侧向风速对于聚氨酯水平贴壁火蔓延实验探究①

王经纬，李浩瀚，马 鑫,*

(安徽建筑大学a.土木工程学院，b.环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

建筑外墙保温材料的广泛应用一方面提高墙体保温隔热性能，另一方面也增加了室内热稳定性。外墙保温系统一般采用聚苯乙烯(PS)，聚氨酯(PU)等高分子聚合物材料，它们在火灾中由于不完全燃烧和热解会产生大量的烟尘和CO、HCN等有毒气体，并且具有极快的火蔓延速度，部分保温材料燃烧时的熔融滴落特性更是会导致火灾危害性进一步提升。实际上，火蔓延是火焰羽流和热解材料之间传热传质的结果[1]，其中大部分是针对保温材料在不同火灾场景下进行实验研究[2-3]。Ma等[4-5]研究发现，火蔓延速率与不同立面倾角下的压力有关，当环境压力较低时，较宽的试样随着熔滴行为的发生火焰前沿逐渐扩展，而较窄的幕墙间距下热反馈作用会产生连续的熔滴液体。Wang等[6]主要分析了八种较为典型的高分子聚合物的垂直火蔓延特性及相关燃烧行为特点。其研究指出，高分子材料的热解机理对垂直火蔓延过程中的熔融滴落有着十分显著的影响。此次研究针对真实高层建筑火灾案例中易燃的外立面水平保温材料软质聚氨酯(flexible polyurethane，FPU)受到环境风速影响下的火蔓延特性开展实验，分析不同侧向风速下保温材料FPU水平贴壁火蔓延行为特性，研究结果为高层火灾防治提供理论支撑。

1 实验设计

所有实验均在如图1所示的实验平台进行。石膏隔热立面良好的高温稳定性能够更好地模拟真实建筑立面构型，同时实验中选取常用的外保温材料FPU水平固定于石膏立面，调整侧向均匀送风装置模拟真实环境风效应，开展实验室规模水平壁面火蔓延实验。火蔓延系统由石膏隔热立面、支架、熔滴槽等组成，其目的是提供真实建筑的立面构型，更加贴合壁面火灾实际场景。数据采集系统则是由各类实验仪器组成。配置10根K型热电偶阵列(测量范围0-1300℃，精度0.01℃)编号T0-T9，分两行布置在距离实验板材表面2mm处，如图1所示，用来记录火蔓延过程中板材表面气相温度场变化情况。板材表面设置两支水冷式辐射热流计(上海图新，精度 0.01kW/m2)用来记录板材近域辐射热流场变化，同时表征燃烧区域向外热辐射热效应。固定支架下方设置高精度电子天平(精度 0.01g,德国Sartorius )，记录火蔓延中保温材料燃烧质量损失及熔融滴落物质量，便于后期分析FPU质量损失速率等参数。位于实验平台正面(1#)与侧面(2#)设置高清相机(SONY,FDR-AX100E,50 fps)记录蔓延全过程中火焰形态变化和火焰前锋特征。调节侧向均匀送风系统至实验风速，风速仪校准标定风速误差小于±0.1m/s，符合实验要求。每组实验工况重复不少于3次，选取可重复得到的实验数据进行分析。实验结束后对所得各项数据进行优化，剔除部分波动数据后进行分析与讨论。

图1 保温板材FPU水平火蔓延实验平台

表1 实验所有FPU材料各项物性参数

2 实验分析

2.1 火焰羽流形貌特征

火焰形态特征能够反应燃烧物热释放速率的大小，还受周围环境空气对流因素的影响，这对火灾过程控制具有决定性作用，因此研究蔓延过程中火焰形态非常有必要。当处于无风环境中(图2a)，火焰前峰表现为一维线性特征，热解前锋存在一定程度的倾斜，这是因为热解区域熔融层相变液体受自身重力作用流淌、滴落，板材下侧往往能够积聚更多的燃烧热，促进下侧预热区热解、蒸发。侧向风速存在时(图2b)，随着火蔓延进入稳定阶段，热解前沿呈现上下“二段式”分布特征。然而，随着风速的增大(图2c-d)，火焰会紧贴壁面并存在一定程度的拉伸，热解前锋特征长度呈“上长下短”的形式，换句话说，热解前锋夹角端点不断下移。这是因为火焰羽流耦合侧向风力与浮力作用，使原本无风环境下处于竖直状态的火焰受到水平应力分量被拉伸和倾斜，热解前锋由原先的一维线性转变为侧向风速存在时的“斜V”型二段分布，并且上侧热解前锋特征长度不断增加。

图2 不同侧向风速下火焰羽流热解前锋形态特征

2.2 板材质量损失变化

聚合物保温材料火蔓延将会经历四个阶段：熔融、热解、燃烧和蔓延。热固性保温材料FPU燃烧行为是多相态耦合过程，熔融滴落的液相材料会在周围形成油池火，二者互相的热反馈作用将加剧火势。实际建筑立面火灾中，FPU燃烧产物主要为烟尘颗粒和液态熔滴物，其中烟气产物对于火灾现场人员逃生形成较大障碍，而高温熔融物的流淌、滴落很可能会引燃周围可燃物，进一步促进火势蔓延。通过计算原始板材与实验结束后熔滴槽承接滴落物的质量，求得板材各部分燃烧产物分布情况，这对计算不同风速下FPU板材熔滴率(熔滴物)与燃烧挥发率(烟气)具有重要意义。定义

(1)

来表征FPU板材的熔融滴落率。式(1)中mi为板材初始质量，md为每组实验结束后由熔滴槽上收集的滴落物质量，如表2所示。

表2 不同风速下FPU熔融滴落和燃烧挥发质量百分比

从表2可以看出，随着侧向风速的增加，燃烧熔滴率ηd逐渐增加，燃烧挥发率逐渐减小。这是因为侧向风速的存在一方面为燃烧区域熔融液体提供水平应力分量，增加相变液体流淌、滴落的概率，形成ηd出现上升趋势。另一方面，风速的增加消耗更多燃烧热量，并且高温熔滴液体的流失也使得预热区域热量难以积聚，这也是燃烧挥发率逐渐下降的原因。

2.3 近域辐射热流场

热解前锋区域形成液态的熔融层的传热系数较大，远远大于固体内部的传热。所以通过熔融层区域和火焰辐射热传递到板材预热区域热量的大小将成为控制FPU板材水平火蔓延的主要因素。图3表明在两种侧向风速下FPU板材表面辐射热流变化趋势。当处于无风环境中(Vw=0m/s)，火焰仅受浮力作用呈近似竖直状态水平蔓延，上下侧火焰辐射热通量变化几乎持平。当火蔓延进入稳定阶段后，火焰前锋由最初的竖直态转变为倾斜态，如图3所示，并且蔓延速度稳定。这是因为侧边板材竖直态熔融层的自然熔滴现象，下侧往往能积聚更多相变液体，对预热区的热反馈作用更积极使得板材下侧热解蒸发速率更快。侧向风环境下(Vw=2.0m/s)，上侧辐射上升明显快于下侧，这与二段式火焰前锋分布相关，出现这样的火焰前锋原因上述部分已经阐明。上侧的辐射峰值一定程度上也高于下侧，这是因为火焰羽流受浮力效应驱使，一定程度的竖直分量促进火焰规模，由此形成上述现象。这在真实火灾情形中表现为火焰区上方受到更多的热伤害，一部分是对流热量，另一部分是辐射热流。

图3 风速Vw=0m/s和Vw=2.0m/s下FPU表面辐射热流分布变化

3 结 语

通过以上多次实验，我们对实验结果进行热力学分析，力图找出侧向风速效应对于保温板材水平火蔓延行为影响的规律，为现代高层建筑防火救援提供参考依据。所得主要结论总结如下：

(1)无风环境下，保温板材水平贴壁火蔓延进入稳定阶段后预热区熔融层下侧往往能够积聚更多熔融液体从而促进板材热解，热解前锋呈现略微倾斜的一维线性形态。随着侧向风速的增大，热解前锋逐渐变为“二段式”分布，上侧的特征长度最后取代下侧，热解前锋再次呈现一维线性。

(2)板材燃烧产物主要为挥发的烟气和相变熔滴物，其中随着侧向风速的增加，板材燃烧挥发率不断减少。，熔滴率ηd不断增加

(3)侧向风速存在会提高水平保温材料表面辐射热通量的峰值，并且缩短峰值出现的时间，这在火灾案例中是非常不利的。水平板材上侧辐射热通量峰值显著高于下侧，并且升温时间更早，火灾危险性更大。