试样放置角度与外加辐射强度对可碳化固体表面火蔓延的影响

朱 超,张 英,孙金华

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,安徽合肥,230026)

试样放置角度与外加辐射强度对可碳化固体表面火蔓延的影响

朱 超,张 英,孙金华

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,安徽合肥,230026)

选取了尺寸为400mm×90mm×3mm质地较为均匀的白木作为研究对象,对不同试样放置角度和不同外加辐射强度作用下的火焰高度、火蔓延速率和失重速率等火蔓延参数进行了测量,以研究试样放置角度和辐射强度对可炭化固体表面火蔓延的作用规律。研究发现,试样表面的火蔓延速率随辐射强度的增加而增加。当角度在负角度范围内时,角度的变化对火蔓延速率的影响不大,当角度在正角度范围内时,火蔓延速率随着角度的增加而迅速上升。试样失重速率随着辐射强度以及试样放置角度的增加而增加。火焰高度会随着外加辐射强度的增加而增加,并与试样失重速率的0.4次方呈正比关系。

可碳化材料;辐射强度;试样放置角度;火蔓延速度;失重速率;火焰高度

0 引言

固体可燃物表面火蔓延是火灾中常见的现象。科学地认识固体可燃物表面的燃烧机制和火蔓延机理是火灾科学研究的重要内容。

火蔓延的过程是材料的物理传热与化学反应相结合的过程,它不仅受到材料自身物化性质的影响,也受到外加辐射强度、放置角度、风速、环境温度等外界因素的制约。前人对火蔓延过程已经进行了大量的研究工作[1-9]:de Ris[1]对火蔓延进行了理论和实验研究,给出了半无限厚的热薄型材料在逆流下的火蔓延模型;William s[2]对火蔓延的机理进行了研究,建立了燃料表面的热平衡等式;Saito,Quintiere和William s[3]提出SQW模型,由此模型进一步可得到一个积分形式的火蔓延方程,其结果能很好的预测PMMA的火蔓延过程。A treya[4]在模型中引入碳化边界层,通过假设气相反应为无限化学反应速率以及热解区域内的碳化层表面温度一致,给出了热厚可碳化固体的火蔓延模型,该模型在边界层流为抛物线型时成立。Quintiere[5]提出了对于餐巾等材料火蔓延过程与其试样放置角度的关系。邹祥辉[6]等分析了外界辐射强度对胶合板等材料表面火蔓延的影响。王海晖等[7]通过实验确定了木条火蔓延与其竖直角度的关系。陈鹏等[8]详细分析了试样放置角度变化对木材表面火蔓延速率的影响。Zukoski[9]在总结大量数据的基础上提出了火焰高度与热释放速率的关系。万维等[10]提出了火蔓延速率与环境氧浓度的关系

目前尚未见辐射强度和试样放置角度两个因素共同作用于木材火蔓延过程的详细报道。本文选用质地较为均匀的白木为材料,在不同试样放置角度以及不同外加辐射强度下进行了一系列实验,分析了外加辐射强度和试样放置角度对火蔓延的影响。得到了在试样放置角度与外加辐射强度两个因素作用下可碳化固体表面火蔓延速率、试样失重速率、火焰平均高度的变化规律。

1 实验装置与方法

1.1 实验装置

实验装置的示意图如图1所示,整个实验台主要包括三个部分:燃烧风洞、试样固定支架和数据采集系统。试样固定支架放在燃烧风洞的测试段,以防止外界气流的干扰并提供一个静止的流场环境。测试段长1.5m,横截面积为0.7m×0.7m的正方形。测试段顶部安装有电加热板,尺寸为500mm× 600mm×50mm,可以保证试样所处空间热流均匀一致。电加热板的辐射功率可以通过调节电流来调节最大辐射功率为60kW/m2。实验中为了观察方便,在燃烧风洞的前侧壁上安装有一个玻璃窗,这样可以用摄像机从侧面记录下火蔓延的过程,同时在风洞的开口处也放置一台摄像机,从正面记录下火蔓延过程中的火焰形态。试验过程中将试样固定在一个可以调整试样放置角度的旋转支架上(旋转支架的实物图如图1.b所示)。旋转支架放在一台型号为LA 8200S的赛多利斯电子天平上,电子天平的量程为8200g,精度为0.01g。这样可以实时精确地记录下火蔓延过程中的试样的质量变化。

图1 (a)实验装置示意图,1.整流段、2.风机、3.测试段、4.观察窗、5.样品支架、6.摄像机、7.电脑、8.电子天平;单位(cm)(b)样品支架实物图。Fig.1 (a)Schematic of experiment setups(b)Actual picture of sam ple holder

1.2 实验试样

由于木材的条纹结构导致木材的理化性质存在着各向异性,例如平行于条纹方向的导热系数约为垂直于条纹方向的两倍,而透气性的量级可相差1000倍,因此在燃烧表面下的木材热解生成挥发份的溢出速率,顺着条纹方向的表面要比垂直于条纹方向的表面要快得多,这样就会导致火蔓延特性也存在着各向异性。因此,实验中选取质地较为均匀的白木作为研究对象,样品选取时保证试样表面光滑平整无缺陷,并保证火蔓延方向与木纹方向一致。试样长40cm,厚0.3cm,宽9cm。为便于测量火蔓延速率,在试样上每隔2cm画一个刻度,标上相应数字。在火蔓延过程中,样品表面会热解变黑,可以认为试样上表面颜色变化速度就是火蔓延速度。然后将画好刻度的试样放置在恒温箱中烘干48h以上,以降低木材含水率对火蔓延的影响。最后将干燥之后的样品从恒温箱中取出,用保鲜膜包裹起来,冷却放置一段时间直至样品的温度恢复至环境温度。在实验开始之前将试样固定在试样支架上。实验开始时,采用线性点火器从样品的一端点燃,之后移开点火器。如果火蔓延距离小于6cm,则认为火蔓延过程不能维持。

1.3 实验方法与条件

为了研究试样放置角度对火蔓延过程的影响,开展了一系列不同辐射强度和放置角度的实验。本实验的过程和方法如下:实验前先把辐射板预热二十分钟使之达到稳定状态。每组实验前用隔板挡住试样,以防止辐射板对试样的预热作用,实验开始并点火成功后再移开隔板。规定竖直向上的表面火蔓延为90°,使之向下的表面火蔓延为-90°。样品的角度范围从-30°变化至20°,角度间隔为10°;热流计测得试样表面接受到辐射强度为0,1.5 kW/m2, 3.0 kW/m2,4.0 kW/m2;实验环境温度为:22℃～28℃;相对湿度为:50%～70%。

2. 实验结果及分析

2.1 火蔓延速率的比较

火蔓延速率是表征固体可燃物表面火蔓延行为的重要参数。本文讨论的火蔓延速率是指火焰蔓延的距离除以蔓延时间。如果在某种条件下火蔓延距离小于6cm即熄灭,则认为火蔓延不能维持,对于逆流火蔓延或者没有强迫对流的水平火蔓延来说,固体可燃物表面火蔓延速度一般定义为火蔓延前锋相对于试样表面的移动速度。

图2a至图2d是不同辐射强度下火焰前锋位置与时间的关系:

图2 不同辐射强度下火焰前锋位置与时间的关系:(a)0kW/m2、(b)1.5kW/m2、(c)3.0kW/m2、(d)4.0kW/m2Fig.2 Plot of flame fron t location with time under differen t external radian t in tensity: (a)0kW/m2、(b)1.5kW/m2、(c)3.0kW/m2、(d)4.0kW/m2

从图2可以看出,试样的火蔓延速率都随着试样倾斜角度的变大而加快,受辐射强度影响不大,因为随着倾角的增大,上表面火焰与试样上表面夹角变小,增加了气相火焰对固体表面的辐射传热和对流传热,使得试样热解加快,热解出来的气体对燃烧有加强作用,从而加快了火蔓延速率。

通过对火蔓延的位置时间曲线进行线性拟合,得到的斜率值即为火蔓延平均速率,图3是各个辐射强度下火蔓延平均速率与角度的关系:

从图3可以明看出,随着辐射强度的增加,平均火蔓延速率总体呈增加的趋势。这是因为外加辐射促进了试样的热解,从而加强燃烧。从图中还可以看出,各个辐射强度下负角度范围内火蔓延速率趋近一个常数。这是因为在负角度范围内的火蔓延,气相火焰对试样的加热有限,而外加辐射源对试样火蔓延的起到了主导作用。所以同一辐射强度下,负角度范围内的火蔓延速率趋近于一个常数。

在正角度时,由于气相火焰对固体试样的热辐射和对流传热将随着试样放置角度的增加而增加,所以火蔓延速率随着角度的增加快速上升。随着角度的增加,火焰逐渐贴近试样表面。试样表面热流的主要来源从外加辐射变成火焰对其的传热,火焰与试样表面的角度成了主要控制因素。陈鹏等[8]研究认为,当试样放置角度在-30°到0°之间时,火蔓延速度总体来说会随着角度的增加而增加过程,但增加幅度不大。

图3 各个辐射强度下火蔓延平均速率与角度的关系Fig.3 Plot of flame spread velocity with sample orientation under different external radiant intensity

2.2 试样失重速率的比较

试样的热解速率是燃烧过程中的一个重要指标,热解速率对于火蔓延的发生维持均起着关键的作用。而通过研究材料的失重速率和热解特征,从而进一步研究外部参数对该燃烧过程的影响。

图4.a至图4.d为试样在不同辐射强度和不同放置角度下的失重速率:

从图4中看出,在同一辐射强度下随着角度的增加,试样的失重速率增加。原因和火蔓延速率增加的原因相同。通过对试样失重时间曲线进行线性拟合,得到的曲线斜率即为试样的失重速率。图5为不同试样放置角度下,试样失重速率与外加辐射强度的关系曲线:

图4 不同辐射强度下试样失重与时间的关系:(a)0kW/m2、(b)1.5kW/m2、(c)3.0kW/m2、(d)4.0kW/m2Fig.4 Plot of mass loss rate of samples with time under different external radiant intensity: (a)0kW/m2、(b)1.5kW/m2、(c)3.0kW/m2、(d)4.0kW/m2

从图5中可以看出,随着辐射强度的增加,试样平均失重速率总体呈增加的趋势。而在同一个辐射强度下,在负角度范围内时试样失重速率增加不明显,而在正角度范围内时试样失重速率随着角度的增加迅速增加。

2.3 不同外部辐射热流下火焰高度比较

在实际火灾中,火焰温度高达千度以上,它到达的地方会造成人员伤亡和财产损失,而且由于它本身可以发出大量的热辐射,引燃其它可燃物,加热不可燃物使之可燃,所以研究火焰的辐射特性具有很强的现实意义。在理论上,要研究火焰的辐射性质必须先知道火焰的高度变化规律。通过将拍摄的火蔓延视频导入Adobe Premier将其离散成图片,然后将火焰稳定传播一段时间的图片导入M atlab,编写程序处理之后可以得到不同外部辐射强度条件下,0°角时火焰高度的数据。图6.a至图6.d为各个辐射条件下0°角时火焰高度的数据的曲线。

图5 不同角度下试样失重速率与外加辐射强度的关系曲线Fig.5 Plot of mass loss rate of samples with external radiation

从图6中可以看出,随着辐射强度的增大,火焰高度逐渐变高。这是由于辐射加热空气,使空气温度变高,使燃烧区域增大。同时各个辐射强度下火焰高度均随着时间呈现出波动的变化特征。造成这种现象的原因是火焰的振荡。这种振荡主要是由于火羽流与周围空气之间的边界层不稳定性造成的。研究表明,浮力羽流的火焰不稳定性正相关与火焰的浮升力。辐射强度与平均火焰高度关系如图7所示。

Zukoski[9]认为,火焰高度L和热释放速率中对流部分所占的量Qc的0.4次方具有线性关系。为了简化分析,我们认为试样白木的热值是一定的,于是得到热释放速率Q与试样失重速率m,成正比。由于在不同辐射强度下火焰温度和环境温度变化均不大,可以认为对流部分所占的量的比例Qc/Q近似为一个常数。经过以上假设,可以得到火焰高度L与质量损失速率m′,呈0.4次方的关系。图8是实验结果与Zukoski的结论的比较,可以发现两者非常相近。

图6 不同辐射强度下水平放置试样条件下火焰高度与时间的关系: (a)0kW/m2、(b)1.5kW/m2、(c)3.0kW/m2、(d)4.0kW/m2Fig.6 Plot of horizon tal flame height with time under different external radian t intensity: (a)0kW/m2、(b)1.5kW/m2、(c)3.0kW/m2、(d)4.0kW/m2

3 结论

分别在0、1.5kW/m2、3.0kW/m2、4.0kW/m2四种外加辐射强度下,不同放置角度下火焰前锋位置、试样质量随时间的变化关系,通过理论和实验分析得到如下结论:

(1)当试样放置角度和辐射强度的增大时,试样表面火蔓延速率均增大。在试样放置角度在负角度范围内时,火蔓延速率随着角度的增加变化不明显;当试样放置角度在正角度范围内时,火蔓延速率随着角度的增加而迅速增加。

(2)试样失重速率会随着试样放置角度和辐射强度的增大而增大。其随着试样放置角度变化的规律与试样表面火蔓延速率随着试样放置角度变化的规律相似。

图7 辐射强度与平均火焰高度的关系Fig.7 Plot of average flame height with external radiant intensity

图8 火焰高度与失重速率关系曲线Fig.8 Plot of average flame height with mass loss rate of samples

(3)当试样放置角度为零时,火焰平均高度随着外加辐射强度的增加而增加,火焰高度L与试样失重速率m′呈0.4次方的关系。

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Fire spread over charring materials: Influence of the sample orien tation and external radian t in tensity

ZHU Chao,ZHANG Ying,SUN Jin-hua
(State Key Laboratory of Fire Science,University of Science and Technology of China,Anhui Hefei,230026,China)

In this paper,w hitewood sheets in size 400mm×90mm×3mm have been selected as the typical charring material,in order to explore the characteristics of the flame spread under different circum stances,especially with different external radiant intensities and different anglesof orientation.Wemeasured the flame spread rate on the surface of the sample,the weight loss rate of the sample and the flame height.Results show that the flame spread rate increases as the external radiant intensity and the angle of o rientation increase.For the negative angles,the increase of the angle only results in a slight increase of the flame spread rate,w hile fo r the positive angles,the increase of the angle results in a great increaseof the flame spread rate.Similarly w ith the flame spread rate,the weight loss rate of the sample increasesas the external radiant intensity and the angleof orientation increase aswell.With the external radiant intensity added,the flame heightwould increase.The relation between themass loss rate of the sample and the flame height is similar w ith that proposed by Zukoski.

Charring material;External radiant intensity;Angle of orientation;Flame spread velocity;Weight loss rate; Flame height

book=92,ebook=92

X928

A

1004-5309(2010)-0232-07

2010-06-09;修改日期:2010-06-27

朱超(1988-),男,湖北武汉人,中国科学技术大学安全科学与工程系07级本科生,研究方向为可碳化固体表面的火蔓延规律研究。