受限空间内正庚烷与瓦楞纸箱的火行为研究

刘全义，胡 林，邓 力，朱 博，李志法，朱文田

(中国民用航空飞行学院 民航安全工程学院，四川 广汉 618307)

民用航空器火灾燃烧种类较多，不同可燃物的火灾特性参数差别较大，如何准确判断民用航空器火灾的燃烧种类成为一个研究热点。火灾是各种灾害中常见且破坏性强的灾害之一[1]。毛莹等[2]采用小纸箱作为固体火燃料探索了多种压力与通风条件对固体火灾燃烧性能的影响，结果表明通风条件对固体燃烧物在同一压力下的燃烧抑制作用显著。冯瑞等[3]以瓦楞纸箱作为固体火灾燃烧物在50～90 kPa低压模拟舱中分别进行了不同叠加形式的火灾实验，给出了湍流固体火灾燃烧速率的经验表达式。李俊梅等[4]采用数值模拟与理论分析相结合的方式研究非通风控制燃烧火灾中窗羽流的温度分布特性，给出羽流中心断面量纲的最高温度随高度变化的规律。姚勇征[5]利用尺寸模型以及边界条件研究隧道火灾火焰特性参数以及烟气运输特性规律，给出了隧道火灾在受限空间中的火灾行为。朱杰等[6]在典型环形受限空间内采用数值模拟与理论分析相结合的方式分析火源在地下不同位置的火羽流的变化情况，证明不同位置火羽流的参数特征有很大差异。陈兵等[7]通过改变船舶机舱开口面积和庚烷油池火尺寸两种办法测量火灾特性参数，解释了有限空间内氧浓度不足导致“缺氧熄灭”以及可燃物耗尽导致“燃料耗尽熄灭”等问题的原因。王学辉等[8]使用典型的液体混合材料进行火灾燃烧实验，测定火灾特性参数，验证不同混合液体可燃物由于物化性质的差异性，其热释放速率也有极大不同。Tasaka等[9]利用润滑油作为火源模拟电气火灾类型，根据气体温度和烟气浓度等火灾特性参数研究导致电气电路故障的原因，为研究电气火灾提供实验数据支撑。张培红等[10]利用酒精作为火源在不同湿度环境下对受限空间内燃烧物的火灾特性进行研究，结果表明：在相对湿度为90%的高湿条件下，池火的发展和蔓延会受到显著抑制。Wang等[11]使用柴油作为燃料，研究火焰高度、倾斜角度与火焰位置等参数之间的耦合关系，最终给出了确定的相关系数。庄磊等[12]在是否有外界风源的条件下，通过改变不同油盆直径，得到无风条件下火焰高度、油盆直径和燃烧速率三者之间的函数关系，建立了预测模型。陈鹏等[13]以600 cm×600 cm的方形柴油液池作为研究对象，利用数值模拟无风和通风换环境下方形油池火的燃烧特性和热传规律，得出了通风条件下方形油池火可较早进入燃烧稳定状态，但高温区域相对较小等实验模拟结论。刘恺等[14]采用STM32F模块搭建样本采集平台建立数据库，并结合极限计算方法对采集的火灾数据状态进行识别，结果表明此方法可有效判断火灾种类且准确性达90%以上。包士毅等[15]利用线热源模型对喷射火灾场景进行热辐射估算，提高了火灾热辐射预测精度。康泉胜等[16]利用Prosim进行建筑火灾模拟，研究模拟场景内烟气浓度、温度等火灾参数的变化，给出该建筑物内最佳逃生通道。虽然上述研究人员利用多种方法进行了火灾特性参数的测试，但是仍然存在无油池火与固体火的对比分析、特性参数不齐全等实验工况问题。因此，我们需要研究一种新型方法判断多种火灾类型，提供数据支撑。

笔者在密闭实验舱内分别对正庚烷与小尺寸纸箱进行燃烧实验，研究两种火灾燃烧物的温度分布规律及其质量损失速率等参数，最终给出火灾燃烧类型。

1 实验设置

实验布置如图1所示，主要由密闭实验舱、火源、探测设备和电子称等系统组成，其中实验舱为1 m×1 m×1 m的密闭箱体，在空间内部放置电子称装置，并连接数据线为测量燃烧物的质量损失速率作准备。在实验舱中距离可燃物火焰上方大约30 cm处放置5 根等间距为5 cm、精度为0.01 ℃的K型热电偶对燃烧物的火焰温度进行测量。实验舱中同时放置了高度杆与感烟探测器为测量燃烧物烟雾浓度和火焰高度提供数据支撑。

图1 实验布置图Fig.1 Experimental layout

笔者选取等质量的正庚烷(20 g)与瓦楞纸箱(13 cm×8 cm×4.5 cm)作为燃烧物，分别放置于半径为4 cm，高为10 cm的油盆以及镀锡纸防护的木板上进行燃烧实验，且纸箱内部装有少量的碎纸条，实验于密闭环境中进行，将燃烧物放置于电子秤上，点燃以后立刻开始测量。为了降低外界干扰与误差因素对实验数据的影响，取实验数据的平均值进行分析和处理。

2 实验结果与分析

2.1 质量变化规律

火灾特性参数种类众多，固体火与油池火的燃烧有极大的区别，Ma等[17]利用正庚烷燃料的质量损失速率作为火灾特性参数，研究了在不同压力条件下该燃烧物的变化。笔者采用质量损失特性参数，根据后向差分原理DX(i)=X(i+1)-X(i)(0

图2 纸箱质量变化Fig.2 Mass variation of cardboard box

图3 正庚烷质量变化Fig.3 Mass variation of n-heptane

由图2，3可知：正庚烷的质量损失随着时间的增加呈现线性递减的规律，而纸箱的质量损失随着时间的增加呈现先递减后平稳的规律，且由于纸箱燃烧后的产物会遗留于受限空间中导致质量损失无法到达0，所以会呈现一段质量损失稳定的阶段，而正庚烷燃烧减少油盆中的水分，所以质量会一直减少，甚至出现负数的情况；正庚烷的质量损失速率呈现先略微增加，然后逐渐降低的分布特征，最高可达0.11 g/s，而纸箱的质量损失速率呈现先增加后降低最后趋于平稳的状态且最高可达0.27 g/s，以此为参照可给出材料燃烧的类型，以便及时给出抑灭火措施。

瓦楞纸箱与正庚烷的热释放速率会因为空间、环境等外界参数的影响，而造成可燃物热释放速率的极大差异，根据已求出的质量损失速率计算该实验条件下的理论热释放速率[18]，计算式为

(1)

2.2 温度分布特征

火灾一般伴随着大量的热量，会造成周围物体的损伤，热辐射能的聚集可加剧火灾的强度，造成大面积的破坏。冯瑞等[19]采用瓦楞纸箱作为固体火灾实验材料，通过对燃烧特性参数的实验验证了固体火灾燃烧速率的压力表达式，给出了热辐射通量的实验规律。笔者使用5 根等间距为5 cm、精度为0.01 ℃的K型热电偶对正庚烷和纸箱燃料的火焰温度进行测量，结果如图4，5所示。对可燃物的火焰温度进行拟合，从而求解平均火焰温度。根据两者温度测量参数进行数据的拟合，给出该燃烧物的平均温度，从而进行火灾种类的识别与判断，即

(2)

式中：Γ为平均温度；f(T,t)为温度与时间的拟合关系式；t为时间。

图4 纸箱火焰温度Fig.4 Flame temperature of cardboard box

由图4可知：5 根热电偶的测量温度从第1 根到第5 根基本为逐次递减的规律说明纸箱的火焰集中于最底端，根据纸箱燃烧物的温度测定参数，将数据放入MATLAB中进行拟合，拟合得出在误差比小于或等于2%时，可燃物的温度分布满足高斯分布，且给出所有热电偶温度分布的高斯拟合公式，即

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：fbox为纸箱的函数拟合关系；T为温度；t表示时间。由式(2)在MATLAB中进行积分运算可得出纸箱燃料平均温度，由于纸箱的燃烧一直处于波动状态，因此，对纸箱火的火焰温度进行数据拟合时，需要运用各个热电偶测定的最低温度对纸箱的平均温度进行修正。

图5 正庚烷火焰温度Fig.5 Flame temperature of n-heptane

由图5可知：第1 根热电偶最高温度小于第2 根热电偶最高温度，说明正庚烷的火焰温度集中于中下部位，根据正庚烷燃烧物的温度测定参数，将数据放入MATLAB中进行拟合，拟合得出在误差比小于或等于3%时，燃烧物的温度分布满足高斯分布，且给出所有热电偶温度分布的高斯拟合公式，即

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(9)

(10)

(11)

(12)

式中：fhep为正庚烷燃料的函数拟合关系；T为温度；t为时间。由于正庚烷的燃烧存在稳定阶段，直接由式(2)在MATLAB中进行积分运算可得出正庚烷燃料的平均温度。由拟合公式计算得出的正庚烷和小尺寸纸箱的平均火焰温度如图6所示。

图6 燃料的平均火焰温度Fig.6 Averaged flame temperature of fuels

由图6可知：纸箱的平均火焰温度从火焰根部向上呈现逐次递减的规律，最后趋于稳定的状态，最高为706.64 ℃，而正庚烷的平均火焰温度从火焰根部向上呈现先略微升高最后再降低的特征分布规律，最高可达到553.98 ℃，根据温度分布参数特征亦可判断火灾的燃烧种类，及时给出灭火措施。

3 结 论

在密闭实验舱中对纸箱与正庚烷进行燃烧实验，根据燃烧物的质量损失速率特性参数与温度分布参数的对比分析，可得出以下结论：1) 正庚烷的质量损失速率呈现先逐渐增加，然后逐渐降低的分布特征，且可达到0.11 g/s，而纸箱的质量损失速率呈现先逐渐增加，然后趋于平稳的状态，且可达到0.27 g/s；正庚烷的热释放速率为4.81 kW，纸箱的热释放速率为3.54 kW，正庚烷的热释放速率大于纸箱的热释放速率；2) 纸箱的平均火焰温度从火焰根部向上呈现逐次递减，然后趋于稳定的规律，最高为706.64 ℃，而正庚烷的平均火焰温度从火焰根部向上呈现先略微升高然后逐渐降低的特征分布规律，最高可达到553.98 ℃。因此，根据火灾特性参数可判断受限空间中燃烧物的种类，及时给出灭火措施，为消防工作提供数据支持。