薛 巖，方 俊，王靜舞

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

0 引言

深刻理解低壓環(huán)境下導(dǎo)線(主要是聚合物絕緣層導(dǎo)線)燃燒所引發(fā)的火災(zāi)危害，有助于解決飛機(jī)和航天器的防火安全問題[1-4]。導(dǎo)線在火蔓延的過程中，絕緣層首先會熔化形成一個(gè)熔融球體，當(dāng)該球體溫度到達(dá)沸點(diǎn)之后會釋放出可燃?xì)怏w。在導(dǎo)線的絕緣層熔化和火蔓延過程中，如果液滴的質(zhì)量積累的足夠大，它最終會從導(dǎo)線上滴落，致使導(dǎo)線火蔓延熄滅或者開始下一個(gè)滴落周期，這都會帶來非常嚴(yán)重的火災(zāi)危害。然而，這個(gè)現(xiàn)象是非常復(fù)雜的，因?yàn)樗硕嘞?、多維度的、隨時(shí)間變化的傳熱傳質(zhì)過程，并且其中每一相都包含化學(xué)反應(yīng)，所以簡化研究這個(gè)過程就變得非常重要。

Fujita等[5]研究發(fā)現(xiàn)，在微重環(huán)境下，外部強(qiáng)迫對流對導(dǎo)線火蔓延速度的影響情況可以分為4個(gè)區(qū)域：(1)氧傳輸控制區(qū)，(2)幾何形狀控制區(qū)，(3)傳熱控制區(qū)，(4)化學(xué)反應(yīng)控制區(qū)。此外，Nakamura等[6]研究了微重下不同外部強(qiáng)迫對流速度對熔融絕緣層的體積變化情況的影響。Kim等[7]對相變材料的熔化過程做了數(shù)值模擬，研究了材料特性是如何影響絕緣層熔融和滴落過程的。Takahashi等[8]將常重和微重下導(dǎo)線火蔓延的熄滅極限做了對比，得出了銅芯和鎳鉻合金兩種線芯材料的熄滅極限。He等[9]研究了在通入過載電流條件下火蔓延過程的絕緣層滴落現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了電流的平方與滴落頻率之間存在正的線性關(guān)系。

目前而言，低壓環(huán)境下不同氧濃度的絕緣層熔融滴落的細(xì)節(jié)過程、特別是熔融滴落極限還很少有人研究。本文針對鎳鉻合金線芯、聚乙烯(PE)絕緣層導(dǎo)線火蔓延過程中的熔融滴落現(xiàn)象，在低壓艙內(nèi)開展了不同氣壓、不同氧濃度下的大量火蔓延實(shí)驗(yàn)，得出了導(dǎo)線火蔓延過程中的熔融滴落頻率、滴落質(zhì)量隨壓力的關(guān)系，給出了不同氧濃度下發(fā)生滴落現(xiàn)象的極限壓力的變化情況。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文實(shí)驗(yàn)在一個(gè)可調(diào)節(jié)氣壓和氧濃度的低壓艙中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。低壓艙主體部分是一個(gè)直徑400 mm，高400 mm的不銹鋼圓柱形艙室。低壓艙與外部的高壓氧氣瓶(氧氣純度99.99%)相連，并通過Alicat流量控制器(精度：±(0.8%讀數(shù)+0.2%滿量程))調(diào)節(jié)氧氣通入量來改變艙內(nèi)氧氣濃度，變化范圍為21%～80%。低壓艙的壓力變化范圍為0.3 kPa～100 kPa，精度為0.01 kPa。

圖1 低壓艙和導(dǎo)線火蔓延裝置Fig. 1 Sketch of the sub-atmospheric cabin and wire flame spread apparatus

NiCr線芯的PE絕緣層導(dǎo)線放置于低壓艙中間的樣品架上。線芯直徑為0.50 mm，絕緣層厚度為0.15 mm，實(shí)驗(yàn)樣品導(dǎo)線長度為14 cm。通電電阻線圈放置在導(dǎo)線的一端，做為外部熱源，主要通過熱對流和少量熱輻射加熱導(dǎo)線。線圈直徑為 5 mm，纏繞長度為15 mm。線圈由外部的直流電源供電，電壓恒定為6 V，通電時(shí)間為7 s。本文實(shí)驗(yàn)主要研究熔融滴落過程，各試驗(yàn)工況如表1所示，每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況至少重復(fù)3次。

火蔓延過程的圖像主要由數(shù)碼相機(jī)(Nikon D7100, 30 fps, 感光度500, 快門速度 1/50 s )通過低壓艙側(cè)面的觀察窗記錄。為了避免外部因素的干擾，所有實(shí)驗(yàn)都是在暗室環(huán)境下進(jìn)行。PE絕緣層熔融滴落過程的瞬時(shí)圖像由高速相機(jī)拍攝(Photron FASTCAM Mini UX50, 1280×1024, 1000 fps)。滴落物的質(zhì)量由精度為0.1 mg的分析天平稱量得到。

表1 實(shí)驗(yàn)工況

在同一工況下，熔融滴落行為具有一定的周期性，為了得到滴落周期值，選取每次滴落同一特征狀態(tài)為一個(gè)周期的起始位置和結(jié)束位置，如圖2所示。通過圖像處理，計(jì)算出兩次滴落的時(shí)間間隔，即為一次滴落的周期，取倒數(shù)即為滴落頻率。

圖2 不同壓力下滴落頻率判定Fig. 2 Feature of dripping frequency of different pressures

滴落物的質(zhì)量非常細(xì)微，直接測量不易操作，為了反映熔融滴落在不同工況下的質(zhì)量變化，采用差重法測量滴落質(zhì)量。選取長14 cm，寬2 cm的長方形紙條，該尺寸與導(dǎo)線搭載平臺底座尺寸相同，首先用分析天平測定實(shí)驗(yàn)前的紙片質(zhì)量，之后將紙片放于搭載平臺底座，位于導(dǎo)線正下方。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)發(fā)生熔融滴落現(xiàn)象后，滴落物會掉到紙片上，并且滴落物落到紙片上之后不會繼續(xù)燃燒。實(shí)驗(yàn)完成后再次稱量紙片的質(zhì)量，與實(shí)驗(yàn)前的紙片質(zhì)量相差值即為本次實(shí)驗(yàn)的滴落質(zhì)量。圖3為滴落前的紙片和滴落后紙片狀態(tài)。

圖3 滴落質(zhì)量測量Fig. 3 Measurement of dripping mass

2 結(jié)果與討論

2.1 PE絕緣層導(dǎo)線火焰形態(tài)與滴落過程

圖4為60 kPa下PE導(dǎo)線的火焰形態(tài)示意圖。圖4中可以看出，PE導(dǎo)線火焰形態(tài)為滴形，隨著火蔓延的進(jìn)行，固相的絕緣層逐漸熔化并積累成球體，懸于下部為藍(lán)色火焰區(qū)域中，當(dāng)球體質(zhì)量積累足夠大時(shí)，就會發(fā)生滴落現(xiàn)象。

圖4 熔融絕緣層火焰形態(tài)示意圖(21%氧濃度，60 kPa)Fig. 4 Sketch of the melting wire insulation with droplet combustion (21% oxygen concentration, 60 kPa)

圖5為PE導(dǎo)線在21%氧濃度，40 kPa下的熔融滴落過程。固體絕緣層在火焰前鋒處開始熔化，熔融液滴也開始隨之增長，并且燃燒產(chǎn)生藍(lán)色火焰。

2.3 鄉(xiāng)村環(huán)境方面 隨著美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的推進(jìn)，村容村貌整治工作的開展，岳西建成了“風(fēng)景秀麗、設(shè)施完善、生活幸?！钡男录t旗村、宜居宜游的老鴨村、“景點(diǎn)村莊、宜居家庭”的全域美麗土橋村等美麗鄉(xiāng)村示范點(diǎn)，村莊面貌有了很大改善，但是大部分鄉(xiāng)村環(huán)境整治的壓力仍然較大。雖進(jìn)行了“廁所革命”，但是冬季山區(qū)天氣寒冷水易結(jié)冰，人畜糞便無法處理，污染了鄉(xiāng)村環(huán)境，嚴(yán)重影響了村民的生活質(zhì)量。農(nóng)村垃圾服務(wù)設(shè)施仍不完善，垃圾處理辦法陳舊老套，村民環(huán)衛(wèi)意識不強(qiáng)，環(huán)境整治資金缺乏，造成部分村莊仍存在“臟、亂、差”現(xiàn)象。

當(dāng)液滴質(zhì)量增長到足夠大于液滴的表面張力時(shí)，液滴由于受力不平衡就會滴落。在滴落之后，火焰起初會變得非常微弱，熔融液滴向下滴落的動量會使剩余熱解氣體產(chǎn)生一個(gè)微弱的向上的動量。同時(shí)，持續(xù)熔化的絕緣層會使熱解氣體的濃度增加。在二者作用下，熱解氣體會短暫向上“跳動”，在被引燃之后會產(chǎn)生高度較高的火焰。當(dāng)熱解氣體和向上的動量消失后，火焰高度逐漸變低，進(jìn)而開始下一個(gè)熔融滴落的循環(huán)。

圖5 滴落過程連續(xù)高速圖像Fig. 5 Sequential high-speed dripping images

2.2 滴落上限與滴落下限

實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，在某一氧濃度下，PE導(dǎo)線火蔓延過程中的滴落現(xiàn)象只在一定壓力范圍內(nèi)發(fā)生，其中最高壓力叫做滴落上限，最低壓力叫做滴落下限。當(dāng)環(huán)境壓力大于滴落上限壓力時(shí)，導(dǎo)線只有火蔓延過程而無滴落過程；當(dāng)環(huán)境壓力處于滴落上限壓力與滴落下限壓力之間時(shí)，導(dǎo)線既有火蔓延過程又有滴落過程；當(dāng)環(huán)境壓力小于滴落下限壓力時(shí)，導(dǎo)線無法著火，此時(shí)既無火蔓延過程也無滴落過程。同時(shí)實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，不同氧濃度下，PE導(dǎo)線的滴落上限和下限值也不同。下面以21%氧濃度和30%氧濃度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例，具體說明滴落上限和滴落下限。

圖6 21%氧濃度，62 kPa滴落過程Fig. 6 Sequential images of dripping flame at upper limit (21% oxygen concentration, 62 kPa)

圖6和圖7分別為21%氧濃度和30%氧濃度滴落上限的連續(xù)滴落圖像。圖6為21%氧濃度，62 kPa的滴落過程圖像。如果壓力升高，浮力增大，導(dǎo)線線芯溫度會降低，導(dǎo)致絕緣層融化速率降低，液滴增長速率也會降低，液滴不會滴落，所以只存在火蔓延現(xiàn)象而沒有滴落現(xiàn)象，因此21%氧濃度下滴落上限為62 kPa。

如圖7所示，當(dāng)氧濃度增加到30%時(shí)，火焰的燃燒速率會增加，這會使液滴加快蒸發(fā)消耗。要想滴落現(xiàn)象可以發(fā)生，必須要降低環(huán)境壓力，以此增大液滴質(zhì)量。因此，在30%氧濃度下，滴落上限的壓力值變?yōu)?8 kPa。同時(shí)，由于浮力降低，火焰的“跳動”現(xiàn)象也比62 kPa微弱。

圖7 30%氧濃度，38 kPa 滴落過程Fig. 7 Sequential images of dripping flame at upper limit (30% oxygen concentration, 38 kPa)

圖8和圖9分別為21%氧濃度和30%氧濃度滴落下限的滴落連續(xù)圖像。圖8為21%氧濃度，28 kPa的滴落過程，由于壓力和浮力的降低，藍(lán)色火焰區(qū)域增加。在21%氧濃度下當(dāng)環(huán)境壓力低于28 kPa時(shí)，導(dǎo)線無法著火，就不存在火蔓延過程和滴落過程。因此21%氧濃度下滴落下限壓力值為28 kPa。

如圖9所示，當(dāng)氧濃度增加到30%時(shí)，化學(xué)反應(yīng)會更加劇烈，必須降低壓力才能減緩化學(xué)反應(yīng)帶來的影響，從而發(fā)生滴落現(xiàn)象，因此30%氧濃度下，滴落下限壓力值為12 kPa。

圖8 21%氧濃度，28 kPa滴落過程Fig. 8 Sequential images of dripping flame at lower limit (21% oxygen concentration, 28 kPa)

圖9 30%氧濃度，12 kPa滴落過程Fig. 9 Sequential images of dripping flame at lower limit (30% oxygen concentration, 12 kPa)

圖10為不同氧濃度下滴落上限和滴落下限的變化情況的匯總。圖10中按照滴落上限和滴落下限曲線，可以劃分為三個(gè)區(qū)域：火蔓延僅存區(qū)；火蔓延和滴落共存區(qū)；無火蔓延無滴落區(qū)。隨著氧氣濃度的增大或環(huán)境壓力的下降，滴落上限和滴落下限兩條曲線均下降。當(dāng)氧濃度增加到50%，壓力降低到5 kPa，兩條曲線會合并成一條曲線，此時(shí)只有火蔓延過程，而不存在滴落現(xiàn)象。

圖10 PE導(dǎo)線滴落上、下限隨氧濃度的變化情況Fig. 10 Dripping upper and lower limits of PE wire insulation

本文分析了熔融滴落現(xiàn)象對火蔓延過程中火焰高度和火蔓延速度的影響。圖11和圖12分別為21%氧濃度和30%氧濃度不同壓力下火焰高度在滴落過程中的變化情況，圖11和圖12中每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間間隔為0.03 s。從圖12上可以看出，當(dāng)?shù)温浒l(fā)生時(shí)，火焰先有一個(gè)微小的衰減，此后會有一個(gè)突然的“跳動”，火焰高度變高，之后火焰恢復(fù)到發(fā)生滴落前的高度，開始下一個(gè)滴落周期。當(dāng)氧濃度為30%時(shí)，其各個(gè)壓力下“跳動”的高度也將變小。

圖11 21%氧濃度不同壓力滴落過程火焰高度變化情況Fig. 11 The time-history of flame height at different air pressures (21% oxygen concentration)

圖12 30%氧濃度不同壓力滴落過程火焰高度變化情況Fig. 12 The time-history of flame height at different air pressures (30% oxygen concentration)

圖13表示在上述21%和30%氧濃度下，發(fā)生滴落的壓力區(qū)間內(nèi)火蔓延速度的變化情況。從圖13可以看出，在同一氧濃度下，火蔓延速度在發(fā)生滴落的壓力區(qū)間變化情況近似一條直線，表明壓力變化對火蔓延速度的影響不大。但是當(dāng)氧濃度從21%增加到30%時(shí)，火蔓延速度明顯增大，由此可以看出，與壓力相比，導(dǎo)線火蔓延速度對氧濃度的變化更加敏感。

圖13 21%氧濃度和30%氧濃度的火蔓延速度Fig. 13 Flame spread rate with various air pressures at 21% and 30% oxygen concentration

圖14 滴落頻率與環(huán)境壓力的關(guān)系Fig. 14 Dripping frequency with air pressures

2.2 滴落頻率與滴落質(zhì)量

在確定了PE導(dǎo)線的滴落上限和滴落下限的概念之后，本文以21%氧濃度的熔融滴落情況為例，研究了環(huán)境壓力對滴落頻率和滴落質(zhì)量的影響。

滴落質(zhì)量隨壓力降低的變化情況如圖15所示。造成這個(gè)結(jié)果的主要原因是液滴的表面張力隨壓力變化。當(dāng)環(huán)境壓力由60 kPa降低到30 kPa時(shí)，熔融液滴的沸騰溫度也會降低，根據(jù)表面張力系數(shù)與環(huán)境壓力的關(guān)系[10]σ=σ0+0.073(P0-P)+1.42×10-4(P-P0)2，代入壓力數(shù)據(jù)計(jì)算液滴的表面張力系數(shù)σ會從33.17 mN/m增大到34.05 mN/m，這使得低壓下表面張力變大，因此可以承受更大質(zhì)量的熔融液滴。

圖15 滴落質(zhì)量與壓力的關(guān)系Fig. 15 Dripping mass with air pressures

3 結(jié)論

本文研究了低壓下導(dǎo)線火蔓延過程中存在的熔融滴落現(xiàn)象，測量了滴落過程中的滴落頻率與滴落質(zhì)量，得出了滴落上限和滴落下限隨氧濃度的變化情況，結(jié)論如下：

(1)在滴落過程中，由于液滴滴落所產(chǎn)生向上的動量使火焰高度在滴落后發(fā)生突然的“跳動”現(xiàn)象。

(2)提出了滴落上限和滴落下限的定義，并以21%氧濃度和30%氧濃度為例做了具體說明。總結(jié)發(fā)現(xiàn)滴落上限和滴落下限隨著氧濃度的增加而降低，并且可以劃分為3個(gè)不同的區(qū)域：火蔓延僅存區(qū)；滴落和火蔓延共存區(qū)；無滴落無火蔓延區(qū)。當(dāng)氧濃度增加到50%，壓力降低到5 kPa，滴落上限和滴落下限兩條曲線會合并成一條曲線，此時(shí)只有火蔓延過程，而不存在滴落現(xiàn)象。

(3)以21%氧濃度為例，分析了環(huán)境壓力對滴落頻率和滴落質(zhì)量的影響。當(dāng)壓力降低時(shí)，由于線芯溫度增加，線芯傳導(dǎo)熱量增加，導(dǎo)致絕緣層熔融速率加快，從而使得滴落頻率增加。同時(shí)壓力降低使得液滴表面張力變大，可以承受更大的熔融液滴質(zhì)量，所以液滴質(zhì)量增大。

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