材料燃烧特性范文

材料燃烧特性范文（精选7篇）

材料燃烧特性 第1篇

关键词：火灾,阴燃,装修材料,燃烧特性

室内烟头阴燃火灾主要是由日常生活中人们吸烟等不良习惯引起的。未彻底熄灭的烟头存在一定的辐射强度,会使一些材料发生阴燃。阴燃和明火相比,具有反应速率缓慢、有毒气体排放多、不易熄灭、隐蔽性强等特点,在合适的外界条件下,能迅速转化成明火而造成火灾。

笔者从烟头导致材料阴燃的角度出发,根据人们在室内吸烟的主要活动区,选择了地面、墙面及固定家具等装饰材料,对其燃烧特性进行了实验对比研究。

1 实验部分

1.1 实验材料

实验材料为复合木地板、纯纸制壁纸、布艺沙发和棉布床单。其中,棉布床单的含棉量为80%,布艺沙发面料为布料,填充物为高回弹海绵。棉布、壁纸和海绵都是多孔材料,属于典型的阴燃材料。

1.2 锥形量热仪的实验原理

实验过程中采用的实验仪器为锥形量热仪(Cone Calorimeter,简称“CONE”),是基于耗氧原理测试材料的燃烧性能的仪器。实验过程中,收集材料燃烧的所有产物并通入一个排气管道,使气体充分混合后,测出其质量流量和组分,再将O2的体积分数测出来,得到燃烧过程中消耗的氧气质量,运用耗氧量原理,便可以得到材料燃烧过程中的热释放速率。图1为锥形量热仪气体取样流程简图。

利用锥形量热仪涉及到的基本燃烧特性参数有:引燃时间(Time To Ignition,简称“TTI”)、比消光面积(Specific Extinction Area,简称“SEA”)、热释放速率(Heat Release Rate,简称“HRR”)、质量损失速率(Mass Loss Rate, 简称“MLR”)以及CO生成率(COYield,简称“COY”)等。

1.3 实验工况

烟头表面最高温度可达289 ℃,室内烟头火灾多是由未熄灭的烟头热辐射导致室内装修材料的阴燃而导致的。模拟阴燃火灾初期火灾辐射强度低的火灾场景,实验中锥形量热仪的热辐射通量选取集中在低辐射区,热辐射强度为20、25 kW/m2,具体工况设计参数如表1所示,材料尺寸为100 mm100 mm20 mm。

2 实验结果与分析

2.1 引燃时间

引燃时间是评价材料燃烧性能的重要参数,材料在条件相同的情况下,引燃时间越短,说明其越易被引燃,火灾危险性就越大。表2为不同辐射强度下各材料的引燃时间。由表2可知,辐射强度越大,材料被点燃就越容易。其中,布艺沙发材料的引燃时间为最短,其次是棉布床单和纯纸制壁纸,而复合木地板的引燃时间却较长,所以室内烟头火灾发生时,往往是由布艺沙发材料等阴燃引起,而且传播速度很快,又会在短时间内引燃其他种类材料的燃烧。

2.2 热释放速率

热释放速率是评价火灾强度的重要性能参数,材料的热释放速率峰值指其燃烧时的最大热释放速率。

图2、图3为不同材料在相同辐射条件下的热释放速率测试曲线。可以看出,热释放速率第一峰值随着辐射强度的增加而增加且提前。

在相同的辐射条件下,燃烧时材料的热释放速率的第一峰值出现得越早,平均热释放速率越大,其防火效果就越差,在火灾中燃烧得就越快;材料的第一峰值出现得越晚,平均热释放速率就越小,其防火效果就越好。布艺沙发的材料的热释放速率峰值及其平均值最大,到达HRR的第一峰值的时间也最短,说明沙发最易阴燃;其次是棉布窗帘与壁纸,木地板到达HRR的第一峰值的时间相对较晚,但随着热辐射强度的增加,棉布窗帘、壁纸及木地板几乎同时到达HRR的第一峰值。所以,在室内装修材料发生阴燃火灾时,沙发的火灾危险性最大。

2.3 质量损失速率

质量损失速率是材料的热分解燃烧速率。质量损失大的物质在真实的情况下,其火焰的传播速度也将较快,火灾的危险性也就越大。表3为各材料在不同辐射强度下的质量损失速率峰值,可以得出:材料的质量损失速率峰值随着辐射强度的增加而逐渐增加;纯纸制壁纸和复合木地板材料的质量损失速率峰值最大,其火灾危险性也最大,棉布床单和布艺沙发材料次之。

2.4 比消光面积

比消光面积表示试样分解挥发单位质量的可燃物所产生烟的能力,反映燃烧过程中烟气产生的多少。烟粒子对可见光是不透明的,有完全的遮蔽作用。烟气一般集中在疏散通道的上部空间,导致人员看不清周围的环境,辨认目标和疏散逃生的能力大大降低,造成更多的人员伤害。

图4、图5为相同热辐射强度下不同材料的比消光面积。由图4、图5可以看出,随着辐射通量的增加,比消光面积减小,说明材料燃烧得越充分,产烟量减小;随着辐射通量的增加,材料燃烧完的时间提前;相同辐射通量条件下,布艺沙发、棉布床单和纯纸制壁纸的材料燃烧完一段时间后,复合木地板材料才开始发烟燃烧,而发烟量远大于前三者。

3 结 论

辐射强度是影响材料燃烧特性的首要因素。

随着辐射强度的增大,材料的热释放速率第一峰值增加且提前,质量损失速率峰值增大,比消光面积减小,CO生成速率变小。

相同辐射强度下,布艺沙发材料的引燃时间最短,热释放速率峰值和平均热释放速率远远大于其他材料,CO生成率较高,且布艺沙发材料多为特殊的多孔特性,热量极易集聚,因此火灾危险性最大,建议室内装修时尽量避免选用此种材料。

在现代人们追求高质量环保生活的情况下,选择室内装修材料时普遍偏向高配环保材料。在这些材料中,有些组成部分为阴燃材料,较小的辐射强度下容易造成阴燃火灾,将给人们的生命财产造成严重的损失。近些年的这种室内火灾,往往是由于人们吸烟而阴燃那些室内阴燃材料而造成的。所以,人们必须改掉吸烟的一些不良习惯,如躺在床上或者沙发上吸烟等,并且在选择室内装修材料以及室内固定家具时,尽量避免选择含多孔性阴燃材料如聚氨酯泡沫的沙发、床垫等,减少室内阴燃火灾的发生,有效地保证人身财产的安全。

参考文献

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RPU材料逆流火蔓延燃烧特性 第2篇

1实验设计及安排

实验装置如图1所示,一块尺寸为1m×10cm×2 cm的RPU保温材料表面用记号 笔沿高度 方向每隔10 cm画水平线。实验中分 别对宽为10、15、20、25、30cm的RPU板材火蔓延特性进行研究,并在板材表面布置热电偶,记录板材表面的温度场变化。保温材料被竖直固定在1.6m×70cm×2cm的耐火石膏板上,保温材料上边缘两侧分别固定一根铆钉用于悬挂点火槽,点火槽调至保温材料上边缘10cm处。实验开始时,辐射直接照在板材表面,立刻点燃 点火槽内 的燃料,板材上部 被引燃,火焰开始自上而下蔓延。石膏板利用铆钉固定在支架表面,支架放置于 石英板上,石英板底 部放置电 子天平,电子天平的量程为100kg,精度为0.01g。辐射源放置在支架上方,支架底部为移动轮, , 可可以以通通过过移移动动滑滑轮轮改改变辐射源相对保温材料的距离,从而改变辐射板对保温材料的辐射强度。支架上部安装滑轮支架、滑轮及耐火板,侧方向为电机。

每份样品长为100cm,从距离板材上边缘10cm开始布置热电偶,每隔10cm放置一个热电偶于板材中央, 至80cm结束(编号001~008),共8个热电偶,用以测量板材表面处的气相温度。

2结果与讨论

2.1唯象特性

图2为硬质聚氨酯泡沫在有外界辐射情况下的火蔓延示意图。存在外界辐射源情况下,整个固体表面受辐射作用,板材表面水分被蒸发,温度升高,达到热解温度时,在距离板材表面一定高度处会积聚大量析出的可燃气体,板材被火源点燃后,扩散火焰开始向下蔓延,火焰通过辐射传热点 燃积聚在 火焰面与 板材表面 的可燃气 体,从而导致火焰面与板材表面之间倾角变小,板材表面受到的热量增多,析出更多的气体燃料参与燃烧过程,加剧火势,并且辐射源辐射使板材周围的温度升高,外界空气卷吸强度加大,火焰高度拉伸,火焰热燃烧区域面积变大并且传导给火焰前锋区域的热量增多,火焰前锋区域达到引燃温度时间缩短,导致火蔓延速度加快,热解区内沿厚度方向燃烧程度加剧。

从宽10cm的RPU板材在辐射强度为5kW/m2时的火蔓延过程可以看出,向下火蔓延过程是一个非稳态的加速火蔓延过程,板材的燃烧剧烈程度呈先增大后减小的趋势。0s时,板材上边缘被点火源引燃,火焰开始向下蔓延;120s时火蔓延至10cm处,火势较小,但由于辐射对热解区和未燃区的直接作用,使板材表面温度快速升高,并且RPU板材受热后会快速分解产生大量可燃气体,当火焰前锋区域达到点燃温度并且可燃气体达到临界浓度时,火焰继续向下传播。在辐射作用下,热解区达到点燃温度时间缩短,火蔓延速度加快。同时,由于强烈的气流流动导致火焰拉长,使燃烧区面积迅速增大,释放热量增多,增大的热量释放对于燃烧区有正反馈作用。 以上因素综合作用导致板材火势增大,300s时火势达到最大,随后由于板材被烧透,燃料变少,导致火势变小直至火焰熄灭。

2.2实验特征参数

2.2.1质量损失速率

图3为板宽度为25cm时,RPU板材在不同辐射强度下的质量损失曲线。可见,RPU泡沫板材在无辐射和2.5kW/m2辐射强度下的质量损失速率分别为0.116、 0.070g/s;当辐射强度为5kw/m2时,质量损失速率呈二段式分布,后期质量损失由之前的0.278g/s增大到0.610g/s。辐射强度越大,宽度为25cm的RPU泡沫板质量损失速率越大。主要是因为辐射强度越大,板材表面温度升高,热量蓄积加速,板材表面的热解气体速率加快,燃料蒸气与空气板材反应加剧,板材与周围空气密度差加大,空气对流传热加快,板材表面燃烧更加剧烈,导致质量损失速率加大。

图4为不同宽度的RPU板材平均质量损失速率随辐射强度的变化曲线。可以看出,随着辐射强度增加,相同宽度下的RPU泡沫板材的质量损失速率呈递增趋势。 表1为拟合后不同宽度下质量损失速率与辐射强度之间的关系。RPU板材的质量损失速率主要 受传热和 辐射两种控制机理控制,在存在外界辐射源的情况下,辐射直接照在板材表面,板材表面温度快速升高,分解产生的热解气析出速率不断增大。无辐射时,板材表面形成过火燃烧并形成炭化层,阻止了火蔓延向板材厚度方向的发展,板材厚度方向没有完全燃烧。当板材从上部被点燃, 火焰自上而下蔓延,蔓延燃烧过程中热解区形成的表面炭化层始终接受外界辐射源和火焰的辐射;当炭化层接受的总热流密度大于临界热流密度时,火蔓延将继续向板材厚度方向发展,板材被烧透,燃烧加剧,火焰前锋接受到的热解区域的热量传导也会增加,从而加速板材的火蔓延速度,单位时间内热解区域面积朝宽度方向和长度方向增大,热解气体析出加速,质量损失速率增大。

2.2.2火蔓延速率

火蔓延速率为热解前锋在单位时间前进的距离,火蔓延主要是由火焰前锋的未燃区是否达到临界点燃温度决定的,而火焰前锋未燃区的温度主要受热解区的热传导和辐射对未燃 区域的直 接作用。图5为不同宽 度的RPU板材区间蔓延速率随辐射强度的 变化曲线。可以看出,火蔓延速率会随着辐射强度增大而增大,并且火蔓延过程是一个加速的非稳态过程。板材表面的温度由于受到辐射源辐射而升高,热解区燃烧加剧,传导给火焰前锋区域的热量增加,使火焰前锋达到临界点燃温度的时间缩短,将会加速整体的火蔓延。而且随着辐射强度的增加,燃烧区的燃烧 加剧,使单位面 积的热释 放速率增 加,火焰温度升高,燃烧区面积增大,回馈给板材表面的热量增加,导致火蔓延速率加速。并且受宽度影响,随着宽度变大,热量向两侧的扩散会减小,层流边界层变小, 燃烧更加剧烈,导致板材单位面积的热释放速率增加,火蔓延速率加大。

2.2.3温度特性

图6为不同辐射强度下的板材表面温度变化曲线。 无辐射时,板材表面的温度为室温,外加辐射后,板材表面温度随着辐射强度的增加而升高,当辐射强度为2.5、 5.0kW/m2时,板材表面可燃气体析出,温度分别升高到135、150 ℃,随着火焰自上而下蔓延,自上而下布置的热电偶温度依次升高,辐射强度增大,板材燃烧剧烈,表面温度升高越快,当辐射强度为5kW/m2时,表面最高温度达到750 ℃。

3结论及措施

(1)RPU板材火蔓延速度由于受外界辐射和热解区域的热传导作用,达到临界点燃温度点的时间缩短,火蔓延速率加快,并且和辐射强度近似呈指数增长关系。消防监督方面,应充分考 虑建筑防 火间距,对于必须 使用RPU材料作为保温材料的高层建筑,应适当增加建筑防火间距;对于本身存在先天防火间距不足或需使用RPU保温材料进行改造的老建筑,应禁止直接使用未经阻燃处理的RPU材料。

(2)外界辐射情况下,RPU板材的逆 流火的火 灾危害性同向上火蔓延一样非常大,故需要加强高层建筑板材顶部的防火隔离措施,加强对建筑顶部区域的消防监督力度,禁止堆积易燃物,以免被点燃产生逆流火蔓延。

(3)鉴于我国高层建筑楼间距较小或者节能型建筑设计的实际情况,当有一方发生火灾并且辐射相邻保温材料表面的情况发生,向下火蔓延后期会呈现加速的非稳态过程,一旦发生火灾,单位应当立即组织初期火灾扑救,消防队接到相关建筑的火灾报警也要加强第一出动, 否则后期火势变大,难以扼制。

摘要：设计了大尺寸实验装置,对外加辐射情况下不同宽度的RPU材料逆流火蔓延特性进行实验研究,并获得质量损失速率、火焰高度、火蔓延速度和火焰脉动频率等火焰特征参数。结果表明:RPU板材向下火蔓延呈现非稳态的加速蔓延特征,质量损失速率呈二段式分布,当达到某一辐射强度时板材沿厚度方向被烧透;热解前锋区域面积在板材受外界辐射作用增大时,火焰前锋达到热解温度的时间缩短,火蔓延速度加快,导致火势变大,沿宽度方向未燃区域面积变小,炭化层区域变大。

材料燃烧特性 第3篇

笔者采用原位聚合的方法制备PMMA/MWNT复合材料, 通过锥形量热仪和UL94分级测试, 对比分析复合材料的引燃时间、热释放速率、CO产生速率等燃烧特性参数, 评估在不同的燃烧场景和燃烧试验中碳纳米管改性PMMA类易燃性材料的可行性。

1 实验部分

1.1 主要原料

甲基丙烯酸甲酯 (MMA) , 分析纯;偶氮二异丁腈 (AIBN) , 分析纯;羟基化多壁碳纳米管, 外径10~20nm, 长度0.5~2um, 纯度95%。

1.2 主要设备及仪器

SZL-1型锥形量热仪;WJ-60B型烟气综合分析仪;CZF-3型水平垂直燃烧测定仪;XMTD-204型数显式电热恒温水浴锅;SB-5200DNT型超声波清洗机;真空干燥箱。

1.3 样品制备

量取50mL MMA单体分别与不同质量的MWNT混合, 搅拌并在超声波清洗机中分散40min左右;加入0.05% (质量分数) 的AIBN, 等其完全溶解后, 置于80~90℃的水浴锅内进行预聚合, 预聚过程中要不断搅拌。观察预聚体粘度至甘油状时, 停止加热, 并迅速冷却至室温。将预聚物缓慢倒入模具中, 静置10 min赶走气泡, 然后将模具封口, 在 (50±5) ℃干燥箱内保温30h。固化成型后, 升温至95~100℃, 保温2h, 自然冷却脱模。MWNT的质量分数为:0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。

1.4 性能测试

采用水平燃烧测试仪, 测试可燃性和着火危险性, 试样的尺寸为125mm13mm3mm, 每组分别测试5根样条;锥形量热仪测试, 样品尺寸为100mm100mm3mm, 每组分别测试3个样品取平均值。

2 结果与讨论

2.1 复合材料的热释放速率

热释放速率 (HRR) 特别是其峰值是评估材料火灾安全性的重要参数。PMMA及PMMA/MWNT纳米复合材料在不同辐射条件下的热释放速率曲线, 如图1、图2所示。在50kW/m2辐射功率下, 对比PMMA和含不同质量分数MWNT的PMMA复合材料的热释放速率曲线, 可以看出由于碳纳米管的添加, 复合材料的热释放速率峰值有明显的降低。同时, 当MWNT质量分数不大于1%时, 复合材料的热释放速率峰值随着多壁碳纳米管的增加而逐渐降低。说明低辐射强度下碳纳米管作为增强填料, 在提高材料阻燃性方面有显著的效果。

在70kW/m2辐射条件下, 复合材料的热释放速率峰值虽有一定量的减小, 但是变化幅度明显比50kW/m2下小。对比图1、图2, 复合材料的热释放速率峰值随辐射强度的增加而增大, 说明碳纳米管的阻燃效果随辐射强度的增加而减弱。

2.2 复合材料的CO生成率

CO是材料的不完全燃烧产生的有毒气体, 其生成率是指在燃烧过程中某时刻单位质量试样燃烧产生的CO量。图3为复合材料在50kW/m2辐射条件下的CO生成率 (COY) 曲线。从图3可以看出, 在初始阶段含0.5%MWNT的PMMA复合材料的COY峰值比纯PMMA材料的COY峰值出现得早。同时, 由于MWNT的添加, 降低了复合材料的CO生成率峰值, 这说明添加碳纳米管可以使复合材料燃烧得更为充分。

2.3 复合材料的CO2生成率

CO2是燃烧过程中最为常见的气体, 是可燃物质完全燃烧的产物。复合材料在50kW/m2辐射强度下CO2生成率曲线, 如图4所示。由图4可知, MWNT的加入增加了燃烧初期CO2的产量, 这也对应了CO生成率。对比图1和图4可以看出, 复合材料的CO2生成率曲线与其HRR曲线走势一致, 在某种程度上甚至可以用热释放速率来估算其CO2生产量。

2.4 复合材料的点燃性能

PMMA及含不同含量MWNT的PMMA复合材料在不同辐射条件下的引燃时间 (TTI) , 如表1、表2所示。在50kW/m2辐射功率的条件下, 当添加1.0%及其以下MWNT时, 复合材料的点燃时间明显缩短, 而超过1%以后, 点燃时间又有所回升。而由表2可知, 在强辐射条件下, 材料的引燃时间大幅度缩短, 但MWNT添加量对引燃时间的影响则减弱。

2.5 复合材料的不延燃性能

依据UL 94-2006标准, 采用本生灯和特定燃气源 (甲烷) , 对呈垂直状态的样品施燃5次, 以测定试样的不延燃性能。结果表明, MWNT/PMMA复合材料并没有获得任何UL94V等级, 但在一定程度上改变了复合材料火焰蔓延和着火危险性。图5为PMMA及PMMA/1%MWNT复合材料垂直方向燃烧行为的对比照片。如图5所示, 相比于纯的PMMA试样, PMMA/1%MWNT复合材料在燃烧过程中保持了材料的完整性而不发生形变, 同时碳纳米管的添加抑制了材料燃烧过程中熔滴现象的发生。

3结论

(1) 辐射强度是影响复合材料燃烧特性的重要因素;

(2) 低辐射条件下CNTs能够明显降低复合材料的热释放速率峰值;

(3) 添加少量的CNTs不增加CO生成率;

(4) CO2生产率曲线与热释放速率曲线走势一致, 具有一定的相关性;

(5) 仅依靠CNTs不能延长PMMA的点燃时间;

(6) CNTs可改善PMMA类易燃材料的熔滴行为。

参考文献

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材料燃烧特性 第4篇

为进一步了解固体材料性质对浸油固体着火及燃烧特性的影响, 笔者以报纸、纸板和碎纸屑品等常见固体可燃物为对象, 研究浸入汽油之后固体材料的点火时间、火焰传播速率及质量损失速率的变化。

1 实验仪器与材料

ES-1000E型电子天平;钢质燃烧槽, 规格30 cm12 cm2 cm;NIKON COOLPIXP1型数码相机;点火器;秒表;钢尺;喷壶;汽油;报纸, 规格30 cm12 cm;纸板, 规格30 cm12 cm2 mm;碎纸屑。

2 实验方法

向实验样品中均匀喷入一定量汽油, 平铺于钢制燃烧槽内, 在一端用点火器施加火焰, 记录点火时间和火焰持续时间, 并根据燃烧痕迹计算出表面火焰传播速率。实验结束后称量燃烧剩余物的重量, 计算烧损速率。实验中控制点火器火焰长度为2 cm, 火焰末端距样品的垂直高度为1 cm, 火焰最长加热时间为10 s。图1为浸油固体着火及燃烧特性实验装置示意图。

3 结果与讨论

3.1 材料性质对浸油固体着火性能的影响

为研究材料性质对浸油固体着火特性的影响, 对比材料点燃时间及火焰传播速率随浸油含量的变化情况, 结果见表1。表中X为汽油添加量 (质量分数) , ti为点燃时间, tf为火焰持续时间 (下同) 。

从表1可以看出, 报纸、纸板、碎纸屑点燃时间随含油量的变化规律基本相同, 随含油量的增大而减小。这是因为含油量越大, 报纸上方的汽油蒸气浓度越大, 越容易达到引燃条件, 所需的点火时间就越短。对于浸油报纸、纸板、碎纸屑, 火焰在含油量较低时持续时间较短, 这是由于固体物质没有完全燃烧造成的。随着含油量的增大, 火焰持续时间会逐步增加, 并使燃烧更加充分;随着含油量的进一步加大, 油品燃烧释放的热量充足, 使材料的燃烧速率加快, 反而使火焰持续的时间有所降低。

3.2 材料性质对火焰传播性能的影响

随汽油加入量的不同, 报纸、碎纸屑和纸壳的燃烧速度都会发生变化。

3.2.1 浸油报纸

未添加汽油之前, 报纸的热分解温度较高, 水平放置的报纸在火源作用下, 热分解速度较慢, 产生的可燃气有限, 不能达到着火条件, 所以只呈现出阴燃的燃烧状态。加入一定量的汽油以后, 在表面汽油的作用下, 能够发生明显的火焰传播, 含油报纸的着火特性发生了显著改变。图2为浸汽油报纸燃烧速率随汽油含量变化曲线图。

由图2可以看出, 随着汽油质量分数增大, 报纸表面的火焰传播速率整体呈逐渐增高的趋势。实验时观察到, 当浸油报纸的汽油质量分数超过8%后, 报纸表面时常有闪火的出现, 当汽油质量分数为8%时, 火焰从5 cm窜至13 cm;9%时, 也观察到火焰从5 cm处窜至15 cm左右;13%时, 点燃后火焰从10 cm处猛蹿至20 cm处;而闪火的长度从1～10 cm不等。这一特殊现象存在的原因与材料本身的性质有关, 报纸质地较薄, 汽油喷洒到其表面以后, 一部分汽油被报纸吸收, 但是随着油品含量的增多, 不能被吸收的部分汽油则在报纸的表面形成油膜, 油膜的存在使浸油报纸表面上方的汽油蒸气浓度变大, 所以受火以后能够出现类似液体燃烧时出现的闪燃现象。汽油质量分数为14%时, 不仅表面出现闪火, 而且当火焰传播至30 cm处听到有爆鸣的声音, 由于这种特殊现象只出现一次, 所以无法总结爆鸣出现的规律, 但是根据已有知识分析, 爆鸣产生是由于30 cm处报纸表面的油膜受到足够的热量的作用后大量气化, 遇到明火发生了局部的气体爆炸现象。由于这种现象的发生需要的条件较为苛刻, 所以整个实验过程中只观察到一次。

3.2.2 浸油碎纸屑

图3为碎纸屑燃烧速率随汽油含量变化曲线图。由图3可知, 当汽油质量分数超过6%后, 浸油碎纸屑表面能够出现火焰的稳定传播, 汽油含量的越多, 燃烧速率越快。未添加汽油时, 碎纸屑呈阴燃状态, 汽油的加入改变了碎纸屑的燃烧状态, 加快了火焰的传播。究其原因主要是由于液态汽油容易点燃, 释放的热量促使碎纸屑发生燃烧, 两种热量的累加使燃烧速率加大。

3.2.3 浸油纸壳

实验中发现浸油纸壳燃烧时, 可以清楚地观察到两种燃烧速率, 即表面油品的燃烧速率和载体物质碳化速率。表面油品的燃烧速率变化较为单一, 随着油品含量的增多纸壳表面油品燃烧速率呈上升趋势, 见图4所示。但是载体物质100%炭化时间会随着含油量的增大而缩短, 见图5所示。油品含量增多, 燃烧释放的热量就越大, 提供给纸壳炭化所需要的热量就越充足, 所以样品全部炭化所需要的时间就会逐渐缩短。

3种物质中, 浸汽油碎纸屑表面的火焰传播速率最快, 浸汽油纸壳表面火焰传播速率较慢, 浸汽油报纸表面火焰传播速度最慢。

3.3 火灾痕迹的对比与讨论

实验过程中, 始终保持点火器产生的火焰垂直向上的长度为3 cm, 火焰底部距离样品1 cm, 见图6所示。

在实验过程中观察到报纸浸入一定量汽油以后, 汽油受热燃烧, 报纸受热后在表面张力的作用下卷曲变形, 并伴随“哔哔啵啵”的响声。3种浸汽油样品燃烧过程中呈现出的燃烧痕迹有所不同, 报纸和纸壳燃烧过程中可明显地分出汽油燃烧速率和纸壳炭化速率两个速率。图7简要示意纸壳点火、燃烧中期和末期表面炭化痕迹变化情况, 图中黑色代表炭化区域、灰色代表浸油区域、白色代表油品蒸干的样品表面。纸壳本身材质的颜色与浸油后的颜色对比度较大, 所以容易观察。由图7可以看到, 纸壳表面炭化痕迹与未燃浸油表面之间能够形成明显的油品蒸干区域 (白色区域) , 但是报纸表面由于印刷的缘故, 油品的蒸干区域不明显, 碎纸屑由于缺乏连贯性, 判断其是否具有两个速率, 即火焰传播速率和炭化速率难度较大。纸壳表面受火后火焰在边缘处传播较快, 最后形成四周向中心的合围态势, 这主要是由于纸壳边缘处氧气供应充足的缘故。

3.4 材料性质对浸油固体烧损的影响

报纸燃烧时有明显的黑色炭化痕迹, 当油品质量分数超过8%时, 浸油报纸完全燃烧后, 其灰烬质量趋于相等, 见图8所示。

碎纸屑燃烧时呈明显的黑色炭化痕迹, 完全燃烧时其表面的灰烬呈灰白色, 实验中即使油品质量分数高达50%, 也能观察到靠近铁盘底部存在尚未燃烧的碎纸屑, 见图9所示。

纸壳燃烧时存在明显的黑色炭化痕迹, 完全燃烧后的灰烬呈灰白色, 汽油质量分数超过7%后, 铁盘底部不存在未完全燃烧纸壳, 见图10所示。主要原因是由于纸壳的加工工艺使表面张力发生改变, 受火作用时局部易出现扭曲弯转, 使底部的纸壳可以充分接触氧气完全燃烧。称量灰烬的质量发现, 汽油质量分数超过7%后灰烬的质量较接近, 见图11所示。原因是由于纸壳基础样本质量基本相同, 所以充分燃烧后灰烬接近3.6 g。

4 结 论

通过对浸汽油的报纸、碎纸屑和纸壳的燃烧特性进行研究, 得出以下结论:

(1) 报纸、纸板、碎纸屑点燃时间随含油量的变化规律基本相同, 随含油量的增大而减小。火焰持续时间在含油量较低时较短, 随着含油量的增大, 火焰持续时间会逐步增加, 并使得燃烧更加充分;随着含油量的进一步加大火焰持续的时间有所降低。

(2) 随着汽油含量增大, 报纸表面的火焰传播速率整体呈逐渐增高的趋势。当浸油报纸的汽油质量分数超过8%后, 报纸表面时常有闪火出现, 闪火的长度从1～10 cm不等。汽油质量分数为14%时, 不仅表面出现闪火, 而且当火焰传播至30 cm处时, 听到有爆鸣的声音。

当汽油质量分数超过6%后, 浸油碎纸屑表面能够出

现火焰的稳定传播, 随着汽油含量的增多燃烧旺盛。

浸油纸壳燃烧时, 可以清楚地观察到两种燃烧速率, 即表面油品的燃烧速率和载体物质炭化速率。表面油品的燃烧速率随油品含量的增多呈上升趋势, 但是载体物质100%炭化时间会随含油量的增大而缩短。

横向比较不难发现, 3种物质中浸汽油碎纸屑表面的火焰传播速率最快, 浸汽油纸壳表面火焰传播速率较慢, 浸汽油报纸表面火焰传播速率最慢。

(3) 报纸和纸壳浸入一定量汽油以后, 汽油受热燃烧, 这两种材质受热后在表面张力的作用下易卷曲变形, 并伴随“哔哔啵啵”的响声。报纸和纸壳燃烧过程中可明显分出汽油燃烧速率和纸壳炭化速率两个速率。但是报纸表面由于印刷的缘故, 油品的蒸干区域不明显。

(4) 报纸燃烧时有明显的黑色炭化痕迹, 当油品质量分数超过8%时, 浸油报纸完全燃烧后, 其灰烬质量趋于相等。汽油质量分数超过11%后, 纸壳可完全燃烧, 其灰烬的质量较为接近。

摘要：以报纸、纸板和碎纸屑等常见固体可燃物为对象, 考察汽油添加量对其引燃时间、火焰传播速率、火灾痕迹及烧损速率的影响, 分析固体材料性质对浸油固体着火及燃烧特性的影响机理。结果表明:随着汽油含量增加, 报纸和纸壳的引燃时间缩短, 表面火焰传播速率加快, 超过一定值后有闪火出现, 烧损速率增加, 而碎纸屑的火焰传播速率则随汽油含量的增加呈先增大后减小的趋势。浸油纸壳燃烧时能够明显地区分出汽油燃烧和纸壳炭化两个速率。

关键词：火焰传播速率,引燃时间,汽油,燃烧特性

参考文献

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材料燃烧特性 第5篇

当今世界对节约能源与保护环境的需求不断提高, 建筑围护结构的保温也日益加强, 其中又以墙体外保温的发展最为迅速[1]。目前我国建筑墙体外保温应用最多的有三种形式即内保温、中间夹芯保温及外保温[2,3], 常用的保温材料有四种:一是以矿物棉和玻璃棉为主的无机保温材料;二是挤塑聚苯板 (XPS) ;三是模塑聚苯板 (EPS) 板材;四是聚氨酯 (PU) 泡沫。在我国聚苯乙烯泡沫和硬泡聚氨酯等可燃材料在建筑外墙外保温系统中的使用最为广泛[4]。

对于采用外墙保温方式进行保温的建筑, 特别是高层、超高层建筑或密集型建筑群, 外墙保温往往不具有或缺乏防火安全性, 一旦保温材料和保温系统发生火灾, 往往造成重大的人员伤亡和财产损失[5,6,7,8]。本文利用FDS数值模拟的方法针对挤塑聚苯板 (XPS) 、模塑聚苯板 (EPS) 和聚氨酯 (PU) 三种材料外墙保温材料火灾的发展和蔓延规律进行研究, 以期完善我国外墙保温材料竖向燃烧的相关研究。

1 FDS数值模拟原理

FDS是一种以火灾中流体运动为主要模拟对象的计算流体动力学 (CFD) 场模拟软件, 适用于因火灾引起的烟雾和热传输规律的研究。它是以N-S偏微分方程为基础进行数值求解, 给出较详细的各种物理量 (温度、压力, 速度、密度、热释放速率、烟雾组分等) 的分布。其控制方程包括质量守恒、组分守恒、动量守恒、速度场方程以及状态方程[9]。

模拟中所需要的所有FDS输入参数是通过一个简单的由用户书写的文本文件来传递的。该文件中包含数值网格、环境条件、建筑外形、材料性质、燃烧动力学和所需要的输出量的信息。目前, 我国外墙保温材料防火方面的规范尚没有规定各种外墙保温材料的热物性参数, 本文中保温材料的燃烧参数参考了江苏省建设厅对建筑节能材料热物理性能参数的相关规定, 见表1[10]。

2 窗口火竖向燃烧模拟

2.1 窗口火场景设计

模拟垂直的建筑外立面, 由主墙和副墙构成。主副墙高均为40 m, 宽为18 m, 两墙呈直角布置。建筑外保温材料布置于主墙体上。在主墙的底部设置一个燃烧室, 以提供燃烧的火焰, 其规模是模拟内轰燃状态的火焰从窗口或洞口溢出时状况。在主墙正面垂直方向每隔1 m布置一个测点, 而水平方向则每隔2 m布置一个测点。墙体构造、火源位置和测点布置如图1所示。

模拟中各种外墙保温材料的厚度均为50 mm, 其宽度和高度应完全覆盖实验装置的主墙和副墙。环境温度设置为20℃, 模拟过程中保持外界无风。火源热释放速率设为1 MW。

2.2 挤塑聚苯板 (XPS) 窗口火模拟分析

(1) 模拟过程中火焰在水平和垂直方向蔓延。火蔓延痕迹呈倒V形, 如图2所示。燃烧产生的热烟气在浮力的驱动下从火焰区直接上升形成锥形烟羽流。

(2) 通过对XPS竖向燃烧速度曲线进行分析, 可以得到燃烧高度同燃烧时间的关系式, 见图3。

(3) 火蔓延速度大小由材料表面正在热解的区域的大小变化来决定, 记为vp, 对于只存在一个方向的火蔓延过程来说, vp可定义为:

式中:xp (t) 为t时刻的热解前锋面位置, xp (t+Δt) 为t+Δt时刻的热解前锋面位置。

对图3中数据进行处理后, 可以得到中所示的XPS竖向燃烧的速度曲线, 对其进行非线性拟合后得到速度的变化趋势, 如图4所示, 从而得出竖向燃烧速度随时间变化的关系式为:

2.3 模塑聚苯板 (EPS) 窗口火模拟分析

(1) 模拟过程中火焰会在水平和垂直方向蔓延, 火蔓延痕迹呈倒V形, 见图5。由于其燃烧时供氧量充足, 使热气流及火焰上升速度加快, 垂直方向蔓延速度远大于水平方向蔓延速度。燃烧产生的热烟气在浮力的驱动下从火焰区直接上升形成锥形烟羽流。

(2) 通过对EPS竖向燃烧速度曲线进行分析, 可以得到燃烧高度同燃烧时间的关系式, 见图6。

(3) 根据图6中的结果, 得到EPS竖向燃烧的速度曲线, 对其进行非线性拟合后得到速度的变化趋势, 如图7所示, 从而得到竖向燃烧速度随时间变化的关系式:

2.4 聚氨酯 (PU) 窗口火模拟分析

(1) 模拟中, 火焰蔓延痕迹呈倒V形, 燃烧产生的热烟气在浮力的驱动下从火焰区直接上升形成锥形烟羽流, 如图8所示。

(2) 通过对PU竖向燃烧速度曲线进行分析, 得到燃烧高度同燃烧时间的关系式, 见图9。

(3) 由模拟得到PU竖向燃烧的速度曲线, 通过对其进行非线性拟合得到速度的变化趋势, 如图10所示, 得到竖向燃烧速度随时间变化的关系式为:

3 墙角火竖向燃烧模拟

模型同样由垂直的主墙和副墙构成。主、副墙高均为25 m, 宽为15 m, 两墙呈直角布置。建筑外保温材料布置于主、副墙体上。在主、副墙的交叉部位底部设置火源, 以提供燃烧的火焰。在主、副墙正面垂直方向每隔1 m布置一个测点, 水平方向每隔2 m布置布置一个测点。墙体构造、火源位置和测点布置如图11所示。

模拟中各种外墙保温材料的厚度均为50 mm, 其宽度和高度完全覆盖主墙和副墙, 环境温度保持在20℃, 模拟过程中保持外界无风, 火源热释放速率为1 MW。

3.1 挤塑聚苯板 (XPS) 墙角火模拟分析

(1) 模拟初期, 燃烧在水平和垂直方向发展, 火蔓延痕迹呈倒V形。当模拟开始600 s后, 蔓延痕迹开始由倒V形逐渐转变为倒Y形, 如图12所示。

(2) 通过对XPS竖向燃烧速度曲线进行分析, 可以拟合火焰前锋的变化趋势及关系式, 见图13。

(3) 对图13中数据进行处理后, 可以得到图14中所示的蔓延速度变化曲线, 并通过非线性拟合, 推导出竖向燃烧速度随时间变化的关系式:

3.2 模塑聚苯板 (EPS) 墙角火模拟分析

(1) 模拟开始时, 主、副墙靠近火源位置将会被点燃, 火焰将会以两墙的交界线为对称轴而在水平方向上蔓延, 在此同时, 在对流和辐射的作用下, 火源上方的材料不断经历加热、分解、点燃的过程, 形成竖向的火焰蔓延。火蔓延痕迹呈倒V形。当模拟开始300 s后, 水平蔓延速度减缓, 而竖向蔓延速度明显增快, 蔓延痕迹由倒V形逐渐转变为倒Y形, 见图15。由于其燃烧时供氧量充足, 使热气流及火焰上升速度加快, 垂直方向蔓延速度远大于水平方向蔓延速度。燃烧产生的热烟气在浮力的驱动下从火焰区直接上升形成锥形烟羽流。

(2) 通过对EPS竖向燃烧速度曲线进行分析, 得到燃烧高度同燃烧时间的关系式, 见图16。

(3) 对图16内数据进行处理后, 可以得到的蔓延速度变化曲线, 见图17, 并通过非线性拟合, 得到竖向燃烧速度随时间变化的关系式:

3.3 聚氨酯 (PU) 墙角火模拟分析

(1) 在模拟初期, 燃烧在水平和垂直方向发展, 火蔓延痕迹呈倒V形。当模拟开始300 s后, 蔓延痕迹开始由倒V形逐渐转变为倒Y形。

(2) 通过对PU竖向燃烧速度曲线进行分析, 可以拟合如图19所示的火焰前锋的变化趋势及关系式。

(3) 对图19中数据进行处理后, 得到图20所示的蔓延速度变化曲线, 并通过非线性拟合, 推导出竖向燃烧速度随时间变化的关系式为:

4 结论

通过对各模拟结果分析的总结, 见表2, 可以得出以下结论:

(1) 对于外墙保温材料的竖向燃烧, 仅挤塑聚苯板墙角火模拟中, 火焰前锋位置同时间保持线性变化, 其它五种情况下, 前锋位置同时间均保持非线性变化。非线性变化表现为在初期前锋高度随时间迅速增加, 但是在中期变化速度开始减慢并逐渐趋于平稳, 变化曲线总体上呈抛物线形, 即前锋高度随时间的变化遵循如下规律:

式中:a, b, c均为常数。

(2) 外墙保温材料竖向燃烧的速度vp可以表示为:

(3) 由于数值模拟存在一定的局限性, 公式、中a、b、c、α、β等常数的具体数值有待于进一步的科学研究来加以确定。

参考文献

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[9]MCGRATTAN K.Fire Dynamics Simulator (Version4) Technical Reference Guide[M].WASHINGTON, USA:U.S.Government Printing Office:2004

材料燃烧特性 第6篇

关键词：标准燃烧物,燃烧特性,火灾增长速率,总热值

在实体火试验研究中, 火灾试验模型的建立是试验进行的物质基础和重要组成部分。对于液体、气体火灾, 可以选择实际可燃液体或者可燃气体开展标准池火试验和喷射火试验。针对固体可燃物火灾, 目前均采用实际可燃物或标准木垛搭建火灾模型。但随着不同场所内可燃物种类增加、可燃物材料日益复杂、特别是聚合物材料增多, 无法采用单一材质的标准木垛火灾模型模拟实际火灾场景。如何合理选择具有通用性的标准燃烧物代替实际场所中存放的可燃物搭建试验火灾模型, 最大限度地模拟典型场所的实际火灾状况, 是各研究机构均在探索解决的问题。目前, 国外一些先进研究机构在该领域的研究起步相对较早, 并取得了一些成果, 在此基础上建立的仓储类场所的火灾试验模型已经列入相关产品检测试验的方法中。而我国在该领域的研究尚属空白。

针对以上问题, 公安部天津消防研究所依托国家“十二五”科技支撑计划项目, 通过对我国典型建筑不同危险等级场所的火灾荷载进行调查、统计和分析, 研究实际场所可燃物特征, 筛选并确立了符合我国国情的火灾试验用标准燃烧物2种, 用于模拟不同火灾荷载和火灾危险等级场所的一般可燃物。笔者采用ISO 9705试验装置测量了燃烧物的热释放速率、火灾荷载, 计算获得火灾增长速率等燃烧性能参数, 对标准燃烧物的燃烧特性及其影响因素进行了研究。

1 火灾试验用标准燃烧物

通过调研分析发现, 目前我国高大厂房、仓库等工业场所实际燃烧物材料组成以高分子聚合物、纸质、木材为主, 火灾荷载为1 000~5 000 MJ/m2;体育场馆、会展中心、影剧院等人员密集型非仓库类高净空公共场所实际燃烧物多为木质家具、软垫家具、纺织品等, 火灾荷载为300~600 MJ/m2。

为了使标准燃烧物能够代表实际场所燃烧物的燃烧特性, 标准燃烧物应以高分子聚合物和纤维素材料为主, 且材料特性稳定、易于储存、堆放和组合。根据以上选材原则, 借鉴FM试验用燃烧物研制经验, 公安部天津消防研究所针对不同场所的火灾特性初步研制了2种标准燃烧物, 分别为塑料杯组合体标准燃烧物即塑料制品标准燃烧物和纸杯组合体标准燃烧物即纸制品标准燃烧物, 其结构组成如图1、图2所示。

其中, 瓦楞纸箱外尺寸为500 mm500 mm500mm, 重2.7kg, 瓦楞纸板厚度为4mm, 纸箱含水率控制在5%~8%;纸杯为全木浆材质, 重10g, 容积550mL, 含水率控制在3% ~5%;塑料杯材质为聚苯乙烯纯树脂, 重30g, 容积450mL。塑料杯、纸杯组合体标准燃烧物瓦楞纸箱内放置5层塑料杯或纸杯, 每层25只, 杯间由瓦楞纸板分隔。这种蜂窝状内部结构可以在相同火灾荷载条件下获得更快的火灾增长速率和更大的热释放速率, 从而用于实际情况下最不利火灾场景的模拟。

2 标准燃烧物燃烧特性试验

2.1 试验设备

燃烧试验系统依据ISO 9705的要求设计, 烟气采集和数据分析系统采用英国某公司的大尺度燃烧测试系统。具体试验房间构造及尺寸和主要分析设备的相关指标可参考ISO 9705中的相关描述。

2.2 试验设计

标准燃烧物由于材料丰富、结构复杂, 燃烧特性的稳定性比油盘火、木垛火等火灾模型的差。为了避免燃烧过程受环境风速、温湿度等外界因素的干扰, 以及烟气外泄的影响, 在保证试验过程中氧气供应充足前提下, 试验在燃烧室内进行, 如图3所示。标准燃烧物放置于边长为1m、高4.15m支架上, 支架结构和与燃烧室相对位置, 如图4、图5所示。为了避免试验过程中燃烧物倒塌, 本试验采用点火罐四角点火方式, 四个钢制点火罐分别位于模型底面四角的正下方, 如图6所示。罐内先后加入400mL水和10mL正庚烷。

2.3 试验结果及分析

标准燃烧物选用的材料为批量生产, 因此质量稳定, 重量及尺寸最大偏差不超过±2%。在试验初期发现, 由于试验环境温湿度变化较大, 特别是环境湿度最大偏差接近30%, 从而导致标准燃烧物纸箱含水率偏差达到平均值的22%。使在此条件下测得的塑料杯、纸杯组合体标准燃烧物总热值 (THR) 最大偏差23%, 且随着纸箱含水率的增大, 燃烧物总热值有明显减小趋势, 如图7 所示。因此, 为了保证标准燃烧物燃烧性能稳定, 试验采用塑封包装, 将纸箱含水率控制在5%~8%。

为使研究结果具有代表性、通用性和可比性, 对塑料杯、纸杯组合体标准燃烧物各进行了20组重复性量热试验, 测量了2种标准燃烧物在相同试验条件下的燃烧热释放速率和总热值, 具体试验参数和测量结果的平均值见表1。其中, 塑料杯组合体标准燃烧物含有大量聚合物材料, 其总热值、最大热释放速率和火灾荷载密度远大于全部为纸质纤维材料的纸杯组合体标准燃烧物。此外, 塑料杯组合体标准燃烧物燃烧充分, 纸杯组合体标准燃烧物由于阴燃现象明显, 造成总热值偏差大于塑料杯组合体标准燃烧物。

燃烧热释放速率变化用于表征火灾各阶段的发展情况。图8为2种标准燃烧物的热释放速率曲线 (选取10组有效数据为例) , 其中以4个标准点火器引燃为时间起点, 以燃烧热释放速率降低至峰值的5%为试验终点。

由图8可以看出, 各次试验得到的标准燃烧物热释放速率曲线形式基本一致, 呈单峰分布, 燃烧过程中无明显平稳燃烧段, 且火灾增长段呈逐渐加速状态, 火灾衰减段呈逐渐减速状态。由于火灾增长段是决定自动灭火系统动作的关键因素, 因此本试验中热释放速率的增长规律为表征该标准燃烧物燃烧特性的重要参数。

由于点火器火源较小, 且初期只是标准纸箱燃烧, 火灾热值较小, 因此温度、湿度、纸箱含水率等因素在该过程中对燃烧的影响较大, 加之点火时间和采集时间无法严格统一, 造成标准燃烧物从引燃至燃烧开始加速这段过程长短不一, 表现在图8中为各次试验HRR曲线发生平移现象。为了准确研究标准燃烧物燃烧的增长特性, 对试验数据进行进一步处理。由于标准点火源热释放速率约为10kW, 因此以热释放速率达到10kW时作为燃烧增长的起点, 从而减少点火源以及燃烧初期环境因素的影响。图9为2种标准燃烧物经过 (t-t0) 进行平移处理后得到的HRR曲线, 其中t0为引火源达到10kW时间。通过图9可以看出, 采用热释放速率10kW为燃烧增长起点后, 各次试验热释放速率曲线分布更加一致。

将纸杯组合体标准燃烧物各20组热释放速率曲线进行平均, 得到2 种标准燃烧物热释放速率特征曲线TFRI-average。该特征曲线描绘了不同燃烧物燃烧过程中各阶段的燃烧特性:2种标准燃烧物采用4角点火方式, 燃烧热释放速率先增大后减小, 热释放速率曲线均为单峰形式;塑料杯组合体标准燃烧物平均燃烧时间为的1 100s, 火灾增长段为 (t-t0) 300s, 约为整个燃烧过程的1/4;纸杯组合体标准燃烧物平均燃烧时间为800s, 火灾增长段为 (t-t0) 400s, 约为整个过程的1/2。

火灾增长速率α是除总热值THR外另一描述燃烧物燃烧特性的关键指标, 用于火灾发展速率的分类。为进一步研究标准燃烧物燃烧特性, 采用t2火对每组热释放速率HRR曲线增长段分别进行了拟合, 得到火灾增长速率平均值为塑料杯组合体标准燃烧物α=0.007 3, 介于慢速火 (α=0.002 77) 与中速火 (α=0.011 1) 之间, 近中速火;纸杯组合体标准燃烧物α=0.001 64, 属于慢速火。从图10可以看出, 火灾增长速率平均值曲线与燃烧物热释放速率特征曲线增长段非常吻合, 表明该火灾增长速率准确定义了2种燃烧物的火灾发展速率。

3 结论

(1) 纸箱含水率影响标准燃烧物燃烧特性, 随着含水率增大标准燃烧物总热值有减小趋势。

(2) 采用4角点火方式, 2种内部蜂窝状结构的典型标准燃烧物热释放速率曲线均呈单峰分布;燃烧过程中无明显平稳燃烧段, 且火灾增长段和衰减段分别呈逐渐加速及逐渐减速状态;

(3) 塑料杯组合体标准燃烧物火灾荷载密度约600MJ/m2, 单体燃烧火灾增长速率接近中速火, 火灾增长段约为整个燃烧过程的1/4;纸杯组合体标准燃烧物火灾荷载约200 MJ/m2, 单体燃烧火灾增长速率为慢速火, 火灾增长段约为整个燃烧过程的1/2。

基于以上燃烧特性参数可以看出, 在控制点火方式、燃烧环境和燃烧物含水率的条件下, 2 种标准燃烧物燃烧特性稳定, 通过进一步排列组合可用于搭建以不同材料为主的多种火灾模型。组合后燃烧物模型燃烧特性需要进一步的研究。

参考文献

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地下商铺火灾燃烧特性研究 第7篇

1 试验设计

模拟地下商场中的某服装商铺火灾, 服装主要为裤子和上衣, 并采用常见的悬挂放置形式。试验布置图如图1所示。试验间内的总火灾荷载约为26 250 MJ, 对应火灾荷载密度约为189 MJ/m2。试验过程中开启房间内的机械排烟 (位于图1的左下方) , 排烟口尺寸为1.4m×1.4m, 排烟量约为8 350m3/h, 通过开敞的门实现自然补风。该设计与实际地下商铺中的使用情况基本一致, 即位于地下空间的商铺由于没有直接通往建筑外部的开口, 大多只能通过机械排烟系统实现火灾时的排烟。基于最不利场景考虑, 试验没有考虑着火区域内的机械补风, 也未考虑启动自动喷淋系统。

为了考查不同起火位置对火蔓延特性的影响, 试验设置了两个火灾场景:起火点一位于房间中部服装悬挂架的一端, 起火点二位于墙角处。在房间门口处设置可见光段摄像仪, 以记录火灾发展过程。两次试验都使用K型热电偶记录烟气温度数据, 共使用三个热电偶树 (TR1、TR2、TR3) , 每个热电偶树布置了7只热电偶。

2 试验结果分析

2.1 火灾蔓延路径

首先分析试验一的数据, 即火灾从位于商铺中央位置的服装挂架末端开始蔓延。在试验中观察到, 在着火初期火灾发展主要呈一维蔓延形式, 即主要沿着火源所在的服装挂架单向蔓延, 但并未引燃相邻挂架上的服装。其主要原因在于该阶段的火灾功率较小, 在房间内没有形成较强的辐射传热。另外, 商铺房间净空较高 (5m) , 上层烟气没有沉降到较低的位置, 再加上服装挂架的间距较大 (1m) , 相邻挂架上的衣物受到的辐射热通量低于能够被引燃的临界值。

试验中还发现, 最初形成的一维火灾蔓延模式并没有沿着整个服装挂架持续下去, 而是在挂架长度一半处停止了蔓延。试验所采用的服装悬挂布置方式, 可能是导致火蔓延停止的原因之一:处于悬挂状态的服装燃烧到一定程度后掉落在地面, 以类似油池火的形式继续燃烧, 与其蔓延前方的未燃服装形成非连续的火灾荷载分布, 在一定程度上抑制了火蔓延态势。同时, 场景一中机械排烟口和自然补风口的位置决定了火灾蔓延方向与来自门开口的空气来流方向相反, 这种补气机制的存在也不利于一维火蔓延。

尽管掉在地面的衣料引燃了另一相邻挂架上的服装, 但该挂架上形成的一维火蔓延同样没有维持下去, 掉落在地面的服装维持局部燃烧形式, 没有观察到进一步火蔓延现象。图2展示了试验结束后的现场照片, 其中线框区域为燃烧后的区域, 箭头表示火蔓延发展的大致路径。由此可以看出, 对于火灾荷载分布较为均匀的地下商铺, 火蔓延路径表现出一定的复杂性。

为了考察不同火源位置对火蔓延特性的影响, 第二次试验中火源设置在墙角处。图3给出了火源附近的服装燃烧情况。可以看出, 墙角处的火焰远高于第一次试验中的火焰高度, 可推测此次试验中的燃烧速率和火蔓延速率更快。首先, 由于火源位于墙角, 火羽流对空气的卷吸机制被削弱, 羽流中心线温度更高, 火焰高度也比非受限工况下更高。在这种机制作用下, 初始火源产生的辐射传热明显高于第一次试验, 加快火灾蔓延。其次, 由于靠近墙角的服装采用了上下两层的悬挂方式, 着火后会形成更高的火焰, 这也会产生更强的辐射传热, 也会加速火蔓延。火焰从墙角位置沿着两侧墙面迅速蔓延, 试验中观察到的火蔓延速率明显大于第一次试验中的结果。沿墙面的火蔓延速度较快也可归因于对空气的卷吸受限, 产生更高的羽流温度和更高的火焰高度。

通过对比两次试验的结果可以看出, 对于采用悬挂方式的地下服装商铺, 火源出现在商铺中间位置时火灾规模较小, 且不易从局部燃烧发展成大面积火灾;当火源位于墙角或者靠近墙面时, 火灾可发生快速蔓延, 并更有可能导致大面积过火。

2.2 烟气温度

图4显示了第一次试验中TR1处的烟气层竖向各点温度数据。由图4并结合试验中观察到的现象可知, 从点火开始到240s左右的烟气温升曲线对应初始火源增长以及一维火蔓延。此阶段的烟气峰值温度均小于200℃, 此后的温度曲线对应地面服装的局部燃烧以及向相邻挂架的蔓延过程。约650s后烟气温度持续下降 (尽管在1 100s时有较小上升, 但不影响下降总趋势) , 由此可以推断火蔓延大约在该时刻停止。

图5给出了第二次试验中的烟气温度数据。如图5 (c) 所示, 由于热电偶树TR3离火源较近, 其所在位置的烟气层温度在最初的50s内迅速升至200℃以上。温度在50~300s内的波动可能是由于燃烧中的服装掉落造成的。从300s开始烟气温度表现出总体缓慢下降的趋势, 这主要因为随着火蔓延的发展, 燃烧区逐渐远离TR3所致。

从图5 (a) 和 (b) 可以看出, TR1和TR2两个位置处在很长时间内都维持较高温度, 与第一次试验结果相比存在显著差异。从图5 (a) 可以看出, TR1处的烟气层温度在1 100~1 400s内仍有较大幅度上升, 分析原因认为是由于火焰蔓延到离TR1较近的位置引起的。从此三只热电偶位置的烟气层温度曲线可判断, 此次试验中火蔓延一直持续至1 400s, 与第一次试验仅持续至600s形成了鲜明对比。这也与墙角或墙面有强化其附近火蔓延的机制是一致的。

3 结论

选择地下服装商铺开展全尺寸试验, 探讨其内部火灾蔓延规律。试验结果表明:在使用机械排烟和自然补风情况下, 商铺内发生了不同程度的火蔓延, 但没有出现轰燃现象。服装采用的悬挂方式可削弱火蔓延趋势。火源位于房间中央时, 火蔓延只持续了较短时间, 火蔓延路径与前人提出的一维线性火蔓延假设不一致。火源位置对于火蔓延方式有着重要影响, 火源靠近墙角时, 火焰沿着墙边蔓延更快。

参考文献

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