臨近壁面火源條件下聚氨酯硬泡火蔓延特性
2017-09-08 05:58:27初道忠
崔 崳，李 明，王 劼，初道忠，張 軍
(1.山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 山東 淄博 255049； 2. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026)
臨近壁面火源條件下聚氨酯硬泡火蔓延特性
崔 崳1,2，李 明1，王 劼1，初道忠1，張 軍1
(1.山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 山東 淄博 255049； 2. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026)
搭建了大尺寸實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)改變油盤(pán)尺寸(長(zhǎng)寬比)和距壁面距離得到臨近壁面火焰對(duì)壁面的熱流分布特征，進(jìn)而對(duì)未阻燃和阻燃聚氨酯硬泡材料的火蔓延特性進(jìn)行了研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，未阻燃聚氨酯硬泡表面火蔓延極快并伴隨著熱釋放速率的快速上升，而阻燃聚氨酯硬泡的火蔓延速度與臨近火焰高度有關(guān).在臨近火焰持續(xù)沖擊下，部分工況熱釋放速率呈現(xiàn)出雙峰.以二維導(dǎo)熱模型為基礎(chǔ)，建立了臨近壁面火源條件下聚氨酯硬泡豎直火蔓延數(shù)值模型，對(duì)外加火焰和材料自身燃燒火焰的熱反饋和火焰高度等輸入?yún)?shù)進(jìn)行了探討.模擬結(jié)果表明，數(shù)值模型能較好地預(yù)測(cè)聚氨酯硬泡的火蔓延趨勢(shì).
臨近壁面火；聚氨酯硬泡；火蔓延；數(shù)值模型
硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料(RPU)因其質(zhì)量輕、穩(wěn)定性好和優(yōu)異的保溫性能而廣泛用于建筑保溫領(lǐng)域，然而其本身可燃，導(dǎo)致火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生，因此RPU火災(zāi)發(fā)生機(jī)理及火蔓延問(wèn)題一直是近年來(lái)研究的熱點(diǎn).
在實(shí)驗(yàn)研究方面，王淵明等[1]研究了樣品寬度對(duì)RPU材料豎直逆向火蔓延速度的影響；王春三等[2]基于大尺寸實(shí)驗(yàn)裝置，研究了在不同外加輻射條件下RPU材料的逆向火蔓延特性，并對(duì)火焰高度、脈動(dòng)和火蔓延速度等參數(shù)進(jìn)行了探討；張苗等[3]對(duì)不同熱流強(qiáng)度下RPU材料的表觀(guān)特征變化和燃燒性能進(jìn)行了研究. 在數(shù)值模擬方面，安江濤等[4]研究了狹縫中RPU的豎直火蔓延特性；張威等[5]運(yùn)用FDS軟件對(duì)窗口火和墻角火工況下RPU豎向燃燒的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了研究.
以上研究或是基于固定的熱流施加工況，或是基于數(shù)值模擬，而對(duì)外加火源發(fā)展過(guò)程中RPU火蔓延的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值?；瘑?wèn)題卻較少涉及.本文選取臨近壁面火源為場(chǎng)景，通過(guò)改變火源參數(shù)模擬臨近壁面火源場(chǎng)景下RPU的火蔓延特性，并對(duì)火蔓延數(shù)值模型的構(gòu)建進(jìn)行探討，以期為了解此類(lèi)火蔓延發(fā)展規(guī)律和外墻防火構(gòu)造的設(shè)置提供一定的信息.
1 實(shí)驗(yàn)裝置及工況
用于臨近壁面火源熱流強(qiáng)度標(biāo)定的實(shí)驗(yàn)裝置包括模擬外墻、油盤(pán)、Gardon水冷熱流計(jì)和高清攝像機(jī).實(shí)驗(yàn)臺(tái)尺寸和測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示.模擬外墻尺寸為120cm×210 cm(寬×高)，油盤(pán)高尺寸以及油盤(pán)距外墻距離可變，燃料為250mL正庚烷.
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖
火蔓延實(shí)驗(yàn)則選用25cm×25cm和60cm×10cm兩種尺寸油盤(pán)，距模擬外墻距離為0cm和10cm，共4種工況(具體參數(shù)見(jiàn)表1).所用RPU樣品為未阻燃和阻燃兩種類(lèi)型，密度分別為41.0 kg/m3和45.6 kg/m3.阻燃型RPU添加的阻燃劑為3%質(zhì)量濃度的磷酸三(1-氯-乙丙基)酯(TCPP).保溫板為標(biāo)準(zhǔn)尺寸(高×寬×厚)為120cm×60cm×3cm，由螺栓固定于模擬外墻上.材料下邊緣距油盤(pán)上邊緣5cm(實(shí)物如圖1所示).整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置放置于基于ISO9705標(biāo)準(zhǔn)的量熱儀集煙罩下部，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的熱釋放速率情況可由量熱儀給出. 所有實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行兩次，當(dāng)兩次實(shí)驗(yàn)峰值熱釋放速率的差值和火焰到達(dá)材料頂端的時(shí)間差值均不超過(guò)10%時(shí)，認(rèn)為是合理的。
表1 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置
編號(hào)油盤(pán)尺寸/cm離墻距離L/cm油盤(pán)長(zhǎng)寬比25?025×250160?060×100625?1025×2510160?1060×10106
2 臨近壁面火條件下RPU的燃燒行為
2.1 臨近壁面火條件下未阻燃PRU燃燒行為
圖2以25-0工況為例給出了未阻燃RPU的火蔓延情況.可以看出未經(jīng)阻燃的RPU在壁面臨近火沖擊下被迅速點(diǎn)燃，火焰在豎直方向迅速蔓延，熱解前鋒在6 s左右到達(dá)材料頂部，之后火焰才開(kāi)始表現(xiàn)出側(cè)向火蔓延，但側(cè)向火蔓延速度明顯慢于豎直火蔓延速度，直到41 s左右才蔓延到材料兩端.因此RPU的豎向火蔓延更具危險(xiǎn)性和典型性.
圖2 未阻燃RPU火蔓延情況(25-0工況)
圖3給出了25cm×25 cm油盤(pán)工況未阻燃RPU燃燒的熱釋放速率情況以及與未放置RPU工況的對(duì)比.圖3中ti和tp分別為RPU點(diǎn)燃時(shí)間和熱解前鋒到達(dá)材料頂部的時(shí)間.可以看出，未阻燃RPU燃燒的熱釋放速率呈現(xiàn)出兩個(gè)峰值.第一個(gè)峰值與材料的表面火蔓延有關(guān).火焰在材料表面向上和兩側(cè)的迅速蔓延促成了熱釋放速率的第一個(gè)峰值.這一階段主要是RPU表面的“過(guò)火”燃燒，火焰能在表面自我維持，燃燒形成的炭化層阻礙了火焰向內(nèi)部的發(fā)展.第二個(gè)峰值與火焰的熱穿透有關(guān).在壁面臨近火焰持續(xù)沖擊下，火焰周?chē)腞PU炭化殘?jiān)饾u氧化變薄、變形，在材料和壁面之間形成空隙，火焰得以進(jìn)入點(diǎn)燃縫隙里的未燃材料，從而形成了熱釋放速率的第二個(gè)峰值.由此可見(jiàn)，熱釋放速率雙峰的形成與外加火源的穿透能力有關(guān)，也即與壁面臨近火源施加于材料的熱流強(qiáng)度和施加時(shí)間有關(guān)，同時(shí)也與燃燒過(guò)程中材料的完整性有關(guān).
(a)25-0工況
(b)25-10工況圖3 未阻燃RPU在25cm油盤(pán)工況的熱釋放速率
值得注意的是，25-0工況第一個(gè)峰值較大而第二個(gè)峰值較小，25-10工況則相反.原因是距離壁面較近的火源，火焰的壁面貼附性明顯，初始階段熱流強(qiáng)度較大，這就使得RPU表面火焰向側(cè)面發(fā)展的同時(shí)，在火源附近的材料也迅速向內(nèi)部劇烈熱解，兩者疊加造成第一個(gè)峰值較大.而離壁面較遠(yuǎn)的工況火焰壁面帖附作用相對(duì)較弱，需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能使材料深入熱解，因此疊加后第二個(gè)峰值較大.
2.2 臨近壁面火條件下阻燃PRU燃燒行為
圖4以25-0工況為例給出了阻燃RPU的火蔓延情況.在壁面臨近火焰沖擊下，RPU被點(diǎn)燃，但由于阻燃劑的存在，火焰在材料表面不能自我維持，因此阻燃RPU的火蔓延與外加火焰的發(fā)展密切相關(guān).一方面隨著外加火焰高度的發(fā)展，材料表面“過(guò)火”蔓延，最終到達(dá)材料頂端；另一方面，雖然材料表面火焰不能自我維持，但在外加火焰持續(xù)熱沖擊作用下，材料熱解不斷向內(nèi)部進(jìn)行，造成火勢(shì)的進(jìn)一步增大.
圖4 阻燃RPU火蔓延情況(25-0工況)
圖5給出了25cm×25 cm油盤(pán)工況下阻燃RPU燃燒的熱釋放速率情況以及與未放置RPU工況的對(duì)比.可以看出，由于有阻燃劑的存在，阻燃RPU點(diǎn)燃時(shí)間和熱解前鋒到達(dá)材料頂端的時(shí)間要明顯晚于未阻燃RPU.對(duì)于25-0工況，可以明顯看到兩個(gè)熱釋放速率峰值，而25-10工況則在后續(xù)過(guò)程中出現(xiàn)一個(gè)峰值，原因是貼壁火源熱流強(qiáng)度更為強(qiáng)烈，在材料初始燃燒過(guò)程中就伴隨著熱解的深化，而離壁面較遠(yuǎn)的火源，材料熱解深入的時(shí)間要晚一些.以上分析都是以25cm×25cm油盤(pán)結(jié)果給出，60cm×10cm油盤(pán)工況也有類(lèi)似趨勢(shì)，這里不再單獨(dú)給出.
(a)25-0工況
(b)25-10工況圖5 阻燃RPU在25cm油盤(pán)工況的熱釋放速率
3 聚氨酯硬泡豎向火蔓延模型構(gòu)建
3.1 數(shù)值模型描述
火蔓延速率物理模型見(jiàn)圖6.求解豎直火蔓延速度問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為求解材料表面達(dá)到點(diǎn)燃溫度的位置隨時(shí)間變化問(wèn)題，也即數(shù)值模型的目標(biāo)是求解材料表面的溫度.為了提高結(jié)果的精確度，本文采用二維瞬態(tài)導(dǎo)熱模型.所涉及到的基本方程和初始、邊界條件如下：
基本方程：
(1)
初始條件：
T(x,y,0)=T0
(2)
邊界條件：
T(x,0,t)=Tig,x≤xp
(3)
(4)
(5)
(6)
式中：y為材料厚度方向，范圍從0到D(取值0.03m);x為材料高度方向，范圍從0到H(取值1.2m)；α為熱擴(kuò)散率，對(duì)于未阻燃RPU其值為8.5×10-9m2/s，阻燃RPU其值為8.0×10-9m2/s[6-7]；xp為解熱解前鋒的位置，Vp為解熱解前鋒的移動(dòng)速度；xf為火焰高度，Vf為火焰的豎直移動(dòng)速度；點(diǎn)燃溫度由熱重分析數(shù)據(jù)得到，分別為300.4 ℃和314.8 ℃；材料背面有對(duì)流方式的熱量損失，取對(duì)流換熱系數(shù)h=0.01 W/m2·K，取環(huán)境溫度為T(mén)0=25℃.臨近壁面火工況簡(jiǎn)化后的輸入?yún)?shù)見(jiàn)表2.
圖6 火蔓延物理模型
表2 臨近壁面火熱流輸入?yún)?shù)
編號(hào)q·″p/kW·m-2q·″f0/kW·m-2α1(0．4
3.2 火焰對(duì)材料熱反饋數(shù)值模型描述
火焰對(duì)材料的熱反饋可表示為材料自身燃燒的熱反饋加上臨近火焰對(duì)材料的熱反饋再減去材料表面對(duì)外的熱損失，即
(7)
(1)材料自身燃燒火焰的熱反饋
未阻燃RPU點(diǎn)燃后能夠自我維持燃燒，其熱反饋具有以下的形式[8]：
(8)
(2)臨近壁面火對(duì)材料的熱反饋
通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可得臨近壁面火對(duì)外壁面的熱反饋(熱流強(qiáng)度)有如下分布規(guī)律：
(9)
(3)輻射熱損失
輻射熱損失有如下形式：
(10)
3.3 瞬態(tài)火焰高度的數(shù)值模型描述
火焰高度與熱釋放速率密切相關(guān)，可認(rèn)為兩者有如下關(guān)系[9]：
(11)
需要注意區(qū)分兩個(gè)火焰高度，一是壁面臨近火源燃燒火焰的高度Zf，二是沿豎直方向總的火焰高度xf.可認(rèn)為xf是壁面臨近火焰高度和材料自身燃燒火焰高度的融合.
由此可知，在材料被點(diǎn)燃前xf與Zf相等.在材料被點(diǎn)燃后則分為兩種情況：對(duì)于未阻燃RPU，由于其表面過(guò)火燃燒非?？?，因此可認(rèn)為在很短的時(shí)間內(nèi)熱解前鋒即可到達(dá)材料頂面，而在這段時(shí)間內(nèi)臨近壁面火的發(fā)展較為緩慢，可認(rèn)為基本沒(méi)有變化，也即在這一過(guò)程中Zf可看作是一定值；對(duì)于阻燃RPU，沒(méi)有外加火焰的熱反饋不能維持燃燒，可認(rèn)為其自身燃燒火焰的熱反饋近似為零.這時(shí)使得火焰沿材料表面向上蔓延的熱反饋全部來(lái)源于臨近壁面火焰，也即這樣Zf等于xf.用xf替換式(9)中的Zf便可得到此種情況下的動(dòng)態(tài)熱流分布.
3.4 編程與求解
計(jì)算網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在表面附近對(duì)網(wǎng)格加密. 經(jīng)網(wǎng)格獨(dú)立性檢測(cè)，得到高度方向?yàn)?20個(gè)均勻網(wǎng)格，厚度方向?yàn)?0個(gè)在表面附近逐漸加密的網(wǎng)格. 模型求解采用Gauss-Seidel點(diǎn)迭代方法，當(dāng)各節(jié)點(diǎn)溫度變化值小于上一時(shí)間步溫度值的10%時(shí)，即認(rèn)為該時(shí)間步溫度收斂.
4 結(jié)果與討論
25cm×25cm油盤(pán)工況未阻燃和阻燃RPU豎向火蔓延的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)圖7.對(duì)于未阻燃RPU，熱解前鋒在較短時(shí)間內(nèi)即可到達(dá)材料頂端，由圖7可見(jiàn)數(shù)值結(jié)果能較好地預(yù)測(cè)火蔓延發(fā)展的趨勢(shì).同時(shí)由于模型中的輸入和測(cè)量參量較多，如熱釋放速率、火焰熱流、材料物性以及火焰和熱解前鋒的高度，所以誤差的累計(jì)可能對(duì)模型最終的輸出結(jié)果產(chǎn)生影響，這會(huì)使預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生一定偏差.
(a)25-0未阻燃
(b)25-10未阻燃
(c)25-0阻燃
(d)25-10阻燃圖7 25×25 cm油盤(pán)工況RPU數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較
對(duì)于阻燃RPU，在沒(méi)有外加火焰熱反饋情況下不能維持火蔓延，這就導(dǎo)致了熱解前鋒的高度與火焰高度非常接近.從圖7可以看出，阻燃RPU工況實(shí)測(cè)火焰高度和熱解前鋒高度波動(dòng)較大，這是因?yàn)樽枞糝PU的火蔓延與壁面臨近火焰密切相關(guān)，而壁面臨近火焰在發(fā)展過(guò)程中波動(dòng)較大，因此會(huì)造成實(shí)測(cè)值有較大波動(dòng).從圖7中還可以看出，有的工況熱解前鋒的高度會(huì)超過(guò)火焰高度，這是由于被點(diǎn)燃的區(qū)域在外加火焰消失后還能維持部分炭化燃燒使得熱解前鋒能在原位置維持一段時(shí)間造成的.數(shù)值模型對(duì)這一現(xiàn)象也做出了預(yù)測(cè).60cm×10cm油盤(pán)工況也有類(lèi)似趨勢(shì)，這里不再單獨(dú)給出.
5 結(jié) 論
(1)在壁面臨近火的沖擊下，部分工況的RPU燃燒會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)熱釋放速率峰值.峰值的大小與外加火焰的熱沖擊強(qiáng)度有關(guān)，也與燃燒過(guò)程中材料的完整性有關(guān).
(2)火源離壁面距離會(huì)影響壁面熱流強(qiáng)度的大小.越近的火源帖附效應(yīng)越強(qiáng)，熱流強(qiáng)度也強(qiáng)，熱解深化提前，相應(yīng)RPU燃燒的第一個(gè)峰值大.反之亦反.
(3)對(duì)于未阻燃RPU，熱反饋主要來(lái)自RPU自身燃燒火焰，二維瞬態(tài)導(dǎo)熱模型對(duì)火蔓延的預(yù)測(cè)結(jié)果較好.而對(duì)于阻燃RPU，外加壁面臨近火焰的波動(dòng)會(huì)造成熱解前鋒位置和火焰高度的強(qiáng)烈波動(dòng)，數(shù)值模型也能較好預(yù)測(cè)火蔓延的發(fā)展趨勢(shì).
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(編輯：郝秀清)
Flame spread characteristics of rigid polyurethane foam under wall-adjacent fire sources
CUI Yu1,2, LI Ming1, WANG Jie1, CHU Dao-zhong1, ZHANG Jun1
(1. School of Resources and Environmental Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China； 2. State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)
The large-size test-rig of the wall-adjacent fire was set up. The heat flux distribution characteristics of flame-to-wall were obtained by changing the oil pan size (aspect ratio) and the distance from the wall, and then the flame spread characteristics of the non-flame retardant and flame retardant rigid polyurethane foam were studied. The experimental results show that the flame spread of non-flame retardant rigid polyurethane foam is extremely fast and accompanied by rapid increase of heat release rate. The flame spread of flame retardant rigid polyurethane foam is related to the height of external flame. Under the impact of external flame, the heat release rate of some cases showed a double peak. Based on the two - dimensional heat conduction model, a numerical model of the vertical spreading of rigid polyurethane foam was established. The input parameters such as the thermal feedback and height of the external flame and the material burning flame were discussed. The simulation results show that the numerical model can well predict the fire spread of polyurethane foam.
wall-adjacent fire； polyurethane rigid foam； fire spread； numerical model
2017-01-19
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51604169)；火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(HZ2012-KF14)
崔崳，男，yucui@sdut.edu.cn
1672-6197(2017)06-0012-06
X913.4;TK
A
