朱國棟 吳飛 遲媛 盧連成 馬奕煒 孫曉秋

北京特種工程設計研究院

0 引言

固體表面火蔓延是固相氣相傳輸，固相熱解，氣相可燃氣體與氧化物反應等過程共同作用的結果，廣泛存在于建筑火災中，是火災理論研究的基礎性問題[1-3]，因此對表面火研究有助于深入了解表面火蔓延理論。

根據表面火的蔓延過程，固體表面火蔓延可以分為水平火蔓延，垂直火蔓延以及其他角度的表面火蔓延[4-5]，如圖1 所示，分別對應于建筑火災中的頂棚，地面火蔓延以及緊貼壁面和墻角火蔓延[6]，本文主要針對不同形式的表面火進行小尺度表面火蔓延實驗研究，分析其蔓延特性，并對固體材料內部溫度，表面火蔓延速度及不同角度下的火焰形態(tài)進行了實驗分析。

圖1 表面火蔓延過程分類

1 實驗概況

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖2 所示，實驗臺的組成部分主要包括：測量系統(tǒng)和參數調控系統(tǒng)。測量系統(tǒng)主要由數據處理、數據采集、傳感器三部分組成，主要包括電腦、R-8018BL 數據采集模塊、K 型熱電偶、視頻采集裝置。參數調控系統(tǒng)主要由一個旋轉支架構成，可調節(jié)角度，從而研究表面火在不同角度時的蔓延特性，比如水平火、45°火、垂直火蔓延速度。

圖2 小尺度表面火蔓延實驗臺

1.2 實驗材料

本實驗選取了一批質量均勻、無裂縫，各個平面加工光滑、平整的椴木作為實驗研究對象。試樣長：300 mm。寬：30 mm；厚：3 mm。為了降低其他物理參數對實驗精確度的影響，比如木料的密度、含水率、木紋方向等，本實驗選取了同一批木材，并進行了12 小時的100 ℃烘干處理（表1），制備時沿著木紋方向，以減少木紋方向對表面火蔓延的影響。并且為了目測表面火的蔓延速度，在試樣表面每隔20 mm 做一個標記，用來觀察表面火的蔓延速度的大小。

表1 試樣干燥前后密度變化及含水率

1.3 實驗工況

本實驗測量的主要參數包括：①水平火、45°火、垂直火蔓延速度。②火焰形態(tài)測量。③固體內部的溫度測量。

本實驗在固體內部均勻布置了五個熱電偶，每兩個熱電偶之間的距離為20 mm，分別編號為T1、T2、T3、T4、T5。為了測量試樣上表面溫度變化，在距離固體上表面處設置熱電偶R3，垂直方向其他熱電偶之間的間距為20 mm，如圖3 所示。

圖3 熱電偶布置

表面火蔓延速度及火焰形態(tài)的測量將采用數字攝像儀進行圖像采集，并利用Matlab 的圖像處理功能對圖像進行后處理，以便更精確的觀察到表面火蔓延時的火焰形態(tài)。

2 實驗結果分析

2.1 固體材料內部溫度變化

對水平火蔓延進行實驗結果分析，選取T3 測點處的溫度變化進行分析，如圖4。從圖4（a）圖中可以看出，在表面火蔓延過程中，固體內部的溫度變化可以分成三個階段，即：預熱階段、熱解階段、燃燒階段。當表面火的熱解前鋒逐漸蔓延至T3 測點時，其溫度由緩慢上升變?yōu)榧眲∩仙搭A熱階段的AB 段。當到達B點時溫度變化趨于緩慢，這是因為此時試樣達到了熱解溫度，大約為400 ℃，正發(fā)生熱解過程，由火焰和導熱過程傳遞來的熱量被熱解過程吸收，以便使部分材料氣化，維持氣相燃燒。當到達C 點時溫度又突然上升，原因是由于熱解后的材料炭化，與空氣接觸發(fā)生燃燒的結果，大概到達D 點時燃燒結束，溫度開始下降。為了更準確的確定其熱解溫度，從圖4（b）圖溫度變化率曲線中可以明顯的看到，在整個蔓延過程中，溫度變化率曲線有兩個明顯的峰值，兩個峰值之間的低谷溫度從急劇上升變?yōu)榫徛仙S后又變?yōu)榧眲∩仙?，此即為熱解過程BC 段，并得到椴木的熱解溫度為T=410 ℃，到達時刻為t=143 s。

由于表面溫度是木材燃燒的重要參數，經常作為輸入參數，應用到火災模型當中，本文對試樣表面的溫度變化進行了實驗研究并進行了結果分析。圖5 為試樣表面測點R3 處的溫度變化圖，從溫度變化圖中可以看出，R3 點處溫度開始時變化緩慢，隨即迅速上升，當到達某一溫度時開始下降，此溫度即為試樣的最高表面溫度，約為620 ℃。結合溫度變化圖與溫度變化率圖，可以看出，隨著實驗角度的增加，R3 點溫度發(fā)生劇烈變化的時間越早，表面火蔓延至R3 點的時間越短，蔓延速度越快，其原因為隨著角度的增加，火焰對試樣的熱量傳遞作用增強，浮力作用對火災蔓延的作用越明顯。

圖4 測點T3 處的溫度數據圖

圖5 三種放置角度下測點R3 的溫度變化

2.2 表面火蔓延速度實驗結果分析

圖6 為水平表面火熱解前鋒位置與時間關系圖，從圖6 中的曲線變化率可以看出，水平表面火蔓延在整個蔓延時間段上并不是以某一特定的速度進行蔓延，而是經歷了由緩慢蔓延到蔓延速度增大，再到以穩(wěn)定速度蔓延的過程，這是因為試樣在燃燒過程中要經歷由熱量積聚到穩(wěn)定傳熱的過程。本文把穩(wěn)定蔓延后的速度作為水平表面火的蔓延速度，通過曲線擬合，擬合后曲線斜率即為水平表面火蔓延速率，大小為V0=0.18 cm/s。

圖6 水平火蔓延熱解前鋒位置與時間關系示意圖

圖7 45°、90°表面火熱解前鋒位置與時間關系圖

圖7 為45°、90°表面火熱解前鋒位置與時間的關系圖，通過曲線擬合，得到表面火的蔓延速度分別為V45°=0.33 cm/s、V90°=1.25 cm/s。通過觀察不同角度下的表面火蔓延速度圖，可以發(fā)現(xiàn)，隨著角度的增加，表面火的蔓延速度也隨之不斷增大，通過曲線擬合發(fā)現(xiàn)增長速度與角度存在指數關系，分析其原因為，隨著角度的增加，上表面火焰與試樣表面之間的夾角不斷減小，氣相火焰對試樣表面的熱對流和熱輻射作用不斷加強，從而造成了蔓延速度的不斷增大。

2.3 火焰形態(tài)測量結果及分析

研究表面火蔓延時火焰形態(tài)的變化有助于了解蔓延過程中流場特性和蔓延特性。通過觀察水平火蔓延形態(tài)發(fā)現(xiàn)，在表面火蔓延過程當中，試樣邊緣處的火蔓延速度要大于中間處的火蔓延速度，如圖8 所示，造成這種現(xiàn)象的主要原因是由于邊緣處的空氣流動更加充分，卷吸更加強烈，供氧更加充足，因此蔓延速度更快，即邊緣效應。

圖8 表面火蔓延

圖9 三種角度下表面火形態(tài)變化

圖9 為三種角度下表面火蔓延過程中的火焰形態(tài)變化對比圖。從圖9（a）中可以看出，水平火在蔓延過程中，初始階段燃燒緩慢，火焰高度不高，隨著蔓延的進行，火焰穩(wěn)定增長，火焰高度增加，并維持一定的火焰高度蔓延。由于火焰受到浮力誘導自然對流的作用，火焰方向向上。對比圖9（a）、（b）可以看出，由于試樣表面角度的變化，同樣受到浮力誘導自然對流的作用，圖9（b）中，火焰與試樣表面之間的夾角變小，這就增強了熱對流與熱輻射對表面火蔓延的影響，加快了火蔓延速度，同時在火焰穩(wěn)定增長8 s 之后，出現(xiàn)了明顯的火焰振蕩現(xiàn)象，并不斷加強。比較圖9（a）和（b）、（c），可以發(fā)現(xiàn)，在垂直條件下，火焰方向與試樣表面平行，這就造成了垂直條件下表面火蔓延速度比其他角度條件下都要快，從點火開始到14 s 時，火焰已經蔓延至整個試樣表面。

3 結論

通過小尺度固體材料表面火蔓延實驗得到如下結論：

1）通過熱電偶對表面火蔓延時試樣內部溫度的分析，加強了對預熱階段、熱解階段、燃燒階段的認識，并通過計算軟件分析得到了材料熱解溫度，大約為410 ℃。并對不同角度下同一測點達到最高溫度的時間進行了測量，發(fā)現(xiàn)隨著角度的增加，試樣表面測點處開始出現(xiàn)溫度升高的時刻越早。

2）通過對水平表面火蔓延速度的測量發(fā)現(xiàn)，水平表面火蔓延在整個蔓延時間段上并不是以某一特定的速度進行蔓延，而是經歷了由緩慢蔓延到蔓延速度增大，再到以穩(wěn)定速度蔓延的過程。通過測量不同角度下表面火蔓延速度，發(fā)現(xiàn)隨著角度的增加，表面火蔓延速度越快。

3）通過觀察表面火蔓延形態(tài)，發(fā)現(xiàn)試樣邊緣處受邊界效應的影響，此處火蔓延速度更快，在不同角度下，火焰受到浮力誘導自然對流的作用，火焰與試樣表面之間的角度不斷減小，增強了熱輻射和熱對流的作用，使蔓延速度更快。