室內(nèi)火災(zāi)旋轉(zhuǎn)火焰影響因素試驗(yàn)研究

●崔曉星

(寧波市消防支隊(duì)，浙江寧波 315000)

0 引言

旋轉(zhuǎn)火焰是火焰的一種特殊存在方式，在其運(yùn)動(dòng)過程中，不僅具有向上運(yùn)動(dòng)的羽流速度，而且還具有水平方向的旋轉(zhuǎn)速度［1-2］。發(fā)生于室內(nèi)火災(zāi)中的旋轉(zhuǎn)火焰，與非旋轉(zhuǎn)火焰相比具有更快的燃燒速度，更大的熱輻射輸出量，在旋轉(zhuǎn)中心的小區(qū)域內(nèi)熱量釋放更集中，還有無法預(yù)料的煙氣運(yùn)動(dòng)［3-5］。因此，科學(xué)地認(rèn)識這一火災(zāi)行為，深入研究旋轉(zhuǎn)火焰在工業(yè)和民用建筑火災(zāi)中的發(fā)展?fàn)顟B(tài)及其影響因素就顯得非常重要和十分緊迫。

1 試驗(yàn)裝置及條件設(shè)置

1．1 試驗(yàn)系統(tǒng)及燃燒源設(shè)置

試驗(yàn)中選取煤油作為燃料。試驗(yàn)的主要裝置是SNHZ-01試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由火災(zāi)試驗(yàn)箱、火災(zāi)數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)和上位機(jī)等部分組成。火災(zāi)試驗(yàn)箱呈長方體，其外部尺寸為0．68 m 長、0．42 m 寬、0．42 m高;頂棚處開設(shè)天窗，開口面積可變;燃燒池位于箱內(nèi)地板中心點(diǎn)上方20 mm處，下有金屬托盤;溫度檢測系統(tǒng)主要由熱電偶和多路火災(zāi)信號檢測儀組成;熱通量測量系統(tǒng)主要是由兩個(gè)連接火災(zāi)多路信號檢測儀的輻射熱流計(jì)和計(jì)算器組成，為了檢測箱內(nèi)地板處的輻射熱流量，在地板上距離短邊0．20 m處設(shè)置一個(gè)熱流計(jì)，如圖1所示。質(zhì)量損失測量系統(tǒng)由電子天平和電子打印機(jī)組成。根據(jù)試驗(yàn)需要設(shè)置一定的時(shí)間間隔，實(shí)時(shí)測量燃料質(zhì)量的變化數(shù)據(jù)，用以計(jì)算質(zhì)量損失速率。

圖1 試驗(yàn)箱內(nèi)器件布置情況

試驗(yàn)過程中，熱電偶、輻射熱流計(jì)分別實(shí)時(shí)測量試驗(yàn)箱內(nèi)各測試點(diǎn)的溫度、地板處的輻射熱通量等幾個(gè)參數(shù)，并通過火災(zāi)信號檢測儀同步記錄到與之相連的上位機(jī)內(nèi);電子天平置于燃料托盤下，根據(jù)設(shè)置的時(shí)間間隔測量出燃料的質(zhì)量變化，由電子打印機(jī)輸出相關(guān)數(shù)據(jù)，手工輸入到上位機(jī)內(nèi)。熱電偶和輻射熱流計(jì)連接在同一臺數(shù)據(jù)采集儀上，可以保證測得的溫度值與輻射熱通量值在時(shí)間上同步;燃料在燃燒過程中產(chǎn)生的質(zhì)量損失數(shù)據(jù)需要手工錄入計(jì)算機(jī)以便進(jìn)行差值計(jì)算，因此溫度變化與質(zhì)量損失速率之間的同步性需要人為控制［6］。

1．2 房間結(jié)構(gòu)及條件設(shè)置

圖2是雙門軸對稱式房間的結(jié)構(gòu)示意圖。房間的前后寬墻上各設(shè)一高、寬均可調(diào)節(jié)的全敞開門，分別位于前后墻的左右兩端，這樣的軸對稱結(jié)構(gòu)使氣流從火焰的兩側(cè)切向卷入，更有利于形成旋轉(zhuǎn)火焰。天花板正中間設(shè)一正方形通風(fēng)口，通過更換頂棚來實(shí)現(xiàn)通風(fēng)口面積的改變。試驗(yàn)設(shè)計(jì)面積分別為196、400和841 cm2的頂棚通風(fēng)口，分別占地板面積的7%、14%和30%。在門的寬度一定的前提下，改變門的高度，獲取并研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)。門的寬度也作為改變的對象，以研究門的寬度對各火災(zāi)參數(shù)的影響。具體的試驗(yàn)條件如表1。

圖2 房間結(jié)構(gòu)示意圖

表1 試驗(yàn)條件

2 結(jié)果與討論

2．1 試驗(yàn)現(xiàn)象描述

燃料在最初引燃時(shí)，燃燒面積較小，隨著火焰對油品的加熱作用，液面溫度不斷升高，火焰很快蔓延至燃料整個(gè)表面。一段時(shí)間后，火羽開始發(fā)展，在整個(gè)房間上部形成了熱煙氣層，同時(shí)通過天花板上的通風(fēng)口流出房間。隨后火羽變得不穩(wěn)定并開始旋轉(zhuǎn)，火焰根部變細(xì)，燃燒強(qiáng)化，火焰由于旋轉(zhuǎn)而顯著變長，通過天花板通風(fēng)口可以看到火焰;一旦火焰高度超過墻，旋渦中心就開始被破壞。一段時(shí)間以后，旋轉(zhuǎn)火焰變得不穩(wěn)定，旋轉(zhuǎn)中心發(fā)生飄移，整個(gè)火焰柱在自旋的同時(shí)沿燃料盤邊緣移動(dòng);然后火焰的旋轉(zhuǎn)減弱，高度降低，變成普通的獨(dú)立式池火。然后自行重復(fù)循環(huán)，形成新的旋轉(zhuǎn)火焰，循環(huán)一直重復(fù)直到池中燃料燃盡。

2．2 房間結(jié)構(gòu)對參數(shù)的影響

在軸對稱雙門房間的火災(zāi)模擬試驗(yàn)中，在確保其他條件不變的情況下，分別對燃料池大小、頂棚通風(fēng)口面積、門寬和門高進(jìn)行變化，測量不同條件下熱煙氣層溫度、升溫速率、燃燒速率和地面輻射熱通量等參數(shù)，以此來定量描述房間結(jié)構(gòu)某一條件的變化對于室內(nèi)火災(zāi)旋轉(zhuǎn)火焰帶來的影響。測量得到4組對比示意圖和相應(yīng)的數(shù)據(jù)，見圖3、4、7、8和表2～5。

2．2．1 燃料池大小

在對比試驗(yàn)中，房間的頂棚通風(fēng)口面積取196 cm2，占地板面積的 7%;門寬為 14．8 cm;門高為22．5 cm。由圖3和表2可以看出，隨著燃料池面積的增大，溫度峰值逐漸升高，升溫速率和燃燒速率也逐漸加快，地面輻射熱通量值增大，且各參數(shù)峰值出現(xiàn)時(shí)間逐漸提前。

2．2．2 頂棚開口面積

圖3 燃料池面積變化引起的各火災(zāi)參數(shù)變化圖

表2 不同燃燒池面積下的火災(zāi)參數(shù)

在對比試驗(yàn)中，選取中等尺寸，即面積為100 cm2的燃料盤;門寬為14．8 cm;門高為11．3 cm。由圖4和表3可以看出，隨著頂棚開口面積的增大，溫度峰值和地面輻射熱通量值逐漸減小，而升溫速率與燃燒速率的峰值和均值都出現(xiàn)了先增大后減小的情況，由此判斷在7% ～30%區(qū)間內(nèi)存在臨界點(diǎn)，使各均值和峰值達(dá)到最大值。因此需要補(bǔ)充變化條件，通過擬合曲線，找出臨界點(diǎn)。

圖4 頂棚開口面積變化引起的各火災(zāi)參數(shù)變化圖

表3 不同頂棚開口面積下的火災(zāi)參數(shù)

為了研究升溫速率和燃燒速率隨頂棚開口面積改變的變化趨勢，對5種開口大小(開口面積占地板面積的百分比分別為7%、10．5%、14%、22%和30%)進(jìn)行了試驗(yàn)。圖5和圖6中的曲線為試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合曲線(相關(guān)性系數(shù)均大于0．9)，可以看出，升溫速率均值和峰值的臨界點(diǎn)出現(xiàn)在13．95%、14．89%;燃燒速率均值和峰值的臨界點(diǎn)出現(xiàn)在18．94%、20．19%。

2．2．3 門寬

在對比試驗(yàn)中，房間的頂棚通風(fēng)口面積取196 cm2;選取面積為100 cm2的燃料盤;門高為22．5 cm。由圖7和表4可以看出，隨著門寬度的減小，溫度峰值逐漸升高，升溫速率和燃燒速率也逐漸加快，地面輻射熱通量值增大，且各參數(shù)峰值出現(xiàn)時(shí)間均逐漸提前。

2．2．4 門高

圖5 升溫速率的峰值和均值隨頂棚開口面積的變化趨勢擬合圖

圖6 燃燒速率的峰值和均值隨頂棚開口面積的變化趨勢擬合圖

圖7 門寬變化引起的各火災(zāi)參數(shù)變化圖

表4 不同門寬下的火災(zāi)參數(shù)

在對比試驗(yàn)中，頂棚通風(fēng)口面積取841 cm2;選取面積為100 cm2的燃料盤;門寬為14．8 cm。由圖8和表5可以看出，隨著門高度的減小，溫度峰值逐漸升高，升溫速率和燃燒速率也逐漸加快，地面輻射熱通量值增大，且各參數(shù)峰值出現(xiàn)時(shí)間均有所提前。

圖8 門高變化引起的各火災(zāi)參數(shù)變化圖

通過比較研究上述4種參數(shù)的均值、峰值以及峰值對應(yīng)的時(shí)間，發(fā)現(xiàn)隨著燃燒池面積的增大和門寬的減小以及門高的降低，旋轉(zhuǎn)火焰引起的火災(zāi)危險(xiǎn)性增強(qiáng)。這可通過房間結(jié)構(gòu)條件對旋轉(zhuǎn)火焰的影響加以解釋。密度梯度和壓力梯度的大小是渦旋傳輸?shù)闹匾蛩刂唬紵孛娣e的增大增強(qiáng)了燃料密集區(qū)反應(yīng)物的混合，使得火焰內(nèi)部的密度梯度和壓力梯度進(jìn)一步增強(qiáng)，旋轉(zhuǎn)火焰渦度進(jìn)一步增強(qiáng)，增大了火災(zāi)的危險(xiǎn)性;在燃料池面積一定的情況下，燃料燃燒所需空氣量一定，門寬的減小和門高的降低使得門口單位面積的質(zhì)量流速增加，高速氣流的卷入促使密度梯度和壓力梯度增強(qiáng)，旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)，危險(xiǎn)性加大。在分析結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，隨著頂棚開口面積的增大，升溫速率和燃燒速率則出現(xiàn)了先增大后減小的現(xiàn)象。這可能是由火災(zāi)放熱和散熱兩方面因素相互作用引起，一方面頂棚開口面積增大，單位時(shí)間內(nèi)熱煙氣帶走了更多的熱量;另一方面火焰周圍氣流的流動(dòng)速度也隨開口面積的增大而增大，使得反應(yīng)速率加快，單位時(shí)間內(nèi)放出了更多的熱量，使煙氣溫度升高［7］。

表5 不同門高下的火災(zāi)參數(shù)

3 結(jié)論

3．1 本文通過試驗(yàn)在小尺寸房間中重現(xiàn)了火焰的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象;并在沒有外部鼓風(fēng)的情況下，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)火焰的自發(fā)產(chǎn)生。

3．2 運(yùn)用小尺寸試驗(yàn)方法對室內(nèi)火災(zāi)的旋轉(zhuǎn)火焰現(xiàn)象進(jìn)行了描述。觀察到旋轉(zhuǎn)火焰具有自旋、根部變細(xì)、焰柱增長和旋轉(zhuǎn)中心飄移等特征;并直觀展示了旋轉(zhuǎn)火焰的形成、自旋、中心飄移和消失的周期運(yùn)動(dòng)的全過程。

3．3 在軸對稱雙門房間的火災(zāi)模擬試驗(yàn)中，在其他條件不變的前提下，分別改變?nèi)剂铣卮笮　㈨斉镩_口面積、門寬和門高，測量了不同條件下熱煙氣層溫度、升溫速率、燃燒速率和地面輻射熱通量等參數(shù)的數(shù)值，以此來定量描述房間結(jié)構(gòu)某一條件的變化對室內(nèi)火災(zāi)旋轉(zhuǎn)火焰火災(zāi)危險(xiǎn)性的影響。結(jié)果表明，隨著燃燒池面積的增大和門寬的減小以及門高的降低，旋轉(zhuǎn)火焰引起的火災(zāi)危險(xiǎn)性均呈增強(qiáng)趨勢;而隨著頂棚開口面積的增大，火災(zāi)危險(xiǎn)性出現(xiàn)了先增大后減小的情況。

［1］ASHURST W M T，MCMURTRY P A．Flame Generation of Vorticity:Vortex Dipoles from Monopole［J］．Combust Sci．＆Tech，1989，66:17．

［2］JIANG X，LIU K H．Direct Numerical Simulation of the Near Field Dynamics of Rectangular Reactive Plume［J］．International J．of Heat and Fluid Flow，2001，22(6):633-642．

［3］BATTAGLIA F，McGrattan K B，RRHM R G，et al．Simulating Fire Whirls．Technical Report NISTIR 6341［R］．National Institute of Standards and Technology，1999．

［4］EMMONS H W，YING S J．The Fire Whirl［C］//Proceedings of the 11th Symposium(Int．)on Combustion，The Combustion Institute，1966:475-488．

［5］CHIGIER N A，BEER J M，GRECOV D，et al．Jet Flames in Rotating Flow Fields［J］．Combust Flame，1970，14:171-180．

［6］崔曉星．室內(nèi)火災(zāi)旋轉(zhuǎn)火焰燃燒特性試驗(yàn)研究［J］．武警學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，27(6):10-12．

［7］王婷婷，宋飛．室內(nèi)火災(zāi)轟燃噴出火焰的數(shù)值模擬研究［J］．武警學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，27(8):18-20．