density and gas concentration. The purpose is to provide theoretical basic on the design of fire detection systems for aircraft cargo compartments. Because of the low air density in low pressure, the entrainment coefficient decreases. Therefore, the maximum ceiling temperature increases, and the ceiling temperature decays faster in low pressure. Besides, the smoke density decreases in low pressure and is proportional to ambient pressure with exponential factor 0.946. The maximum value of CO concentration increases and its increase rate increases by a minus exponential factor in low pressure. The maximum value of CO2concentration and its increase rate decrease slightly with decreasing pressure.

Aircraft cargo compartment; Low pressure; Fire detection; Ceiling temperature; Smoke density

2016-07-11；修改日期：2016-08-18

火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室開放課題(HZ2016-KF08)，武漢科技大學(xué)青年科技骨干培育計劃(2016xz007)。

王潔(1987-)，女，講師，主要從事特殊空間火災(zāi)煙氣特性研究。

王潔，E-mail: wangjie87@ustc.edu.cn

1004-5309(2016)-00213-05

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.04.08

X936;X932

A