室内火灾旋转火焰影响因素试验研究

●崔晓星

(宁波市消防支队，浙江宁波 315000)

0 引言

旋转火焰是火焰的一种特殊存在方式，在其运动过程中，不仅具有向上运动的羽流速度，而且还具有水平方向的旋转速度［1-2］。发生于室内火灾中的旋转火焰，与非旋转火焰相比具有更快的燃烧速度，更大的热辐射输出量，在旋转中心的小区域内热量释放更集中，还有无法预料的烟气运动［3-5］。因此，科学地认识这一火灾行为，深入研究旋转火焰在工业和民用建筑火灾中的发展状态及其影响因素就显得非常重要和十分紧迫。

1 试验装置及条件设置

1．1 试验系统及燃烧源设置

试验中选取煤油作为燃料。试验的主要装置是SNHZ-01试验系统，该系统主要由火灾试验箱、火灾数据检测系统和上位机等部分组成。火灾试验箱呈长方体，其外部尺寸为0．68 m 长、0．42 m 宽、0．42 m高;顶棚处开设天窗，开口面积可变;燃烧池位于箱内地板中心点上方20 mm处，下有金属托盘;温度检测系统主要由热电偶和多路火灾信号检测仪组成;热通量测量系统主要是由两个连接火灾多路信号检测仪的辐射热流计和计算器组成，为了检测箱内地板处的辐射热流量，在地板上距离短边0．20 m处设置一个热流计，如图1所示。质量损失测量系统由电子天平和电子打印机组成。根据试验需要设置一定的时间间隔，实时测量燃料质量的变化数据，用以计算质量损失速率。

图1 试验箱内器件布置情况

试验过程中，热电偶、辐射热流计分别实时测量试验箱内各测试点的温度、地板处的辐射热通量等几个参数，并通过火灾信号检测仪同步记录到与之相连的上位机内;电子天平置于燃料托盘下，根据设置的时间间隔测量出燃料的质量变化，由电子打印机输出相关数据，手工输入到上位机内。热电偶和辐射热流计连接在同一台数据采集仪上，可以保证测得的温度值与辐射热通量值在时间上同步;燃料在燃烧过程中产生的质量损失数据需要手工录入计算机以便进行差值计算，因此温度变化与质量损失速率之间的同步性需要人为控制［6］。

1．2 房间结构及条件设置

图2是双门轴对称式房间的结构示意图。房间的前后宽墙上各设一高、宽均可调节的全敞开门，分别位于前后墙的左右两端，这样的轴对称结构使气流从火焰的两侧切向卷入，更有利于形成旋转火焰。天花板正中间设一正方形通风口，通过更换顶棚来实现通风口面积的改变。试验设计面积分别为196、400和841 cm2的顶棚通风口，分别占地板面积的7%、14%和30%。在门的宽度一定的前提下，改变门的高度，获取并研究试验数据。门的宽度也作为改变的对象，以研究门的宽度对各火灾参数的影响。具体的试验条件如表1。

图2 房间结构示意图

表1 试验条件

2 结果与讨论

2．1 试验现象描述

燃料在最初引燃时，燃烧面积较小，随着火焰对油品的加热作用，液面温度不断升高，火焰很快蔓延至燃料整个表面。一段时间后，火羽开始发展，在整个房间上部形成了热烟气层，同时通过天花板上的通风口流出房间。随后火羽变得不稳定并开始旋转，火焰根部变细，燃烧强化，火焰由于旋转而显著变长，通过天花板通风口可以看到火焰;一旦火焰高度超过墙，旋涡中心就开始被破坏。一段时间以后，旋转火焰变得不稳定，旋转中心发生飘移，整个火焰柱在自旋的同时沿燃料盘边缘移动;然后火焰的旋转减弱，高度降低，变成普通的独立式池火。然后自行重复循环，形成新的旋转火焰，循环一直重复直到池中燃料燃尽。

2．2 房间结构对参数的影响

在轴对称双门房间的火灾模拟试验中，在确保其他条件不变的情况下，分别对燃料池大小、顶棚通风口面积、门宽和门高进行变化，测量不同条件下热烟气层温度、升温速率、燃烧速率和地面辐射热通量等参数，以此来定量描述房间结构某一条件的变化对于室内火灾旋转火焰带来的影响。测量得到4组对比示意图和相应的数据，见图3、4、7、8和表2～5。

2．2．1 燃料池大小

在对比试验中，房间的顶棚通风口面积取196 cm2，占地板面积的 7%;门宽为 14．8 cm;门高为22．5 cm。由图3和表2可以看出，随着燃料池面积的增大，温度峰值逐渐升高，升温速率和燃烧速率也逐渐加快，地面辐射热通量值增大，且各参数峰值出现时间逐渐提前。

2．2．2 顶棚开口面积

图3 燃料池面积变化引起的各火灾参数变化图

表2 不同燃烧池面积下的火灾参数

在对比试验中，选取中等尺寸，即面积为100 cm2的燃料盘;门宽为14．8 cm;门高为11．3 cm。由图4和表3可以看出，随着顶棚开口面积的增大，温度峰值和地面辐射热通量值逐渐减小，而升温速率与燃烧速率的峰值和均值都出现了先增大后减小的情况，由此判断在7% ～30%区间内存在临界点，使各均值和峰值达到最大值。因此需要补充变化条件，通过拟合曲线，找出临界点。

图4 顶棚开口面积变化引起的各火灾参数变化图

表3 不同顶棚开口面积下的火灾参数

为了研究升温速率和燃烧速率随顶棚开口面积改变的变化趋势，对5种开口大小(开口面积占地板面积的百分比分别为7%、10．5%、14%、22%和30%)进行了试验。图5和图6中的曲线为试验数据点的拟合曲线(相关性系数均大于0．9)，可以看出，升温速率均值和峰值的临界点出现在13．95%、14．89%;燃烧速率均值和峰值的临界点出现在18．94%、20．19%。

2．2．3 门宽

在对比试验中，房间的顶棚通风口面积取196 cm2;选取面积为100 cm2的燃料盘;门高为22．5 cm。由图7和表4可以看出，随着门宽度的减小，温度峰值逐渐升高，升温速率和燃烧速率也逐渐加快，地面辐射热通量值增大，且各参数峰值出现时间均逐渐提前。

2．2．4 门高

图5 升温速率的峰值和均值随顶棚开口面积的变化趋势拟合图

图6 燃烧速率的峰值和均值随顶棚开口面积的变化趋势拟合图

图7 门宽变化引起的各火灾参数变化图

表4 不同门宽下的火灾参数

在对比试验中，顶棚通风口面积取841 cm2;选取面积为100 cm2的燃料盘;门宽为14．8 cm。由图8和表5可以看出，随着门高度的减小，温度峰值逐渐升高，升温速率和燃烧速率也逐渐加快，地面辐射热通量值增大，且各参数峰值出现时间均有所提前。

图8 门高变化引起的各火灾参数变化图

通过比较研究上述4种参数的均值、峰值以及峰值对应的时间，发现随着燃烧池面积的增大和门宽的减小以及门高的降低，旋转火焰引起的火灾危险性增强。这可通过房间结构条件对旋转火焰的影响加以解释。密度梯度和压力梯度的大小是涡旋传输的重要因素之一，燃烧池面积的增大增强了燃料密集区反应物的混合，使得火焰内部的密度梯度和压力梯度进一步增强，旋转火焰涡度进一步增强，增大了火灾的危险性;在燃料池面积一定的情况下，燃料燃烧所需空气量一定，门宽的减小和门高的降低使得门口单位面积的质量流速增加，高速气流的卷入促使密度梯度和压力梯度增强，旋转增强，危险性加大。在分析结果中发现，随着顶棚开口面积的增大，升温速率和燃烧速率则出现了先增大后减小的现象。这可能是由火灾放热和散热两方面因素相互作用引起，一方面顶棚开口面积增大，单位时间内热烟气带走了更多的热量;另一方面火焰周围气流的流动速度也随开口面积的增大而增大，使得反应速率加快，单位时间内放出了更多的热量，使烟气温度升高［7］。

表5 不同门高下的火灾参数

3 结论

3．1 本文通过试验在小尺寸房间中重现了火焰的旋转现象;并在没有外部鼓风的情况下，实现了旋转火焰的自发产生。

3．2 运用小尺寸试验方法对室内火灾的旋转火焰现象进行了描述。观察到旋转火焰具有自旋、根部变细、焰柱增长和旋转中心飘移等特征;并直观展示了旋转火焰的形成、自旋、中心飘移和消失的周期运动的全过程。

3．3 在轴对称双门房间的火灾模拟试验中，在其他条件不变的前提下，分别改变燃料池大小、顶棚开口面积、门宽和门高，测量了不同条件下热烟气层温度、升温速率、燃烧速率和地面辐射热通量等参数的数值，以此来定量描述房间结构某一条件的变化对室内火灾旋转火焰火灾危险性的影响。结果表明，随着燃烧池面积的增大和门宽的减小以及门高的降低，旋转火焰引起的火灾危险性均呈增强趋势;而随着顶棚开口面积的增大，火灾危险性出现了先增大后减小的情况。

［1］ASHURST W M T，MCMURTRY P A．Flame Generation of Vorticity:Vortex Dipoles from Monopole［J］．Combust Sci．＆Tech，1989，66:17．

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［6］崔晓星．室内火灾旋转火焰燃烧特性试验研究［J］．武警学院学报，2011，27(6):10-12．

［7］王婷婷，宋飞．室内火灾轰燃喷出火焰的数值模拟研究［J］．武警学院学报，2011，27(8):18-20．