劉全義， 孫中正， 賈旭宏， 智茂永， 朱新華

(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院民航安全工程學(xué)院， 德陽(yáng) 618307)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，紡織產(chǎn)品在日常生活中被大量使用[1]。根據(jù)美國(guó)消防協(xié)會(huì)(NFPA)統(tǒng)計(jì)[2]，約有20%的乘客死于撞機(jī)后的火災(zāi)事故。織物材料具有厚度薄、比表面積大及易積聚的特點(diǎn)，因此低強(qiáng)度的熱輻射就可以引燃，且織物火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤坏┰谟邢薜目臻g內(nèi)著火，幾分鐘內(nèi)就會(huì)釋放出大量的有毒煙霧和熱量，使人中毒窒息，失去逃生能力[3-4]。飛機(jī)艙內(nèi)行李集中堆積且多具有易燃性[5-6]，一旦著火將造成嚴(yán)重危害。根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(FAA)的規(guī)定飛機(jī)在高空飛行時(shí)客艙內(nèi)處于低壓環(huán)境。材料的極限氧指數(shù)(LOC)由傳熱機(jī)制和化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)制共同決定[7]，所以不同壓力環(huán)境下的材料燃燒特性會(huì)發(fā)生很大變化。因此研究乘客衣物的燃燒特性對(duì)于民航運(yùn)輸安全及人員防護(hù)具有重要意義。

目前，中外學(xué)者對(duì)典型可燃材料在不同壓力環(huán)境下的燃燒特性進(jìn)行了大量研究。賀元驊等[8]在多壓力條件下對(duì)機(jī)艙內(nèi)飾材料進(jìn)行燃燒測(cè)試，研究表明低壓下材料的燃燒速率降低，但煙氣毒害性會(huì)增大[9]；葉瓊等[10]對(duì)100批次裝飾織物進(jìn)行燃燒測(cè)試，研究表明國(guó)內(nèi)裝飾織物多為非阻燃材料，燃燒風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高、易造成嚴(yán)重傷害；Dutta等[11]對(duì)羊毛和亞麻材料進(jìn)行水平和垂直方向燃燒測(cè)試，發(fā)現(xiàn)樣品的朝向和纖維的類(lèi)型對(duì)于點(diǎn)燃時(shí)間、熱釋放速率和表面溫度有顯著影響；楊慎林[12]在飛機(jī)模擬艙內(nèi)開(kāi)展低壓低氧下的正庚烷燃燒實(shí)驗(yàn)，研究表明火焰高度、頂棚溫度隨著壓力降低而升高，且火焰燃燒效率增加[13]；馮瑞等[14]在低壓艙中開(kāi)展航空貨運(yùn)紙箱的燃燒實(shí)驗(yàn)，研究得出在低壓下瓦楞紙箱為湍流火焰燃燒且其輻射熱通量整體上呈先升高后下降的趨勢(shì)；Mandal等[15]在室內(nèi)模擬火災(zāi)的條件下對(duì)織物的熱防護(hù)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究得出織物的可燃性取決于其化學(xué)組成和幾何結(jié)構(gòu)；Zong等[16]在低壓下對(duì)非炭化聚合物進(jìn)行熱解試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)材料的質(zhì)量損失率、表面溫度隨著環(huán)境壓力減小而增大；Li[17]等對(duì)木材進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)火焰高度隨壓力的降低而升高，且當(dāng)輻射熱流不變時(shí)，壓力越低試樣的質(zhì)量損失率越大[18]；Thomsen等[19]在研究織物的火焰?zhèn)鞑O限時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓力降低時(shí)，維持火焰?zhèn)鞑ニ璧淖畹脱鯘舛仍黾?；安翠等[20]在西藏和內(nèi)地對(duì)古建筑中的裝飾性織物進(jìn)行了對(duì)比燃燒實(shí)驗(yàn)，研究表明在低壓條件下相同尺寸織物的燃燒速率降低、殘?zhí)苛吭龃螅骰鹑紵龝r(shí)間增長(zhǎng)。

以上學(xué)者在研究典型可燃材料的燃燒特性時(shí)，大多針對(duì)裝飾織物的阻燃性能驗(yàn)證或?qū)埾?、燃油等特定材料開(kāi)展常規(guī)火災(zāi)研究，對(duì)低壓條件下乘客行李衣物材料的燃燒防護(hù)特性研究較少。因此，為了驗(yàn)證環(huán)境壓力對(duì)典型乘客衣物燃燒特性的影響，設(shè)計(jì)并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，測(cè)量并記錄乘客衣物的質(zhì)量損失、煙密度、煙氣成分及火焰形態(tài)，揭示環(huán)境壓力對(duì)乘客衣物材料燃燒性能的影響規(guī)律，為飛機(jī)艙內(nèi)行李衣物火災(zāi)探測(cè)與消防救援等民航安全運(yùn)行提供一定的理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 試樣選擇

乘客攜帶至飛機(jī)艙內(nèi)的行李數(shù)目繁多[1]，在前期對(duì)乘客行李材料調(diào)研的基礎(chǔ)上，選取乘客上衣(典型襯衫，63純棉/27滌綸/10其他，厚度h=1 mm，面密度ρ=93 g/m2)和乘客下衣(保暖褲，67滌綸/23純棉/10其他，厚度h=1 mm，面密度ρ=217 g/m2)作為實(shí)驗(yàn)試樣。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)的要求裁剪試樣，尺寸為25.4 mm×25.4 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

基于煙氣分析儀(OPTIMA 7)和煙密度測(cè)試儀(JCY-3雙控測(cè)試儀)搭建材料燃燒綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示。煙密度測(cè)試儀所用燃料為純度大于85%的丙烷氣體。實(shí)驗(yàn)時(shí)將選取的試樣放置在夾具的中心位置；將煙氣分析探頭布置在燃燒箱的上方使之與試樣的中心位置對(duì)正，且相距0.5 m；將燃燒噴燈布置為45°傾角，保證火焰對(duì)試樣持續(xù)充分加熱的同時(shí)又不影響對(duì)燃燒剩余產(chǎn)物的收集。實(shí)驗(yàn)分別在康定機(jī)場(chǎng)高高原航空安全實(shí)驗(yàn)室(61 kPa低壓環(huán)境、溫度15 ℃、相對(duì)濕度50%)和四川廣漢平原地區(qū)的航空消防實(shí)驗(yàn)室(96 kPa低壓環(huán)境，溫度15 ℃，相對(duì)濕度50%)進(jìn)行。

由于織物含水率直接影響材料的燃燒性能[21]，所以在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，將試樣放在40 ℃和相對(duì)濕度為45%～55%的干燥箱內(nèi)處理24 h，以保證材料在常、低壓下處于基本相同的條件。選取高精度分析天平稱(chēng)取試樣燃燒實(shí)驗(yàn)前后的質(zhì)量變化。利用煙密度測(cè)試儀測(cè)量煙箱中光通量的損失比來(lái)計(jì)量燃燒產(chǎn)物的煙密度；同時(shí)利用煙氣分析儀實(shí)時(shí)檢測(cè)箱內(nèi)氣體成分的變化。此外，利用攝像機(jī)在實(shí)驗(yàn)期間記錄火焰形態(tài)變化。

圖1 材料燃燒綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Experimental layout

計(jì)算質(zhì)量損失比φ可利用式(1)計(jì)算：

(1)

式(1)中：m1為燃燒前總質(zhì)量；m2為燃燒后的質(zhì)量。在常壓環(huán)境下重復(fù)上述操作，記錄相應(yīng)壓力條件下試樣的質(zhì)量損失、煙密度、煙氣成分等特征參數(shù)，并分析其變化率。

根據(jù)材料類(lèi)型分為2組試驗(yàn)，為減小試驗(yàn)誤差和偶然因素影響，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取3次試驗(yàn)的平均值進(jìn)行對(duì)比分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量損失率及火焰形態(tài)

圖2給出了兩種典型乘客衣物材料燃燒40 s時(shí)的火焰圖像。由圖2可知，在61 kPa下兩種典型衣物材料燃燒時(shí)的火焰高度大于96 kPa下的火焰高度；實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與Li等[17]對(duì)木材進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的結(jié)論相符，即火焰的高度隨著壓力的降低而升高。乘客上衣在61 kPa下燃燒時(shí)，底層火焰呈藍(lán)色錐狀，而在96 kPa下燃燒時(shí)火焰底部黃色部分增加。乘客下衣在61 kPa下燃燒時(shí)，火焰底部呈現(xiàn)藍(lán)色球狀；而在96 kPa下火焰整體呈現(xiàn)黃色圓錐狀。

圖3給出了兩種典型乘客衣物材料在燃燒過(guò)程中質(zhì)量損失比情況。由圖3可知，乘客衣物在 61 kPa 下的質(zhì)量損失比等于在96 kPa下的質(zhì)量損失比；乘客上衣的質(zhì)量損失比等于乘客下衣的質(zhì)量損失比。

燃料中的碳元素轉(zhuǎn)化為碳煙的百分比與壓力之間的關(guān)系為[22]

ηs∝Pα

(2)

式(2)中：ηs為碳元素轉(zhuǎn)化為碳煙的百分比，%；α為壓力影響因子；P為環(huán)境壓力，kPa。

由圖2可知，實(shí)驗(yàn)中的火焰有兩個(gè)顯著的部分，一部分是藍(lán)色的火焰，另一部分為黃色的明亮火焰?；鹧娴牧炼群皖伾怯捎谔碱w粒向外界環(huán)境釋放黑體輻射而造成的[23]。由式(2)可知，隨著壓力的降低，燃料中碳元素轉(zhuǎn)化為碳煙百分比降低，碳顆粒的生成較常壓下減少，因此碳顆粒釋放的黑體輻射也會(huì)相對(duì)減少；進(jìn)而導(dǎo)致藍(lán)色火焰占火焰總高度增加，而黃色火焰所占高度部分降低。低壓環(huán)境下，由于空氣密度降低導(dǎo)致浮力羽流減少[24]，使得乘客衣物在單位時(shí)間內(nèi)與外界通過(guò)對(duì)流換熱損失的熱量較少；由圖2可知，此時(shí)因?yàn)闊焿m生成主要發(fā)生在火焰頂端[22]，所以火焰的上部呈現(xiàn)明黃色，而火焰底部的顏色以藍(lán)色為主。在61 kPa低壓環(huán)境下，由于自然對(duì)流減小而削弱了氧氣的供應(yīng)，因此火焰需要增加高度來(lái)卷吸更多的空氣來(lái)維持燃燒反應(yīng)的進(jìn)行；而在96 kPa常壓環(huán)境中因?yàn)楦×ο禂?shù)增大，有利于熱量向外界的散發(fā)，所以火焰底部中黃色火焰增加。

圖2 兩種典型衣物材料40 s燃燒時(shí)火焰圖像Fig.2 Flame images of two typical passenger clothes materials during burning at 40 s

圖3 乘客衣物燃燒質(zhì)量損失比Fig.3 Mass loss rate of burning mass in passenger clothes

固體織物材料燃燒是一個(gè)包括固相熱解和氣相燃燒的物理化學(xué)過(guò)程[25]，通常將其分為以下3個(gè)環(huán)節(jié)：①受熱熔融、裂解，形成不可燃?xì)怏w、可燃性氣體及碳化殘?jiān)虎诋?dāng)環(huán)境溫度達(dá)到著火點(diǎn)時(shí)，可燃性氣體燃燒釋放熱量；③產(chǎn)生的熱量促進(jìn)繼續(xù)材料裂解和燃燒。可炭化固體材料在熱解后，會(huì)形成以炭為主要成分的殘留物覆蓋在固體可燃物表面，并阻礙固體材料的內(nèi)部熱解形成的可燃?xì)怏w從炭化層析出[25]。在觀(guān)察乘客衣物材料燃燒時(shí)發(fā)現(xiàn)，其在熱分解時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種高溫且易流動(dòng)的黑色物質(zhì)；此種物質(zhì)促進(jìn)了熱量的傳遞，增大試樣與火焰的接觸面積，促進(jìn)了燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。

2.2 煙密度等級(jí)

圖4給出了兩種典型乘客衣物在燃燒過(guò)程中的煙密度變化率。從圖4(a)可以看出，在96 kPa下乘客上衣煙密度變化率在前40 s內(nèi)持續(xù)增加，并在40 s時(shí)達(dá)到最大值2.29，然后煙密度呈逐漸減小的趨勢(shì)，并在90 s后維持穩(wěn)定的變化速率；而在61 kPa 下，煙密度變化率在前30 s內(nèi)先快速增加，然后在達(dá)到最大3.22。從圖4(b)可以看出，在96 kPa下，乘客上衣煙密度在前50 s內(nèi)持續(xù)增加直至最大值3.03，然后煙密度快速下降直至90 s后以穩(wěn)定值變化；在61 kPa下，煙密度在前40 s內(nèi)先增加，達(dá)到最大值3.60，然后煙密度快速下降直至90 s 后以穩(wěn)定速率變化。根據(jù)圖4可知，煙密度變化率在兩種壓力環(huán)境下均表現(xiàn)出先上升后下降然后穩(wěn)定變化的趨勢(shì)，但61 kPa下的煙密度變化率在上升階段大于96 kPa，在達(dá)到峰值后變化率小于96 kPa直至在穩(wěn)定階段兩者變化趨于一致。

圖4 乘客衣物燃燒煙密度變化率Fig.4 Change rate of flu density in passenger clothes combustion

在相同的熱流條件下，衣物中棉纖維含量越高，組織結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越小，材料越易燃燒[19,26]；而由乘客衣物的材料構(gòu)成可知，乘客上衣要先于下衣燃燒。在燃燒反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，試樣材料下層的絨頭首先接受外部輻射熱而分解，且當(dāng)可燃?xì)怏w濃度達(dá)到一定值時(shí)燃燒并產(chǎn)生黑煙釋放出大量的煙氣顆粒。

而碳煙體積分?jǐn)?shù)作為碳顆粒的重要參數(shù)，其與壓力成二次方關(guān)系[23]：

fv∝P2

(3)

式(3)中：fv為碳煙體積分?jǐn)?shù)，%。

由式(2)、式(3)可知，燃料中轉(zhuǎn)化為碳煙的碳體積分?jǐn)?shù)與壓力成正指數(shù)關(guān)系，隨著壓力的增加，煙塵的成核速率也會(huì)加速。而在自然環(huán)境條件下，氧氣主要通過(guò)自然對(duì)流和擴(kuò)散機(jī)制供應(yīng)。低壓環(huán)境下火焰對(duì)空氣卷吸作用減弱，空氣密度降低使得雷諾數(shù)也相對(duì)變小，導(dǎo)致火焰向外部分輻射熱流減少；而氧擴(kuò)散速率的降低使得燃燒產(chǎn)生的碳顆粒表面的氧化反應(yīng)速率減少[23]。因此在低壓環(huán)境下，反應(yīng)初期時(shí)的煙密度變化率更大，在達(dá)到峰值后變化率小于常壓直至在穩(wěn)定階段兩者變化率趨于一致。由圖4可知，在0～90 s煙密度變化率大于0，表明煙密度會(huì)持續(xù)增大直至峰值；90～240 s時(shí)的煙密度變化率接近0，表明燃燒產(chǎn)物中的煙顆粒以穩(wěn)定的速率進(jìn)行氧化而損耗。

2.3 煙氣成分分析

圖5 乘客衣物燃燒CO含量變化率Fig.5 Change rate of CO in passenger clothes combustion

圖6 乘客衣物燃燒CO2含量變化率Fig.6 Change rate of CO2in passenger clothes combustion

圖5、圖6分別給出了乘客衣物燃燒產(chǎn)生的CO和CO2含量變化。從圖5(a)中可知，0～3.5 min 乘客上衣在兩種壓力環(huán)境下產(chǎn)生CO的速率趨于一致；在3.5～4.6 min，乘客上衣在 61 kPa 低壓下產(chǎn)生的CO速率迅速上升，在4.6 min時(shí)達(dá)到最大值20.5×10-6s-1。而在96 kPa常壓下，CO在 4.1 min 達(dá)到峰值后快速下降至4.5 min后以穩(wěn)定的速率變化。由圖5(b)知，在0～2.5 min內(nèi)乘客下衣在低壓下產(chǎn)生CO的變化率與常壓相近；在2.5～4.3 min，乘客下衣在低壓下產(chǎn)生的CO出現(xiàn)兩個(gè)峰值；而常壓下CO在4.3 min達(dá)到峰值后快速下降，直至4.6 min后以穩(wěn)定的速率變化。由圖5可知，CO的峰值變化率隨壓力降低而增加。

從圖6可知，乘客衣物燃燒產(chǎn)生CO2增長(zhǎng)速率隨著壓力降低而略有減小；CO2的變化曲線(xiàn)都呈現(xiàn)了先上升后下降，然后維持穩(wěn)定速率變化，最后在 4 min 燃燒結(jié)束后又開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。乘客上衣和乘客下衣在0.6 min附近達(dá)到各自的峰值；在0.7～4.1 min時(shí)，61 kPa低壓環(huán)境與96 kPa常壓環(huán)境下CO2的變化曲線(xiàn)接近一致；但在4.1 min后CO2的變化率出現(xiàn)先降低后增大的變化。

高原環(huán)境下，燃燒主要是在低氧狀態(tài)下進(jìn)行，由以下3個(gè)反應(yīng)主導(dǎo)[26]。

(4)

(5)

(6)

常壓環(huán)境下，因?yàn)榭扇嘉餆峤獾饺紵臅r(shí)間要短、裂解氣釋放的量更多，且此時(shí)氧含量充分支持式(4)燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，所以CO變化率在反應(yīng)初期變化平緩。當(dāng)壓力降低時(shí)，可燃物裂解的時(shí)間變長(zhǎng)，空氣環(huán)境中的絕對(duì)氧濃度減小，煙羽流中卷吸的空氣質(zhì)量流量減少[24]，此時(shí)反應(yīng)以式(5)、式(6)為主導(dǎo)，使得不完全燃燒產(chǎn)物CO生成量增多。由于低壓環(huán)境下煙氣沉降速度減慢，因此使得大量煙氣積聚在頂棚下，減緩了不完全燃燒產(chǎn)物的氧化，導(dǎo)致CO的變化率急劇上升并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常壓。此外，因?yàn)闊煔庠谙潴w內(nèi)充分?jǐn)U散均勻需要一定的時(shí)間，所以在4 min燃燒結(jié)束時(shí)CO和CO2變化率并未趨于穩(wěn)定。此時(shí)箱體內(nèi)部由于燃燒升溫而與外界環(huán)境產(chǎn)生壓差，促使箱體與外界進(jìn)行氣體交換；且當(dāng)頂棚積聚的煙氣開(kāi)始下沉與外部少量空氣接觸后進(jìn)行不充分的氧化反應(yīng)，因此CO的變化率會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)峰值，而CO2含量出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)的變化。

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究及理論分析，得到如下結(jié)論。

(1)在4 min燃燒結(jié)束后，61 kPa環(huán)境下乘客衣物的質(zhì)量損失比與96 kPa環(huán)境下乘客衣物的質(zhì)量損失比相等。

(2) 61 kPa環(huán)境下藍(lán)色火焰占火焰總高度部分增加，而黃色火焰部分減少；且61 kPa下火焰總高度大于96 kPa。

(3) 煙密度變化率在兩種壓力環(huán)境下均表現(xiàn)出先上升后下降然后穩(wěn)定變化的趨勢(shì)；但61 kPa下的煙密度變化率在上升階段大于96 kPa，達(dá)到峰值后變化率小于96 kPa，直至在穩(wěn)定階段兩者變化率趨于一致。且當(dāng)衣物中棉纖維含量越高時(shí)，材料越易燃燒，煙密度達(dá)到峰值的時(shí)間越短。

(4) 61 kPa環(huán)境下乘客衣物燃燒產(chǎn)生的CO2變化率小于96 kPa環(huán)境；而CO的產(chǎn)生速率在0～3.5 min內(nèi)與61 kPa環(huán)境變化基本一致，在3.5～4.6 min內(nèi)CO變化率迅速上升且大于96 kPa，且出現(xiàn)兩個(gè)峰值。