硬質(zhì)聚氨酯板材貼壁逆流火蔓延燃燒特性實驗研究

王鵬，王艷，，馬鑫

（1.安徽省合肥市公安消防支隊，安徽 合肥 230001；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)國家重點實驗室，安徽 合肥 230027）

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硬質(zhì)聚氨酯板材貼壁逆流火蔓延燃燒特性實驗研究

王鵬1，王艷1，2，馬鑫2

（1.安徽省合肥市公安消防支隊，安徽 合肥 230001；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)國家重點實驗室，安徽 合肥 230027）

針對典型熱固性有機保溫材料硬質(zhì)聚氨酯泡沫（R PU），自行搭建了一種大尺寸實驗裝置，開展存在外界穩(wěn)定輻射情況下硬質(zhì)聚氨酯保溫材料逆流火蔓延特性實驗研究，觀察比較此種材料存在外界輻射源輻照和無輻射條件下實驗現(xiàn)象的異同，并獲得平均質(zhì)量損失速率和火蔓延速度等火焰特征參數(shù)。實驗結(jié)果表明：較之無輻射情況下，板材受到外界輻射輻照，火蔓延過程后期會出現(xiàn)加速現(xiàn)象，質(zhì)量損失速率通過線性擬合后呈二段式分布，厚度方向的熱流增加，未燃層厚度減小，板材碳化層區(qū)域面積變大；質(zhì)量損失速率和火蔓延速度與外界輻射強度呈正相關(guān)的關(guān)系。

硬質(zhì)聚氨酯保溫材料；外加輻射；逆流火蔓延；可變寬度

1　研究背景

硬質(zhì)聚氨酯（RPU）泡沫塑料因質(zhì)輕、吸水率低、熱性能優(yōu)越，從而被廣泛應(yīng)用于建筑保溫等領(lǐng)域，然而其本身極易燃燒，且蔓延迅速。如2009年央視配樓火災(zāi)及2010年上海靜安區(qū)大火等多起案例均是由于RPU保溫板被點燃引起的，故系統(tǒng)地研究該類保溫材料的火蔓延特性具有重要的現(xiàn)實意義。

近年來，有機保溫材料應(yīng)用于高層建筑外立面而引發(fā)的火災(zāi)事故引起了建筑科學(xué)領(lǐng)域和材料領(lǐng)域科研工作者的注意。例如：Altenkirch[1]，andFerkul and Ti’en[2]等人研究表明輻射在火蔓延過程中是很重要的機理。Zhang[3]等研究發(fā)現(xiàn)固體表面火蔓延行為的寬度效應(yīng)受控于對流和輻射兩種傳導(dǎo)機制，火蔓延速度隨試樣寬度的增加表現(xiàn)出先減小后增大的勢。Rangwala[4]等人研究了寬度效應(yīng)對PMMA板材火蔓延特性的影響；趙恒則[5]等人研究了聚氨酯泡沫板被線火源從中間點燃情況下的垂直火蔓延特性；Quintiere[6]等人研究了小功率輻射工況下PMMA板材火焰高度的變化規(guī)律并歸納了火蔓延速度和輻射強度之間的關(guān)系； Fernandez-Pello[7]、Hirano[8]等認(rèn)為外加輻射主要是通過影響燃料初始溫度進(jìn)而影響火蔓延進(jìn)程。基于上述固體可燃物的火蔓延特性研究可見，在固體可燃物復(fù)雜的固相分解和氣相燃燒耦合過程中，輻射強度和寬度對保溫材料的火蔓延行為起著至關(guān)重要的作用。

2　實驗設(shè)計及安排

本文搭建實驗裝置示意圖如圖1所示，一塊長厚為1m×2cm的保溫板材表面用記號筆沿高度方向每隔10cm畫水平線。 本實驗中分別對寬度為10cm、15cm、20cm、25cm、30cm的RPU板材火蔓延特性進(jìn)行研究。保溫材料上邊緣二側(cè)分別固定一根鉚釘用于懸掛點火槽用于點燃板材。 實驗開始時，輻射直接照在板材表面，同時點燃點火槽內(nèi)的燃料，板材上部被引燃。 石膏板利用鉚釘固定在支架表面，支架放置于石英板上，石英板底部放置電子天平，電子天平的量程為100kg，精度為0.01g。輻射源放置在支架上方，支架底部為移動輪，可以通過移動滑輪改變輻射源相對保溫材料的距離，從而改變輻射板對保溫材料的輻射強度，本實驗采用標(biāo)定的輻射強度分別為2.5kW/m2和5.0kW/m2。支架上部安裝滑輪支架、滑輪及耐火板，側(cè)方向為電機。

圖1　逆流火蔓延實驗裝置

3　結(jié)果與討論

3.1唯象特性

圖3　輻射強度為由2.5kW/m2到5kW/m2時火蔓延現(xiàn)象的轉(zhuǎn)變（W=10cm）

圖3給出了寬度為10cm的RPU板材在外界輻射強度由2.5kW/m2升到5kW/m2時的后期火蔓延現(xiàn)象的變化。前者表示當(dāng)外界輻射強度為2.5kW/m2火蔓延的情況，從板材頂部被點燃到火焰前鋒蔓延至底部的整個過程近似為穩(wěn)態(tài)，但是當(dāng)外界輻射強度升為5.0kW/m2時，可以看出，火蔓延后期過程出現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)的加速現(xiàn)象，板材的燃燒程度呈先增大趨勢后減小的趨勢。導(dǎo)致上述現(xiàn)象主要原因是：逆流火蔓延的蔓延速度主要是由火焰前鋒處達(dá)到熱解溫度的時間長短決定，當(dāng)前鋒區(qū)域受輻射時間越長，蓄積熱量越大，達(dá)到熱解溫度時間越短。本實驗中，火蔓延后期，板材表面溫度較輻射強度較小時高，所以火蔓延速度加快，導(dǎo)致質(zhì)量損失速率變大，火焰高度拉伸，從而火勢變大。

3.2實驗特征參數(shù)

3.2.1質(zhì)量損失速率

火蔓延過程中燃料的質(zhì)量損失速率能夠直觀反映熱釋放速率的變化過程，是衡量火災(zāi)危險程度的重要參量之一，其規(guī)律可為計算機數(shù)值模擬提供重要理論依據(jù)。

圖4　不同輻射強度下的PU板材質(zhì)量損失曲線（W=20cm）

圖5　不同輻射強度下的平均相對質(zhì)量損失速率

圖4和圖5分別給出了寬度為20cm時PU板材的平均質(zhì)量損失速率變化曲線和由于輻射強度增大導(dǎo)致的凈增加的質(zhì)量變化與輻射強度之間的關(guān)系：=0.0216。RPU板材的質(zhì)量損失速率主要受傳熱和輻射兩種控制機理控制。由于硬質(zhì)聚氨酯泡沫表面過火燃燒時，會形成碳化層，阻止火蔓延向板材厚度方向發(fā)展，導(dǎo)致板材沿厚度方向分為碳化層和未燃區(qū)域二層。由于蔓延燃燒過程中熱解區(qū)形成的表面碳化層始終接受外界輻射源和火焰的輻射。當(dāng)碳化層接受的總熱流密度大于臨界熱流密度時，火蔓延將繼續(xù)向板材厚度方向發(fā)展，板材被燒透，燃燒加劇。另外，沿縱向方向，火焰前鋒接受到的熱解區(qū)域的熱量傳導(dǎo)也會增加，從而加速板材的火蔓延速度，導(dǎo)致蔓延后期質(zhì)量損失速率變大，從而使得質(zhì)量損失速率呈二段式分布，質(zhì)量損失速率的凈增加量正比于輻射強度，輻射強度越大，凈增加量越大。

3.2.2火蔓延速度

火蔓延速度是表征固體可燃物表面火蔓延行為的最重要參數(shù)，經(jīng)典定義如下所示[9]：

圖7給出了板材寬度為25cm且輻射強度5kW/m2情況下的板材表面溫度變化曲線。依據(jù)公式：得出平均火蔓延速率變化曲線（圖8）。式中ti為火焰達(dá)到熱電偶的時間，為二個相鄰熱電偶之間的距離，因此為10cm。公式（1）給出了逆流火蔓延的速度表達(dá)式，火蔓延速度即為熱解前鋒在單位時間前進(jìn)的距離，火蔓延主要是由火焰前鋒的未燃區(qū)是否達(dá)到臨界點燃溫度決定的，而火焰前鋒未燃區(qū)的溫度主要受二方面作用：① 熱解區(qū)的熱傳導(dǎo)作用;②輻射對未燃區(qū)域的直接作用。板材表面的溫度TS由于受到輻射源輻射而升高，熱解區(qū)燃燒加劇，傳導(dǎo)給火焰前鋒區(qū)域的熱量增加，從而使得火焰前鋒達(dá)到臨界點燃溫度的時間縮短，將會加速整體的火蔓延。并且隨著輻射強度的增加，燃燒區(qū)的燃燒加劇，使得單位面積的熱釋放速率增加，火焰溫度Tf升高，燃燒區(qū)面積增大，回饋給板材表面的熱量增加，從而導(dǎo)致火蔓延速度加速。并且受寬度影響，隨著寬度的變大，熱量向兩側(cè)的擴(kuò)散會減小，層流邊界層δg變小，燃燒更加劇烈，導(dǎo)致板材單位面積的熱釋放速率增加，從而導(dǎo)致火蔓延速度加劇。

圖7　5kW/m2輻射強度下板材表面溫度變化曲線

圖8　區(qū)間平均火蔓延速度隨輻射強度的變化曲線

4　結(jié)論

本文針對典型保溫材料硬質(zhì)聚氨酯泡沫，通過外加一種可調(diào)節(jié)穩(wěn)定的輻射源裝置，研究不同寬度的RPU逆流火蔓延典型特征參數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)論如下：

①硬質(zhì)聚氨酯泡沫在外界輻射作用下質(zhì)量損失速率呈二段式分布，蔓延后期質(zhì)量損失速率在寬度和輻射強度耦合作用下變大，燃燒加劇，當(dāng)輻射大于某一強度時，板材被燒穿。

②板材凈質(zhì)量損失速率隨著輻射強度的增加而增加，隨著板材寬度的增加，凈損失質(zhì)量變大。

③RPU板材火蔓延速度主要是由外界輻射和熱解區(qū)域的熱傳導(dǎo)作用，使得達(dá)到臨界點燃溫度點的時間縮短，火蔓延速度加快，相比于向上火蔓延情況，外界輻射對于向下火蔓延的作用更加明顯。

[1]R.A.Altenkirch，L.Tang，K.Sacksteder，S.Bhattacharjee，and M.A. Delichatsios，Inherently Unsteady Flame Spread to Extinction over Thick FuelsinMicrogravity.ProceedingsoftheCombustionInstitute27（1998）: 2515-2524.

[2]P.V.Ferkul andJ.S.T'ien，A Model of Low-SpeedConcurrent FlowFlame Spread Over a Thin Fuel[J].Combustion Scicence and Technology 99 （1994）:345-370.

[3]ZhangYing，Ji Jie，Li Jie，etal.Effectsofaltitudeandsamplewidthonthe characteristics of horizontal flame spread over wood sheets[J].Fire Safety Journal 51（2012）:120-125.

[4]A.S.Rangwala，S.G.Buckley，J.L Torero.Upward flame spread on a vertically orientedfuel surface：Theeffect of finitewidth.Proceedings ofthe CombustionInstitute31（2007）:2607-2615.

[5]H.Z.Zhao，Y.M.Zhang.Widtheffect onavertical RPU flamespreadwitha middlelinearignition[J].InPress

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[8]T.Hirano，K.Tazawa.A further study on effects of thermal radiation on flamespreadoverpaper[J].CombustionandFlame32（1978）:95-105.

[9]Subrata Bhattacharjee，Jeff West，Determination of the spread rate in opposed flow flame spread over thick solid fuels in the thermal regime，Proceedings of the Combustion Institute26（1996）:1477-1485.

TU502

A

1007-7359(2016)03-0260-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.095

王鵬（1978-），男，安徽渦陽人，畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，碩士，工程師。