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常見(jiàn)可燃物變熱流輻射引燃特性實(shí)驗研究
引言
火災中的可燃物材料可分為可燃氣體、可燃液體和可燃固體三種，其中固體燃料的燃燒占有主導地位，因此，固體可燃物的燃燒一直是火災安全科學(xué)領(lǐng)域研究的重要課題[1]。著(zhù)火是燃燒的初始階段，是火災的最主要過(guò)程之一。在對火災的危險性進(jìn)行分析時(shí)，可燃材料的著(zhù)火時(shí)間是最重要的參數之一。從某種程度上講，對可燃物的著(zhù)火進(jìn)行深入研究，是對隨后發(fā)生的火災發(fā)展和蔓延過(guò)程進(jìn)行模擬的關(guān)鍵所在，也為接下來(lái)對火災危險性的降低和火災險情的控制提供了一定的理論基礎。
固體可燃物的燃燒是一種復雜的化學(xué)物理過(guò)程，而火災環(huán)境又是多變的，因此，要科學(xué)的認識火災，評估各種建筑物的安全狀況，預測火災發(fā)生、發(fā)展、蔓延的情況，就必須研究在不同工況下固體可燃物主要性質(zhì)的變化。盡管迄今為止，國內外學(xué)者對固體可燃物著(zhù)火已經(jīng)做了大量的研究，并取得了豐富的研究成果，但對于固體可燃物的許多實(shí)驗和理論工作多是在外部熱流為恒定值條件下進(jìn)行的，而實(shí)際火災均經(jīng)過(guò)著(zhù)火、蔓延，直至發(fā)生轟燃的過(guò)程，在這一過(guò)程中，可燃物受到的熱輻射是不斷變化的，因此，固體可燃物在變熱流條件下的點(diǎn)燃更具有普遍性，研究在變熱流條件下固體可燃物的著(zhù)火特性對火災安全科學(xué)具有重要意義[2 3]。R.Bilbao[4]曾對變化熱流條件下木材的著(zhù)火性能進(jìn)行了研究，在他的實(shí)驗中，變化的熱流是隨時(shí)間下降的熱流，這與實(shí)際火災情況存在很大的不同，本文實(shí)驗采用更切合實(shí)際的線(xiàn)性上升輻射熱流�；谏鲜鲈�，在本文中將對熱厚性固體可燃物木材和熱薄性固體可燃物窗簾以及棉布，在變熱流條件下的著(zhù)火進(jìn)行實(shí)驗研究，通過(guò)對實(shí)驗現象、數據進(jìn)行分析得出相應的結論。
1 實(shí)驗方法
1.1 實(shí)驗儀器
實(shí)驗研究在我校的“變熱流條件下材料著(zhù)火實(shí)驗臺”上完成。實(shí)驗系統如圖1 所示：
1.2 實(shí)驗原理
實(shí)驗系統的工作原理如所示：
1.3 實(shí)驗材料的處理
實(shí)驗中將木材試樣統一加工成78mm×78mm×24mm 的小方塊，因為受熱方向與紋理方向的關(guān)系會(huì )對木材的著(zhù)火過(guò)程產(chǎn)生影響，二者之間的關(guān)系典型的有沿著(zhù)紋理方向加熱和沿垂直紋理方向加熱[5]，Vyas[6]等人對木材的紋理方向對著(zhù)火的影響進(jìn)行了研究，他們指出由于木材在不同方向的導熱性能不同，沿紋理方向加熱時(shí)著(zhù)火的發(fā)生早于垂直于紋理方向加熱，在本文實(shí)驗中，木塊的受熱方向都是垂直于紋理方向的。為了盡量保證實(shí)驗中木塊只有上表面受到熱輻射，4 個(gè)側面和底面基本處于絕熱狀態(tài)，從而可以簡(jiǎn)化為一維傳熱問(wèn)題，在實(shí)驗前需要對木材的側面和底面用鋁箔做絕熱處理。測量木材內部溫度時(shí)，垂直于受熱表面方向每隔5mm 布置一個(gè)熱電偶，兩邊各2 個(gè)，共布置4 個(gè)熱電偶。
通常將實(shí)驗材料——窗簾以及棉布做成100mm×100mm 的正方形試樣，考慮到材料受熱燃燒時(shí)燃燒表面可能會(huì )發(fā)生翹曲，使得燃燒表面積發(fā)生變化或者使受熱表面受到額外的熱輻射而影響實(shí)驗結果，實(shí)驗中需用一種不銹鋼網(wǎng)柵進(jìn)行壓覆。
測量表面溫度時(shí)，試樣表面布置2 個(gè)熱電偶，底面布置1 個(gè)。
1.4 選擇輻射源的輸出功率
根據輻射熱流量的標定，可以選擇15%、20%、30%、40%、50%、70%和90%的熱流功率。為不同加熱功率下的熱流標定曲線(xiàn)的匯總。
2 實(shí)驗結果及分析
實(shí)驗中沒(méi)有采用任何附加的導向點(diǎn)火裝置，即實(shí)驗材料是自然著(zhù)火的。
2.1 著(zhù)火時(shí)間與熱流變化速率
材料在不同熱流條件下的著(zhù)火時(shí)間直接說(shuō)明了其著(zhù)火性能。實(shí)驗中不同加熱功率下的最大加熱時(shí)間與熱流通量標定實(shí)驗的時(shí)間對應。若材料被加熱至標定時(shí)間后著(zhù)火還不能發(fā)生，則認為其在該熱流條件下不能著(zhù)火。
為不同熱流條件下木材的著(zhù)火時(shí)間，為不同熱流條件下棉布與窗簾的著(zhù)火時(shí)間。
實(shí)驗發(fā)現，在不同熱流變化速率下，木材、窗簾和棉布的著(zhù)火時(shí)間變化趨勢一致，它們的著(zhù)火時(shí)間隨著(zhù)熱流變化速率的降低而增加。對于木材，當熱流變化速率為0.015kW（/ m2·s），加熱持續1200s 著(zhù)火沒(méi)有發(fā)生，因此判斷當熱流變化率小于0.015kW/（m2·s）時(shí)，熱自燃不能發(fā)生；對于窗簾和棉布，當熱流變化速率為0.05325kW/（m2·s），加熱持續700s 著(zhù)火沒(méi)有發(fā)生，因此判斷當熱流變化率小于0.0532 kW/（m2·s）時(shí)，材料熱自燃不能發(fā)生；考慮到影響材料著(zhù)火的不確定性因素很多，如輻射熱流通量的標定劃分的不夠精密，要想精確確定材料著(zhù)火的臨界熱流變化速率很困難。因此這里將0.015kW/（m2·s）和0.0532 kW/（m2·s）分別定義為木材和窗簾、棉布熱自燃發(fā)生的臨界熱流變化速率。
將實(shí)驗材料的著(zhù)火時(shí)間與熱流變化速率之間的關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現二者能夠很好的符合冪函數關(guān)系，如表2。其中x 代表熱流變化速率，y 代表著(zhù)火時(shí)間。
2.2 質(zhì)量損失與熱流變化速率
實(shí)驗發(fā)現，材料的質(zhì)量損失與熱流變化速率有關(guān)。不同熱流條件下的質(zhì)量變化不同。著(zhù)火發(fā)生前，熱流變化速率越高，質(zhì)量損失速率越大，這是因為當熱流變化速率較高時(shí)，溫度上升迅速，同一時(shí)刻由于熱解導致的質(zhì)量損失較大；著(zhù)火發(fā)生時(shí)，熱流變化速率越高，總的質(zhì)量損失越小，這主要是因為熱流變化速率大時(shí)，著(zhù)火需要的時(shí)間變短。但無(wú)論熱流變化速率大小，著(zhù)火發(fā)生時(shí)都會(huì )對應一個(gè)質(zhì)量的突然減小。為熱流變化速率為0.2366 和0.0532kW/（m2·s）時(shí)的木塊質(zhì)量變化。
2.3 著(zhù)火時(shí)溫度與熱流變化速率
2.3.1 著(zhù)火時(shí)表面溫度
通過(guò)實(shí)驗，熱厚性與熱薄性材料表面溫度變化趨勢一致。隨著(zhù)加熱的進(jìn)行，溫度逐漸升高，然后會(huì )出現一個(gè)突變，此時(shí)對應著(zhù)火發(fā)生。熱流變化率越大，溫度上升速率越快，峰值也越大。
實(shí)驗還發(fā)現，隨著(zhù)熱流變化速率的升高熱厚性與熱薄性材料的著(zhù)火溫度均降低，這主要是因為當熱流變化速率較高時(shí)，著(zhù)火時(shí)間變短，材料表面的受熱時(shí)間變短；當熱流變化速率較低時(shí)，著(zhù)火時(shí)間變長(cháng)，這主要是因為燃燒所需的條件之一——可燃氣體的濃度達到燃燒條件后的很長(cháng)一段時(shí)間里，溫度還不能達到燃燒條件，此時(shí)可以觀(guān)察到著(zhù)火發(fā)生前有大量的煙產(chǎn)生。圖8 為不同熱流變化速率下木材著(zhù)火的表面溫度。
2.3.2 熱厚性材料——木材的內部溫度
木塊內部溫度的變化直接影響木材內部熱解。隨著(zhù)加熱時(shí)間的進(jìn)行，熱量由表面逐漸傳遞到內部。與表面的距離越大，受到加熱的影響越晚。如圖9 所示：
隨著(zhù)熱流變化速率增大，著(zhù)火時(shí)間變短，著(zhù)火發(fā)生時(shí)，木塊內部受到外加熱流的影響的程度越小。
3 結論
本文對線(xiàn)性上升熱流條件下固體可燃物的著(zhù)火問(wèn)題進(jìn)行了實(shí)驗研究。相比恒定熱流條件，變熱流條件更接近于實(shí)際火災情況。通過(guò)實(shí)驗觀(guān)察分析，得到如下結論：
1）固體可燃物的著(zhù)火時(shí)間隨著(zhù)加熱功率的降低而增加；得出了木材、窗簾和棉布熱自燃發(fā)生的臨界熱流變化速率；對木材、窗簾和棉布的著(zhù)火時(shí)間與熱流變化速率之間的關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現二者能夠很好的符合冪函數關(guān)系。
2）固體可燃物的質(zhì)量損失與熱流變化速率有關(guān)，不同熱流條件下固體可燃物的質(zhì)量變化不同。著(zhù)火發(fā)生前，熱流變化速率越高，質(zhì)量損失速率越大。著(zhù)火發(fā)生時(shí)，熱流變化速率越高，固體可燃物的總的質(zhì)量損失越小。但無(wú)論熱流變化速率大小，著(zhù)火發(fā)生時(shí)都會(huì )對應一個(gè)失重速率的突變。
3）不同熱流條件下，著(zhù)火發(fā)生前表面溫度上升速率不同。熱流變化速率越高，表面溫度升高越快。但隨著(zhù)熱流變化速率的升高著(zhù)火溫度降低。
4）對于熱厚性材料——木材，隨著(zhù)加熱時(shí)間的進(jìn)行，熱量由表面逐漸傳遞到內部，與表面的距離越大，受到加熱的影響越晚。隨著(zhù)熱流變化速率增大，著(zhù)火發(fā)生時(shí)間變短，著(zhù)火發(fā)生時(shí)，內部受到外加熱流的影響的程度越小，熱量向內部傳遞的距離變短。
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[參考文獻] (References)
[1] 程遠平，李增華.消防工程學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2002.
[2] CHENG Yuanping, LI Zenghua. Fire Control Engineering [M].Xuzhou: China University of Mining andTechnology press, 2002.
[3] 劉江虹，廖光煊，范維澄,等.典型固體可燃物燃燒特性的實(shí)驗研究[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2002,12(6)
[4] LIU Jianghong, LIAO Guangxuan, FAN Weicheng, et al. An Experimental Study on Burning Properties ofTyhttps://p.9136.com/28bustibles [J]. Journal of University of Science and Technology of China, 2002, 12(6)
[5] 陳曉軍，季經(jīng)緯，楊立中,等.外加輻射熱流作用下木材的熱解與著(zhù)火的預測模型[J].火災科學(xué),2002，11(3)：147～151.
[6] CHEN Xiaojun, JI Jingwei, YANG Lizhong, et al. Mathematical Model for Prediction of Pyrolysis andIgnition of Wood under External Heat Flux [J].Fire Safety Science, 2002，11(3)：147～151.
[7] R.Bilbao, Jose? F. Mastral. A model for the prediction of the thermal degradation and ignitionof wood under constant and variable heat flux [J]. Journal of Analytical and AppliedPyrolysis,62 (2002) :63～82.
[8] 李增華.燃燒學(xué)講義.中國礦業(yè)大學(xué).
[9] LI Zenghua. Teaching materials of combustion science. China University of Mining and Technology.
[10] Vyas, R.J., Welker, J.R., End-Grain Ignition of Wood [J]. J. Fire & Flammability, 1975, 6: 355～361.
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