感烟火灾探测器的木材热解阴燃火试验模拟研究

张 培

（上海市质量监督检验技术研究院 上海 201114）

引言

一般室内火灾是指建筑物内普通房间大小的受限空间，根据室内火灾温度随时间变化的特点，室内火灾的发展过程分为三个阶段,即初期增长阶段、充分发展阶段、减弱阶段。在火灾的初期阶段，一般是发生的15 min内，着火点处局部温度较高，燃烧面积不大，受可燃物性能、堆放和通风散热等条件影响，氧气不足、温度较低或湿度较大，固体物质发生只冒烟而无火焰的热解燃烧，室内各点的温度不平衡，多处于阴燃阶段，燃烧发展比较缓慢，有可能形成火灾，也有可能中途自行熄灭，燃烧发展不稳定。感烟火灾探测器就是利用火灾初期特征以烟雾为探测对象，将探测部位烟雾浓度转换为电信号实现报警。

PyroSim 被用来建立消防模拟，为火灾动态模拟（FDS即Fire Dynamics Simulator）提供了一个图形用户界面，软件可以模拟的火灾范围很广，包括日常炉火，房间，接电设备引起的各种火灾形式。它以计算流体动力学（CFD）为依据，把设定空间分成多个小的三维矩形控制体或计算单元，计算每个单元内气体密度，速度，温度，压力和组分浓度用质量守恒、动量守恒和能量守恒的偏微分方程来近似有限差分，通过对同一网格使用有限体积技术来计算热辐射、流体流动中存在湍流现象，追踪预测火灾气体的产生和移动，并结合家具、墙壁、地板和顶棚的材料特性来计算火灾的增长和蔓延，准确地模拟预测火灾烟气流动、火灾温度和有毒有害气体浓度分布等情况。FDS处理湍流流动有两种方法，即大涡模拟(LES)方法和直接数值模拟(DNS)方法，LES直接求解表征流体流动特性的含能大涡，而对随机性较强的耗散小涡则采用亚网格模型进行模拟，模拟求解后可获得相关测量点处温度、CO浓度、能见度、光学密度等一系列数据。

为了测试感烟火灾探测器对火灾的灵敏度，需要进行燃烧试验，影响燃烧过程烟浓度的因素很多，例如环境温度、湿度、加热盘等，真实试验很难分析单一因素对烟浓度的影响，通过PyroSim使用LES模拟木材热解阴燃火，改变燃烧试验条件，来分析不同试验因素对木材热解阴燃火烟雾浓度的影响，实现不同试验条件时烟浓度控制在标准要求判定范围内。

1 模拟燃烧试验室内木材热解阴燃火

木材的主要成分是碳（50 %）、氢（6.4 %）和氧（42.6 %）元素，还有少量的氮（0.01～0.2 %）和其他元素（0.8～0.9 %），但不含有其它燃料中常有的硫。山毛榉木材受热后，水分先蒸发，加热到150 ℃时开始微弱分解出水和二氧化碳；温度升高到200 ℃以上，逐渐分解木材的主要成分纤维素，产生大量一氧化碳、氢和碳氢化合物；250～280 ℃剧烈分解，得到热分解剩余物30～38 %的碳。火灾初期，山毛榉木材处于随燃热解阶段，固体物质发生只冒烟而无火焰的燃烧，形成大量的微小固体碳颗粒，产生大量烟雾。一般来说，固体燃料的燃烧涉及无数的基本化学反应，但最简单的模型可以用两步化学反应来近似化学反应过程：热解（方程 （1）），然后氧化（方程 （2）或（ 3））[1]。

热解：

氧化：

或者：

应用PyroSim大涡模拟技术模拟一般室内火灾，根据国家标准GB 4715【2】，建立长10 m宽7 m高4 m的燃烧试验室，顶棚为水平平面，试验火点火前试验室内无气流流动，火源设在地面中心处，探测器和测量仪器安装在以顶棚中心为圆心、半径3 m、圆心角60 °的圆弧上。10根75 mm×25 mm×20 mm的山毛榉木棍，呈放射状放置于加热盘上，加热盘直径220 mm，在11 min内升到600 ℃并保持稳定，m（减光系数）=2 dB/m结束试验。

PyroSim模拟中设置山毛榉木化学式C3.4H6.2O2.5，临界火焰温度1427.0 ℃，烟雾生成率0.12，模拟网格密度60×45×25，ramp-up time t2660 s（11 min）[1]，计算时间900 s。 模拟结束后，Smokeview三维视图如图1所示，可以看到，150 s时已轻微产生烟雾，到660 s已产生大量烟雾，在燃烧室内烟气以浮力羽流形式垂直升起，成V字形，到达天花板后向外扩散，再向下蔓延，逐渐充满整个房间。

图1 0 s、150 s、300 s、660 s、840 s、900 s时模拟燃烧试验室内木材热解阴燃火3D视图

2 模拟数据与木材热解阴燃火试验测量曲线

燃烧试验室内用光学密度计测量山毛榉木材热解阴燃火烟浓度，光学密度计安装在以燃烧实验室顶棚中心为圆心、半径为3 m、圆心角为60 °的圆弧上，光束的中线位于顶棚以下0.15 m，测量光束长度1 m。光学密度计利用光束受烟粒子作用后，光辐射能按指数规律衰减的原理测量烟浓度，用减光系数m值（单位为dB/m）表示。

减光系数用下式表示：

式中：

m—减光系数，dBm-1；

d—试验烟的光学测量长度，m；

P0—无烟时接收的辐射功率，W；

P—有烟时接收的辐射功率，W。

PyroSim中创建气相监测设备，在8.00 m×3.50 m×3.85 m处创建烟雾监测设备，与光学密度计在燃烧试验室的高度相同，用光密度optical density（OD）表示，

式中：

I0-无烟时光强度，

I -有烟时光强度。

根据公式（4）、（5）得出m=10*OD，如图2所示，PyroSim模拟烟浓度与光学密度计测量烟浓度基本吻合。

图2 PyroSim模拟烟浓度与光学密度计测量烟浓度

在PyroSim模型中，分别在4.00 m、3.90 m、3.85 m、3.80 m、3.70 m高度（即天花板以下0.00 m、0.10 m、0.15 m、0.20 m、0.30 m）位置创建气相监测设备，烟浓度随时间增加曲线如图3所示，4.00 m、3.90 m、3.85 m高度位置的烟浓度曲线重合了，3.80 m、3.70 m高度位置的烟浓度曲线重合了，这是由于模拟网格设置原因没能区分出烟浓度数据。但是从图3仍可看出，烟雾垂直扩散到天花板后，4.00 m、3.90 m、3.85 m高度处烟浓度普遍比3.80 m、3.70 m处烟浓度大，平均偏差0.0096 /m，最大偏差0.04 /m。为了检测数据的准确性，检测样品的进烟部位最好与光学烟雾密度计处于同等高度，如安装时出现偏差，检测样品与光学烟雾密度计位置高度不能，那么按照BS EN 54-7[3]标准要求，检测样品与光学烟雾密度计同处于天花板以下0.30 m高度内，根据模拟数据烟浓度曲线，烟雾浓度偏差在准许误差范围内。

图3 4.00 m、3.90 m、3.85 m、3.80 m、3.70 m高度烟浓度

3 不同试验条件模拟结果分析

3.1 加热盘加热时间与最高温度对烟雾浓度的影响

设置 ramp-up time t2为 330 s、440 s、660 s、900 s，致使不同加热时间达到同一温度600 ℃，在3.85 m高度（即天花板以下0.15 m）设置烟雾监测设备，烟浓度如图4所示，在900 s的模拟阶段，加热盘加热到600 ℃所用时间越短，烟浓度曲线越陡峭，330 s和440 s加热时间下烟浓度曲线在770 s后趋于重合，660 s、900 s加热时间下烟浓度曲线更平缓，330 s、900 s加热时间下烟浓度曲线已经超出GB 4715标准要求m与试验时间比值关系范围，440 s加热时间下烟浓度曲线基本在上限要求附近，实际燃烧试验过程中，加热时间建议设置为不小于440 s，900 s加热时间下烟浓度曲线已经超出要求下限，燃烧试验过程中加热时间不应大于900 s，加热时间最大值可设在660 s附近。

设置ramp-up time t2为660 s，相同的加热时间加热到不同温度600.0 ℃、700.0 ℃、888.5 ℃，烟浓度如图5所示，相同试验时间时，加热盘设置的温度越高烟雾浓度越低，当加热盘温度设定为888.5 ℃时，烟浓度曲线会超出标准要求下限，650 s试验时间后烟浓度明显超出下限，实际实验过程中加热盘温度不宜太高，按标准要求设置为600 ℃最为合适。

图5 相同的加热时间660 s加热到不同温度600.0 ℃、700.0 ℃、888.5 ℃下烟浓度

根据静态加热公式（4），在相同质量材质下，功率受加热时间和升高温度影响，

式中：

P—介质升温所需功率（kW）；

C—介质比热（kcal/kg℃）；

M—介质重量（kg）；

ΔT—温升（℃）；

t—加热时间（s）。

根据公式（6）可以计算得出一定加热时间和升高温度所需的功率。选择额定功率为3 kW的加热盘，设定440 s升温至600 ℃，则烟浓度比额定功率2 kW、660 s升温至600 ℃烟浓度大，已经到达要求上限，模拟烟浓度曲线如图4所示。使用加大额定功率加热盘，通过设定加热时间和升高温度来调节烟浓度大小。

图4 不同加热时间加热到600 ℃时烟浓度与时间曲线

3.2 环境温度对烟雾浓度的影响

设置加热盘加热时间分别为440 s、660 s，均加热到600 ℃，改变燃烧试验室初始环境温度，分别为18 ℃、23 ℃、25 ℃，相对湿度均为50 %，烟浓度随时间曲线如图6所示，加热时间分别为440 s、660 s时，均显示出较低环境温度18 ℃状态下烟浓度曲线更稳定平缓。热时间为660 s，23 ℃、25 ℃环境温度时，750 s后烟浓度明显低于18 ℃环境温度下的烟浓度，且烟浓度出现波动。热时间为440 s情况下，23 ℃环境温度时660 s后烟浓度大幅度降低，28 ℃环境温度时750 s后烟浓度大幅度降低。越短加热时间烟浓度受初始环境温度影响越大，烟浓度下降越多，故燃烧试验可在较低初始环境温度下进行。

图6 环境温度18 ℃、23 ℃、25 ℃时烟浓度

即使受环境温度影响烟浓度有变化，但是烟浓度均没有超出上限和下限，且在光学密度0.2 /m以下受环境温度影响较小，所以环境温度对样品测试区间内烟浓度影响可忽略。

3.3 环境湿度对烟雾浓度的影响

设置加热盘加热时间分别为440 s、660 s，均加热到600 ℃，燃烧试验室初始环境温度23 ℃，改变初始环境湿度，分别为25 %、50 %、75 %，烟浓度随时间曲线如图7所示，加热时间分别为440 s、660 s时，在较低环境湿度25 %状态下烟浓度曲线更稳定平缓，且440 s加热时间比660 s加热时间烟浓度受初始环境湿度影响大，烟浓度下降更大。在热时间为660 s，50 %、75 %环境湿度时，730 s后烟浓度明显低于25 %环境湿度下的烟浓度，且75 %环境湿度下烟浓度出现剧烈波动，已经超出标准要求下限。加热时间440 s情况下，50 %环境湿度时650 s后烟浓度比25 %环境湿度下烟浓度大幅度降低，而75 %环境湿度时烟浓度大幅度降低时间点较50 %环境湿度时提前，在620 s后烟浓度大幅度降低。越短加热时间烟浓度受初始环境湿度影响越大，烟浓度下降越多，但在较短加热时间时，由于烟浓度比较高，即使高初始环境湿度下烟浓度在后段试验时间出现大幅降低，烟浓度不容易超出下限。相对较长加热时间情况下，由于较高初始环境湿度导致的烟浓度降低，烟浓度容易超出下限。故燃烧试验可在较低初始环境湿度下进行，如果试验当天环境湿度较高，可缩短加热时间来调整烟浓度曲线。

图7 环境湿度25 %、50 %、75 %时烟浓度

440 s加热时间情况下，初始环境湿度影响的烟浓度下降时的烟浓度均在0.2 /m以上，已经超出标准要求的样品测试区间，可认为在标准要求的样品测试区间，环境湿度没影响；660 s加热时间情况下，接近0. 2 /m烟浓度时，高环境湿度下烟浓度下降超出了下限，对报警烟浓度设置在0.2 /m的样品有一定影响，可缩短加热时间来适当提高烟浓度。

4 结论

根据PyroSim模拟分析影响因素，天花板以下0.30 m范围内烟浓度平均偏差0.009 6 /m，最大偏差为0.04 /m，试验测量仪器和样品安装在此区域内不同位置产生的测试差异可忽略。使用较大额定功率加热盘，通过设定加热时间和升高温度来调节烟浓度大小，缩短加热时间能加大烟浓度，但是宜不小于440 s；升高的温度越高烟浓度越低。环境温度升高烟浓度降低，但在光学密度0.2 /m以下烟浓度曲线偏差较小，受环境温度影响不大，所以环境温度对样品测试区间内烟浓度影响可忽略。环境湿度越大烟浓度越小，0.2 /m以下烟浓度差异不大，接近0.2 /m烟浓度时，高环境湿度下烟浓度超出了下限，可通过缩短加热时间来适当提高烟浓度。试验宜在凉爽干燥晴朗的天气进行，高温高湿天气可通过大功率加热盘缩短加热时间来加速升烟，以获得合适的烟浓度。