水膜预湿行为对典型保温材料燃烧抑制实验研究*

赵恒泽，李 晔，齐艺裴，董轩萌，温志超

(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210)

0 引言

高层建筑外立面保温材料存在火灾隐患。喷淋灭火技术是目前抑制高层建筑火灾最有效的技术手段之一，受目前消防灭火技术的限制，高层建筑发生火灾主要在于主动预防。一旦发生火灾，保护未燃区域不受损害是防止形成立体火的重要手段之一。因而，探索喷淋形成水膜的预湿行为对外立面保温材料燃烧抑制机理对设计、建立、优化高效的水喷淋灭火系统具有重要意义。

喷淋对竖向材料热解燃烧抑制影响实验研究多集中于喷淋直接作用于燃烧着的材料表面。Tamanini[1]采用侧向水喷雾直接作用于悬空放置的竖向木板火的热解区域，研究喷淋对其燃烧的抑制特性。Magee等[2]对外加辐射强度作用下的竖向塑料火进行喷淋抑制实验，得到不同外加辐射作用下抑制竖向塑料火燃烧的临界喷淋流率。Xin等[3]对竖直放置的卷纸火进行抑制实验，发现对于光滑卷纸表面，喷淋产生的水膜形成的沟流较多。杨健鹏[4]将水喷淋施加位置拓展到预热区，但是并没有考虑喷淋预湿形成的水膜对竖向胶合板和聚氨酯海绵热解的抑制作用。随后，周勇[5]对侧向水喷雾抑制不同厚度竖向杉木板热解燃烧进行研究，得到不同厚度杉木板的临界喷淋流率。赵兰明[6-7]研究喷淋角度对竖向有机玻璃燃烧抑制的影响规律，并对水幕喷头形成的水膜状态在外墙上分布进行研究。Zhao等[8-9]研究水喷淋直接作用于竖向硬质聚氨酯保温材料热解区时，喷淋流率、角度对其燃烧的抑制规律，并开展外加辐射强度下水喷淋对硬质聚氨酯材料燃烧抑制作用实验。而针对水膜高效率传热影响多集中于水膜对金属板或玻璃的降温。Zhu等[10]对不同温度水膜冷却铝合金板进行实验研究。Costa等[11]研究不同环境压力下水喷淋对竖向热金属板表面的降温效率。张蔷[12]构建弧形平板降膜流动与传热实验台,开展不同水膜入口流量与不同加热温度工况下的降膜流动与传热实验。官钰希等[13]认为玻璃表面能否形成连续稳定的水膜是玻璃不会破裂的关键。Meredith等[14]对外加辐射作用下光滑不锈钢表面的水膜流动状态开展实验研究，得到不锈钢表面水膜完全蒸发时外加辐射强度与临界水膜流率的对应关系。

通过对国内外研究现状进行分析可以发现，水喷淋对材料燃烧抑制研究存在不足。前人多集中于喷淋直接作用于材料热解区时喷淋抑制作用和水膜对金属板或玻璃的降温作用研究，对喷淋形成水膜的预湿行为抑制保温材料燃烧研究较少。

喷淋形成的水膜在竖向材料表面流动的表现形式分为4种：水膜连续区域、沟流、干斑以及孤立的湿润区域[14]，如图1所示。水膜预湿行为是为了材料表面仅出现水膜连续区域，在外界辐射作用下，由于水膜蒸发作用，在原来水膜连续区域会出现干斑、沟流及孤立湿润区域。本文以典型外保温材料聚苯乙烯(PS)为研究对象，实验研究不同外加辐射强度下，水膜流率对保温材料表面水膜出现干斑、材料发生变形和熔融的影响规律。其中，PS材料表面水膜连续区域是否出现干斑及其温度是否达到PS材料熔融热解温度是水膜预湿行为成败的关键。

图1 水膜在竖直固体材料表面表现形式Fig.1 Manifestation of water film on surface of vertical solid material

1 实验平台

水膜预湿抑制保温材料燃烧实验装置，如图2所示，包括水膜形成系统和外加辐射系统。水膜形成系统固定于铝型材支架上。为了实验初始条件材料表面仅出现水膜连续区域，本文选用溢流式液箱作为储水容器，液箱中下部设有进水管口。进水流率通过微型计量泵(德国SERA隔膜式计量泵，流率范围为0～25 L/h)控制。液箱与PS材料的放置位置如图3(a)所示。其中，液箱设有平滑曲面液坡，且其曲面保证与PS材料相切。在PS材料下方区域设置接水装置，且在其下方存在排水口。PS材料尺寸为350 mm×550 mm。保温材料用铝型材夹持竖向固定在铝型材架上。保温材料内部距离表面约2 mm处设置K型热电偶(直径为0.5 mm)，其分布如图3(b)所示。

图2 水膜预湿抑制保温材料燃烧实验装置Fig.2 Experimental device for combustion suppression of thermal insulation material by water film pre-wetting

图3 实验装置Fig.3 Experimental device

外加辐射系统由2块红外辐射板(OMEGALUX，尺寸:300 mm×300 mm)、2台单相调压器及2台电压数字显示器连接组成。通过调节电压控制辐射板内部温度，从而控制外加辐射强度，内部温度通过K型热电偶(直径为0.5 mm)测得，采用高精度热流传感器(GARDON GTT-25-50-RWF)来测定辐射强度。在距离PS材料表面约3 m处放置红外热像仪(FLIR THERMACAM SC3000)，并固定于支架上，记录实验过程，2块热辐射板呈90°放置，具体位置及实验分别如图3(c)～(d)所示。水膜预湿抑制保温材料燃烧实验过程中，仅对PS材料中部热电偶放置区域采集数据进行分析。

2 实验结果与分析

2.1 辐射强度

2.1.1 辐射强度均匀性

在水膜预湿抑制竖向保温材料燃烧实验中，为保证保温材料表面接收到的辐射强度具有均匀性，对保温材料中部区域，即内部热电偶所在位置处辐射强度的均匀性进行探究。当辐射板控制电压分别为50，80，110 V，内部温度达到276，439，570 ℃时，用小型长臂夹将辐射热流计放于12个热电偶位置分别测定实时辐射强度。计算不同电压下12个点位的辐射强度均值分别为0.467 94，2.156 57，4.733 60 kW/m2；方差分别为0.001 242，0.002 759和0.006 439。可见，12个点位处的辐射强度方差值均远小于0.01，因此，在12个点位处，辐射强度分布均匀。所以材料中心处的辐射强度可表征辐射板中间区域范围内的辐射强度。

2.1.2 辐射强度标定

分别采集控制电压下的热辐射板内部最高温度及对应的材料表面最大辐射强度(中心处辐射强度)进行标定实验，结果如图4所示。辐射板内部最高温度和最大辐射强度随控制电压增大而升高，且随控制电压逐渐升高，最高温度的上升速率逐渐减小，而最大辐射强度上升速率逐渐增大。后续实验中，只需要根据辐射板内部温度情况，就可以判断外加辐射强度。

图4 最高温度和最大辐射强度Fig.4 Maximum temperature and maximum radiation heat flux

2.2 水膜预湿抑制竖向保温材料燃烧实验

2.2.1 形成水膜的最小流率

当无外加辐射、无水膜存在时，保温材料表面温度分布均匀，如图5(a)所示。当水膜流率分别为25，20，15，10 L/h时，随着水膜流率减小，虽然保温材料左侧和右侧温度与中部区域有差别，但是中部区域温度稳定，水膜分布均匀，符合实验条件，如图5(b)～(e)所示。当水膜流率为5 L/h时，中部区域已经很难形成水膜，如图5(j)所示。当水膜流率小于10L/h时发现材料两侧温度与中部区域温度明显不同，且随着水膜流率的减小两侧温度范围不断扩大，中部沟流明显，不符合实验条件，如图5(f)～(i)所示。因此，本实验中选取的水膜流率范围为10～25 L/h。

图5 不同水膜流率下材料表面红外温度分布Fig.5 Infrared temperature distribution of material surface under different water film flow rates

2.2.2 最小外加辐射强度

为保证实验数据的真实性和有效性，在实验前需要找出最小水膜流率为10 L/h时，能使PS材料表面发生状态变化的最小辐射强度。首先确定材料表面水膜出现干斑、发生变形和熔融的温度分别为40，85，135 ℃[15]；然后依据各组实验情况分别设置红外热像仪配套软件上红外图中的最大刻度值，即发生相应状态改变的温度，超过该最大刻度值红外图中显示白色；最后根据红外图中白色斑点来确定PS材料表面水膜是否出现干斑、材料是否发生变形和熔融。实验结果表明：当外加辐射电压为40 V时，即使施加最小水膜流率10 L/h，PS材料表面水膜亦无出现干斑。当外加辐射电压为50 V时，实验过程中材料表面水膜可形成干斑，测试结束时部分区域温度甚至超过PS材料的熔融温度。因此，实验从控制电压50 V开始逐渐升压测试，每组电压下，水膜流率(10～25 L/h)从大到小依次进行实验。当外加辐射控制电压为90 V时，即PS材料表面的辐射强度达到2.93 kW/m2时，即使水膜流率为25 L/h，材料表面亦立即发生熔融，可见外加辐射控制电压90 V不再符合实验条件。所以，本实验中选取的外加辐射控制电压范围为50～80 V。

2.2.3 保温材料最终状态面积分布

采用MATLAB对实验结束时的红外图像中部水膜区域进行像素计算。以外加辐射电压为80 V，水膜流率分别为10，15，20，25 L/h时的熔融面积占比为例，首先设置红外热像仪配套软件中红外图中的最大刻度值135 ℃，得到熔融温度分布，如图6所示，然后采用MATLAB提取目标区域内的白色像素点与总像素点的个数，即可计算出不同工况下该PS材料区域材料发生熔融的面积占比。

图6 熔融温度分布Fig.6 Distribution of melting temperature

材料表面水膜出现干斑、材料发生变形和熔融区域的面积占比与无量纲辐射强度的关系如图7所示。当控制电压为50 V，只有水膜流率小于16 L/h时PS材料表面才会出现干斑。当控制电压为60 V，水膜流率为24，25 L/h时PS材料表面只出现干斑；水膜流率处于19～23 L/h范围，实验结束时PS材料表面均出现变形；水膜流率位于10～18 L/h范围，实验结束时PS材料表面均形成熔融。同时可得出，材料表面水膜出现干斑、材料发生变形和熔融区域的面积占比与无量纲辐射强度呈正相关，无量纲辐射强度与2 min相应面积占比的散点图在类似三角形范围内。三角形最左边为水膜出现干斑的面积占比，最右边为PS材料出现熔融的面积占比。

图7 2 min时干斑、变形、熔融面积与关系Fig.7 Relationship of dry patch,deformation and melting area with at 2 min

2.2.4 保温材料内部温度分布

在整个实验过程中，PS材料内部温度始终处于上升状态，因此，PS材料在受到外界火焰辐射时，会有很高的火灾危险性。根据材料表面发生状态变化的时刻及此刻材料内部热电偶所测的温度，得出待测PS材料表面出现干斑、发生变形和熔融时，所插热电偶处保温材料内部的平均温度分别约为33，40，42 ℃。

实验结束时不同控制电压、不同水膜流率下的12点位温度曲面和12点位最高温度云图分别如图8(a)～(b)所示。在相应外加辐射强度和水膜流率下测得的12点位温度基本在很小的范围内波动，说明PS材料表面接收热辐射强度均匀，从而验证了实验结果的有效性。当控制电压为50 V，水膜流率较大时，温度上升不明显。随着水膜流率减小，如水膜流率为10 L/h时，温度发生突然上升，说明此区域的PS保温材料发生了形态变化。这与上述外加辐射控制电压为50 V，水膜流率为10 L/h时，PS材料表面最终出现熔融相对应。当外加辐射强度不变时，水膜流率越小，实验结束时温度上升越快越高。外加辐射强度越大，水膜流率越小，实验结束时PS材料表面水膜越容易形成干斑、材料表面越易发生变形和熔融。

图8 2 min时保温材料所插热电偶处温度Fig.8 Temperature of thermocouples embedded in thermal insulation material at 2 min

2.2.5 保温材料状态变化所需时间分析

为研究水膜流率对保温材料表面发生状态改变的影响规律，将每个控制电压下的PS材料状态发生变化所需时间依次统计。并采用无量纲时间t/t0与无量纲辐射强度进行分析。其中，t表示PS材料表面发生形态变化所需的时间；t0表示实验开始到结束的时间，即2 min。

图9 材料表面出现干斑tD/t0与关系Fig.9 Relationship between tD/t0 and when dry patch appear on material surface

图10 材料表面出现变形tT/t0与关系Fig.10 Dimensionless tT/t0 and for deformation

图11 材料表面出现熔融tM/t0与关系Fig.11 Relationship between tM/t0 and when melting appear on material surface

总之，外加辐射控制电压越高，即外界热辐射强度越大，或水膜流率越小时，PS材料表面水膜越容易形成干斑、材料表面越易发生变形和熔融。本实验条件下，PS材料表面水膜出现干斑、材料表面发生变形及熔融的临界无量纲辐射强度分别为0.002 0，0.002 6，0.003 3。

保温材料表面发生形态变化时的临界水膜流率和对应的辐射强度见表1。Meredith等[14]得出无量纲辐射强度=1时，光滑不锈钢表面的水膜完全蒸发。而事实上，可燃保温材料表面一旦出现干斑，意味着水膜保护失败，无需完全蒸发。由表1可知，无量纲辐射强度远小于1时，PS材料表面水膜会出现干斑、材料会发生变形和熔融。

表1 临界水膜流率、临界辐射强度及临界无量纲辐射强度Table 1 Critical water film flow rate, critical radiation heat flux and critical dimensionless radiation heat flux

3 结论

1)通过分析PS材料表面水膜及材料发生的形态变化面积占比，发现PS材料表面水膜出现干斑、材料发生变形和熔融区域的面积占比随无量纲辐射强度增大而增大，且散点图基本聚集在三角形范围内。

2)通过分析材料表面内部热电偶测得的温度，得到当外加辐射强度不变时，水膜流率越小，实验结束时温度上升越快越高。外加辐射强度越大，水膜流率越小，实验结束时PS材料表面水膜越容易形成干斑、材料表面越易发生变形和熔融。