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常見可燃物變熱流輻射引燃特性實(shí)驗(yàn)研究
引言
火災(zāi)中的可燃物材料可分為可燃?xì)怏w、可燃液體和可燃固體三種，其中固體燃料的燃燒占有主導(dǎo)地位，因此，固體可燃物的燃燒一直是火災(zāi)安全科學(xué)領(lǐng)域研究的重要課題[1]。著火是燃燒的初始階段，是火災(zāi)的最主要過程之一。在對(duì)火災(zāi)的危險(xiǎn)性進(jìn)行分析時(shí)，可燃材料的著火時(shí)間是最重要的參數(shù)之一。從某種程度上講，對(duì)可燃物的著火進(jìn)行深入研究，是對(duì)隨后發(fā)生的火災(zāi)發(fā)展和蔓延過程進(jìn)行模擬的關(guān)鍵所在，也為接下來對(duì)火災(zāi)危險(xiǎn)性的降低和火災(zāi)險(xiǎn)情的控制提供了一定的理論基礎(chǔ)。
固體可燃物的燃燒是一種復(fù)雜的化學(xué)物理過程，而火災(zāi)環(huán)境又是多變的，因此，要科學(xué)的認(rèn)識(shí)火災(zāi)，評(píng)估各種建筑物的安全狀況，預(yù)測(cè)火災(zāi)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)固體可燃物著火已經(jīng)做了大量的研究，并取得了豐富的研究成果，但對(duì)于固體可燃物的許多實(shí)驗(yàn)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(zāi)均經(jīng)過著火、蔓延，直至發(fā)生轟燃的過程，在這一過程中，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火特性對(duì)火災(zāi)安全科學(xué)具有重要意義[2 3]。R.Bilbao[4]曾對(duì)變化熱流條件下木材的著火性能進(jìn)行了研究，在他的實(shí)驗(yàn)中，變化的熱流是隨時(shí)間下降的熱流，這與實(shí)際火災(zāi)情況存在很大的不同，本文實(shí)驗(yàn)采用更切合實(shí)際的線性上升輻射熱流�；谏鲜鲈�，在本文中將對(duì)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火進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出相應(yīng)的結(jié)論。
1 實(shí)驗(yàn)方法
1.1 實(shí)驗(yàn)儀器
實(shí)驗(yàn)研究在我校的“變熱流條件下材料著火實(shí)驗(yàn)臺(tái)”上完成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示：
1.2 實(shí)驗(yàn)原理
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理如所示：
1.3 實(shí)驗(yàn)材料的處理
實(shí)驗(yàn)中將木材試樣統(tǒng)一加工成78mm×78mm×24mm 的小方塊，因?yàn)槭軣岱较蚺c紋理方向的關(guān)系會(huì)對(duì)木材的著火過程產(chǎn)生影響，二者之間的關(guān)系典型的有沿著紋理方向加熱和沿垂直紋理方向加熱[5]，Vyas[6]等人對(duì)木材的紋理方向?qū)χ鸬挠绊戇M(jìn)行了研究，他們指出由于木材在不同方向的導(dǎo)熱性能不同，沿紋理方向加熱時(shí)著火的發(fā)生早于垂直于紋理方向加熱，在本文實(shí)驗(yàn)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(yàn)中木塊只有上表面受到熱輻射，4 個(gè)側(cè)面和底面基本處于絕熱狀態(tài)，從而可以簡(jiǎn)化為一維傳熱問題，在實(shí)驗(yàn)前需要對(duì)木材的側(cè)面和底面用鋁箔做絕熱處理。測(cè)量木材內(nèi)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(yàn)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(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)中需用一種不銹鋼網(wǎng)柵進(jìn)行壓覆。
測(cè)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(jù)輻射熱流量的標(biāo)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(biāo)定曲線的匯總。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
實(shí)驗(yàn)中沒有采用任何附加的導(dǎo)向點(diǎn)火裝置，即實(shí)驗(yàn)材料是自然著火的。
2.1 著火時(shí)間與熱流變化速率
材料在不同熱流條件下的著火時(shí)間直接說明了其著火性能。實(shí)驗(yàn)中不同加熱功率下的最大加熱時(shí)間與熱流通量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的時(shí)間對(duì)應(yīng)。若材料被加熱至標(biāo)定時(shí)間后著火還不能發(fā)生，則認(rèn)為其在該熱流條件下不能著火。
為不同熱流條件下木材的著火時(shí)間，為不同熱流條件下棉布與窗簾的著火時(shí)間。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不同熱流變化速率下，木材、窗簾和棉布的著火時(shí)間變化趨勢(shì)一致，它們的著火時(shí)間隨著熱流變化速率的降低而增加。對(duì)于木材，當(dāng)熱流變化速率為0.015kW（/ m2·s），加熱持續(xù)1200s 著火沒有發(fā)生，因此判斷當(dāng)熱流變化率小于0.015kW/（m2·s）時(shí)，熱自燃不能發(fā)生；對(duì)于窗簾和棉布，當(dāng)熱流變化速率為0.05325kW/（m2·s），加熱持續(xù)700s 著火沒有發(fā)生，因此判斷當(dāng)熱流變化率小于0.0532 kW/（m2·s）時(shí)，材料熱自燃不能發(fā)生；考慮到影響材料著火的不確定性因素很多，如輻射熱流通量的標(biāo)定劃分的不夠精密，要想精確確定材料著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(yàn)材料的著火時(shí)間與熱流變化速率之間的關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)二者能夠很好的符合冪函數(shù)關(guān)系，如表2。其中x 代表熱流變化速率，y 代表著火時(shí)間。
2.2 質(zhì)量損失與熱流變化速率
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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?yàn)楫?dāng)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(dǎo)致的質(zhì)量損失較大；著火發(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?yàn)闊崃髯兓俾蚀髸r(shí)，著火需要的時(shí)間變短。但無(wú)論熱流變化速率大小，著火發(fā)生時(shí)都會(huì)對(duì)應(yīng)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 著火時(shí)溫度與熱流變化速率
2.3.1 著火時(shí)表面溫度
通過實(shí)驗(yàn)，熱厚性與熱薄性材料表面溫度變化趨勢(shì)一致。隨著加熱的進(jìn)行，溫度逐漸升高，然后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)突變，此時(shí)對(duì)應(yīng)著火發(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(yàn)還發(fā)現(xiàn)，隨著熱流變化速率的升高熱厚性與熱薄性材料的著火溫度均降低，這主要是因?yàn)楫?dāng)熱流變化速率較高時(shí)，著火時(shí)間變短，材料表面的受熱時(shí)間變短；當(dāng)熱流變化速率較低時(shí)，著火時(shí)間變長(zhǎng)，這主要是因?yàn)槿紵璧臈l件之一——可燃?xì)怏w的濃度達(dá)到燃燒條件后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，溫度還不能達(dá)到燃燒條件，此時(shí)可以觀察到著火發(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火的表面溫度。
2.3.2 熱厚性材料——木材的內(nèi)部溫度
木塊內(nèi)部溫度的變化直接影響木材內(nèi)部熱解。隨著加熱時(shí)間的進(jìn)行，熱量由表面逐漸傳遞到內(nèi)部。與表面的距離越大，受到加熱的影響越晚。如圖9 所示：
隨著熱流變化速率增大，著火時(shí)間變短，著火發(fā)生時(shí)，木塊內(nèi)部受到外加熱流的影響的程度越小。
3 結(jié)論
本文對(duì)線性上升熱流條件下固體可燃物的著火問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。相比恒定熱流條件，變熱流條件更接近于實(shí)際火災(zāi)情況。通過實(shí)驗(yàn)觀察分析，得到如下結(jié)論：
1）固體可燃物的著火時(shí)間隨著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(duì)木材、窗簾和棉布的著火時(shí)間與熱流變化速率之間的關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)二者能夠很好的符合冪函數(shù)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。著火發(fā)生前，熱流變化速率越高，質(zhì)量損失速率越大。著火發(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，著火發(fā)生時(shí)都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)失重速率的突變。
3）不同熱流條件下，著火發(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。但隨著熱流變化速率的升高著火溫度降低。
4）對(duì)于熱厚性材料——木材，隨著加熱時(shí)間的進(jìn)行，熱量由表面逐漸傳遞到內(nèi)部，與表面的距離越大，受到加熱的影響越晚。隨著熱流變化速率增大，著火發(fā)生時(shí)間變短，著火發(fā)生時(shí)，內(nèi)部受到外加熱流的影響的程度越小，熱量向內(nèi)部傳遞的距離變短。
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