临近壁面火源条件下聚氨酯硬泡火蔓延特性

崔 嵛，李 明，王 劼，初道忠，张 军

(1.山东理工大学 资源与环境工程学院， 山东 淄博 255049； 2. 中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥 230026)

临近壁面火源条件下聚氨酯硬泡火蔓延特性

崔 嵛1,2，李 明1，王 劼1，初道忠1，张 军1

(1.山东理工大学 资源与环境工程学院， 山东 淄博 255049； 2. 中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥 230026)

搭建了大尺寸实验台，通过改变油盘尺寸(长宽比)和距壁面距离得到临近壁面火焰对壁面的热流分布特征，进而对未阻燃和阻燃聚氨酯硬泡材料的火蔓延特性进行了研究.实验结果表明，未阻燃聚氨酯硬泡表面火蔓延极快并伴随着热释放速率的快速上升，而阻燃聚氨酯硬泡的火蔓延速度与临近火焰高度有关.在临近火焰持续冲击下，部分工况热释放速率呈现出双峰.以二维导热模型为基础，建立了临近壁面火源条件下聚氨酯硬泡竖直火蔓延数值模型，对外加火焰和材料自身燃烧火焰的热反馈和火焰高度等输入参数进行了探讨.模拟结果表明，数值模型能较好地预测聚氨酯硬泡的火蔓延趋势.

临近壁面火；聚氨酯硬泡；火蔓延；数值模型

硬质聚氨酯泡沫塑料(RPU)因其质量轻、稳定性好和优异的保温性能而广泛用于建筑保温领域，然而其本身可燃，导致火灾事故时有发生，因此RPU火灾发生机理及火蔓延问题一直是近年来研究的热点.

在实验研究方面，王渊明等[1]研究了样品宽度对RPU材料竖直逆向火蔓延速度的影响；王春三等[2]基于大尺寸实验装置，研究了在不同外加辐射条件下RPU材料的逆向火蔓延特性，并对火焰高度、脉动和火蔓延速度等参数进行了探讨；张苗等[3]对不同热流强度下RPU材料的表观特征变化和燃烧性能进行了研究. 在数值模拟方面，安江涛等[4]研究了狭缝中RPU的竖直火蔓延特性；张威等[5]运用FDS软件对窗口火和墙角火工况下RPU竖向燃烧的发展规律进行了研究.

以上研究或是基于固定的热流施加工况，或是基于数值模拟，而对外加火源发展过程中RPU火蔓延的实验和数值模化问题却较少涉及.本文选取临近壁面火源为场景，通过改变火源参数模拟临近壁面火源场景下RPU的火蔓延特性，并对火蔓延数值模型的构建进行探讨，以期为了解此类火蔓延发展规律和外墙防火构造的设置提供一定的信息.

1 实验装置及工况

用于临近壁面火源热流强度标定的实验装置包括模拟外墙、油盘、Gardon水冷热流计和高清摄像机.实验台尺寸和测点布置如图1所示.模拟外墙尺寸为120cm×210 cm(宽×高)，油盘高尺寸以及油盘距外墙距离可变，燃料为250mL正庚烷.

图1 实验装置图

火蔓延实验则选用25cm×25cm和60cm×10cm两种尺寸油盘，距模拟外墙距离为0cm和10cm，共4种工况(具体参数见表1).所用RPU样品为未阻燃和阻燃两种类型，密度分别为41.0 kg/m3和45.6 kg/m3.阻燃型RPU添加的阻燃剂为3%质量浓度的磷酸三(1-氯-乙丙基)酯(TCPP).保温板为标准尺寸(高×宽×厚)为120cm×60cm×3cm，由螺栓固定于模拟外墙上.材料下边缘距油盘上边缘5cm(实物如图1所示).整个实验装置放置于基于ISO9705标准的量热仪集烟罩下部，实验过程中的热释放速率情况可由量热仪给出. 所有实验均进行两次，当两次实验峰值热释放速率的差值和火焰到达材料顶端的时间差值均不超过10%时，认为是合理的。

表1 实验工况设置

编号油盘尺寸/cm离墙距离L/cm油盘长宽比25⁃025×250160⁃060×100625⁃1025×2510160⁃1060×10106

2 临近壁面火条件下RPU的燃烧行为

2.1 临近壁面火条件下未阻燃PRU燃烧行为

图2以25-0工况为例给出了未阻燃RPU的火蔓延情况.可以看出未经阻燃的RPU在壁面临近火冲击下被迅速点燃，火焰在竖直方向迅速蔓延，热解前锋在6 s左右到达材料顶部，之后火焰才开始表现出侧向火蔓延，但侧向火蔓延速度明显慢于竖直火蔓延速度，直到41 s左右才蔓延到材料两端.因此RPU的竖向火蔓延更具危险性和典型性.

图2 未阻燃RPU火蔓延情况(25-0工况)

图3给出了25cm×25 cm油盘工况未阻燃RPU燃烧的热释放速率情况以及与未放置RPU工况的对比.图3中ti和tp分别为RPU点燃时间和热解前锋到达材料顶部的时间.可以看出，未阻燃RPU燃烧的热释放速率呈现出两个峰值.第一个峰值与材料的表面火蔓延有关.火焰在材料表面向上和两侧的迅速蔓延促成了热释放速率的第一个峰值.这一阶段主要是RPU表面的“过火”燃烧，火焰能在表面自我维持，燃烧形成的炭化层阻碍了火焰向内部的发展.第二个峰值与火焰的热穿透有关.在壁面临近火焰持续冲击下，火焰周围的RPU炭化残渣逐渐氧化变薄、变形，在材料和壁面之间形成空隙，火焰得以进入点燃缝隙里的未燃材料，从而形成了热释放速率的第二个峰值.由此可见，热释放速率双峰的形成与外加火源的穿透能力有关，也即与壁面临近火源施加于材料的热流强度和施加时间有关，同时也与燃烧过程中材料的完整性有关.

(a)25-0工况

(b)25-10工况图3 未阻燃RPU在25cm油盘工况的热释放速率

值得注意的是，25-0工况第一个峰值较大而第二个峰值较小，25-10工况则相反.原因是距离壁面较近的火源，火焰的壁面贴附性明显，初始阶段热流强度较大，这就使得RPU表面火焰向侧面发展的同时，在火源附近的材料也迅速向内部剧烈热解，两者叠加造成第一个峰值较大.而离壁面较远的工况火焰壁面帖附作用相对较弱，需要较长的时间才能使材料深入热解，因此叠加后第二个峰值较大.

2.2 临近壁面火条件下阻燃PRU燃烧行为

图4以25-0工况为例给出了阻燃RPU的火蔓延情况.在壁面临近火焰冲击下，RPU被点燃，但由于阻燃剂的存在，火焰在材料表面不能自我维持，因此阻燃RPU的火蔓延与外加火焰的发展密切相关.一方面随着外加火焰高度的发展，材料表面“过火”蔓延，最终到达材料顶端；另一方面，虽然材料表面火焰不能自我维持，但在外加火焰持续热冲击作用下，材料热解不断向内部进行，造成火势的进一步增大.

图4 阻燃RPU火蔓延情况(25-0工况)

图5给出了25cm×25 cm油盘工况下阻燃RPU燃烧的热释放速率情况以及与未放置RPU工况的对比.可以看出，由于有阻燃剂的存在，阻燃RPU点燃时间和热解前锋到达材料顶端的时间要明显晚于未阻燃RPU.对于25-0工况，可以明显看到两个热释放速率峰值，而25-10工况则在后续过程中出现一个峰值，原因是贴壁火源热流强度更为强烈，在材料初始燃烧过程中就伴随着热解的深化，而离壁面较远的火源，材料热解深入的时间要晚一些.以上分析都是以25cm×25cm油盘结果给出，60cm×10cm油盘工况也有类似趋势，这里不再单独给出.

(a)25-0工况

(b)25-10工况图5 阻燃RPU在25cm油盘工况的热释放速率

3 聚氨酯硬泡竖向火蔓延模型构建

3.1 数值模型描述

火蔓延速率物理模型见图6.求解竖直火蔓延速度问题可转化为求解材料表面达到点燃温度的位置随时间变化问题，也即数值模型的目标是求解材料表面的温度.为了提高结果的精确度，本文采用二维瞬态导热模型.所涉及到的基本方程和初始、边界条件如下：

基本方程：

(1)

初始条件：

T(x,y,0)=T0

(2)

边界条件：

T(x,0,t)=Tig,x≤xp

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：y为材料厚度方向，范围从0到D(取值0.03m);x为材料高度方向，范围从0到H(取值1.2m)；α为热扩散率，对于未阻燃RPU其值为8.5×10-9m2/s，阻燃RPU其值为8.0×10-9m2/s[6-7]；xp为解热解前锋的位置，Vp为解热解前锋的移动速度；xf为火焰高度，Vf为火焰的竖直移动速度；点燃温度由热重分析数据得到，分别为300.4 ℃和314.8 ℃；材料背面有对流方式的热量损失，取对流换热系数h=0.01 W/m2·K，取环境温度为T0=25℃.临近壁面火工况简化后的输入参数见表2.

图6 火蔓延物理模型

表2 临近壁面火热流输入参数

编号q·″p/kW·m-2q·″f0/kW·m-2α1(0．41)25⁃074．112．7-1．87-4．5860⁃078．217．7-1．54-3．9825⁃1066．514．6-1．60-3．5360⁃1077．030．4-1．13-2．60

3.2 火焰对材料热反馈数值模型描述

火焰对材料的热反馈可表示为材料自身燃烧的热反馈加上临近火焰对材料的热反馈再减去材料表面对外的热损失，即

(7)

(1)材料自身燃烧火焰的热反馈

未阻燃RPU点燃后能够自我维持燃烧，其热反馈具有以下的形式[8]：

(8)

(2)临近壁面火对材料的热反馈

通过对实验数据的分析，可得临近壁面火对外壁面的热反馈(热流强度)有如下分布规律：

(9)

(3)辐射热损失

辐射热损失有如下形式：

(10)

3.3 瞬态火焰高度的数值模型描述

火焰高度与热释放速率密切相关，可认为两者有如下关系[9]：

(11)

需要注意区分两个火焰高度，一是壁面临近火源燃烧火焰的高度Zf，二是沿竖直方向总的火焰高度xf.可认为xf是壁面临近火焰高度和材料自身燃烧火焰高度的融合.

由此可知，在材料被点燃前xf与Zf相等.在材料被点燃后则分为两种情况：对于未阻燃RPU，由于其表面过火燃烧非常快，因此可认为在很短的时间内热解前锋即可到达材料顶面，而在这段时间内临近壁面火的发展较为缓慢，可认为基本没有变化，也即在这一过程中Zf可看作是一定值；对于阻燃RPU，没有外加火焰的热反馈不能维持燃烧，可认为其自身燃烧火焰的热反馈近似为零.这时使得火焰沿材料表面向上蔓延的热反馈全部来源于临近壁面火焰，也即这样Zf等于xf.用xf替换式(9)中的Zf便可得到此种情况下的动态热流分布.

3.4 编程与求解

计算网格采用结构化网格，在表面附近对网格加密. 经网格独立性检测，得到高度方向为120个均匀网格，厚度方向为30个在表面附近逐渐加密的网格. 模型求解采用Gauss-Seidel点迭代方法，当各节点温度变化值小于上一时间步温度值的10%时，即认为该时间步温度收敛.

4 结果与讨论

25cm×25cm油盘工况未阻燃和阻燃RPU竖向火蔓延的数值计算结果与实验结果的对比见图7.对于未阻燃RPU，热解前锋在较短时间内即可到达材料顶端，由图7可见数值结果能较好地预测火蔓延发展的趋势.同时由于模型中的输入和测量参量较多，如热释放速率、火焰热流、材料物性以及火焰和热解前锋的高度，所以误差的累计可能对模型最终的输出结果产生影响，这会使预测结果与实测结果产生一定偏差.

(a)25-0未阻燃

(b)25-10未阻燃

(c)25-0阻燃

(d)25-10阻燃图7 25×25 cm油盘工况RPU数值模拟结果与实验结果比较

对于阻燃RPU，在没有外加火焰热反馈情况下不能维持火蔓延，这就导致了热解前锋的高度与火焰高度非常接近.从图7可以看出，阻燃RPU工况实测火焰高度和热解前锋高度波动较大，这是因为阻燃RPU的火蔓延与壁面临近火焰密切相关，而壁面临近火焰在发展过程中波动较大，因此会造成实测值有较大波动.从图7中还可以看出，有的工况热解前锋的高度会超过火焰高度，这是由于被点燃的区域在外加火焰消失后还能维持部分炭化燃烧使得热解前锋能在原位置维持一段时间造成的.数值模型对这一现象也做出了预测.60cm×10cm油盘工况也有类似趋势，这里不再单独给出.

5 结 论

(1)在壁面临近火的冲击下，部分工况的RPU燃烧会出现两个热释放速率峰值.峰值的大小与外加火焰的热冲击强度有关，也与燃烧过程中材料的完整性有关.

(2)火源离壁面距离会影响壁面热流强度的大小.越近的火源帖附效应越强，热流强度也强，热解深化提前，相应RPU燃烧的第一个峰值大.反之亦反.

(3)对于未阻燃RPU，热反馈主要来自RPU自身燃烧火焰，二维瞬态导热模型对火蔓延的预测结果较好.而对于阻燃RPU，外加壁面临近火焰的波动会造成热解前锋位置和火焰高度的强烈波动，数值模型也能较好预测火蔓延的发展趋势.

[1]王渊明, 赵恒泽, 赵兰明, 等. 试样宽度对RPU板竖向逆流火蔓延的影响[J]. 燃烧科学与技术, 2013 (4): 365-370.

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[3]张苗, 刘幸娜, 陈阵. 辐射强度对建筑典型外保温材料燃烧性能影响的试验研究[J]. 中国安全科学学报, 2013(12): 42-47.

[4]安江涛, 蒋勇, 邱榕, 等. 泡沫材料在狭缝空间垂直火蔓延的数值模拟[J]. 中国安全生产科学技术, 2012(2): 5-9.

[5]张威, 朱国庆, 张磊. 三种常用外墙可燃保温材料竖向燃烧特性数值模拟研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2012(1): 11-17.

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(编辑：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

国家自然科学基金项目(51604169)；火灾科学国家重点实验室开放课题(HZ2012-KF14)

崔嵛，男，yucui@sdut.edu.cn

1672-6197(2017)06-0012-06

X913.4;TK

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