不同類型火源煙氣的充填特性試驗(yàn)

　　不同類型火源下煙氣在大空間內(nèi)的充填特性研究文/張村峰，霍然，史聰靈，李囘元洲

　　1 引言

　　圍繞中庭的煙氣控制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展了大量的試驗(yàn)研究。在這些試驗(yàn)中，一般采用油池火作為火源。這種火源的初期增長(zhǎng)階段很短，達(dá)到穩(wěn)定燃燒階段后，其熱釋放速率大體維持不變，通常將其作為定常火源對(duì)待。（北京華陽(yáng)消防滅火器工廠直營(yíng)店批零手提式、推車式滅火器材，產(chǎn)品均通過(guò)消防產(chǎn)品質(zhì)檢認(rèn)證，通過(guò)3C消防認(rèn)證，北京恒泰消防公司及滅火器年檢維修、消防器材批發(fā)、電氣檢測(cè)及消防設(shè)施檢測(cè)為一體的綜合性消防集團(tuán)，是各企事業(yè)單位良好的消防合作單位。）但在實(shí)際建筑火災(zāi)中，絕大部分是固體可囘燃囘物燃燒，其熱釋放速率不能簡(jiǎn)單的按定常火源處理。然而，在全尺寸試驗(yàn)中直接采用家具作為火源的情況不多。本研究小組曾在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和香港理工大學(xué)合建的大空間火災(zāi)實(shí)驗(yàn)廳(USTC/PolyU火災(zāi)實(shí)驗(yàn)廳)內(nèi)，使用油池火作為火源，進(jìn)行了多次煙氣充填實(shí)驗(yàn)。通過(guò)分析對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果，歸納了熱釋放速率與煙氣運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系。近期又采用實(shí)體家具作為火源，開展了若干試驗(yàn)，并著手分析兩種火源下煙氣充填的差別。

　　筆者結(jié)合沙發(fā)著火的情況，分析了沙發(fā)點(diǎn)燃后煙氣在實(shí)驗(yàn)廳內(nèi)的發(fā)展過(guò)程，給出了煙氣層的下降曲線和煙氣層溫度分布曲線，并與油池火的結(jié)果做了對(duì)比。

　　2 實(shí)驗(yàn)

　　如圖1所示，大空間的高度為27m，橫截面為11.9mX×22.4m的矩形。實(shí)驗(yàn)時(shí)燃料置于稱重平臺(tái)上，整個(gè)稱重平臺(tái)置于大空間的中央位置，如圖2所示。西北和東南角的兩束K型熱電偶束用來(lái)測(cè)量煙氣溫度和下降的高度，熱電偶束到兩側(cè)墻的距離約為2.0m。每束熱電偶束上共有20支熱電偶，間距為1m，最上部的熱電偶距離頂部為1m。為了方便觀測(cè)煙氣高度的變化，在大廳東側(cè)設(shè)有標(biāo)記燈，標(biāo)記燈每隔2m一支，共有12支。實(shí)驗(yàn)時(shí)所有的開口均關(guān)閉。

　　圖2是實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的沙發(fā)外觀和燃燒狀況。沙發(fā)為木制結(jié)構(gòu)，其表面材料是棉布，木制框架與表面材料的內(nèi)部填滿海綿，其重量約為15kg。沙發(fā)座墊尺寸為45cmX50cmX8cm，其表面材料同樣是棉布，內(nèi)部填充海綿。

　　為了分析沙發(fā)燃燒時(shí)煙氣充填與油池火的區(qū)別，選用了不同尺寸的油盤進(jìn)行了油池火燃燒對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

　　表1給出了實(shí)驗(yàn)室采用的油盤數(shù)量和油盤界面尺寸。由于柴油燃燒時(shí)火源功率在燃燒過(guò)程中變化不大，在試驗(yàn)中可視為定常火源的燃燒過(guò)程。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　3.1不同燃燒情況下的火源功率

　　圖3給出了不同火源在初始階段和穩(wěn)定階段的熱釋放速率。從圖4可看出，對(duì)于采用柴油為燃料的油池火，熱釋放速率迅速增長(zhǎng)到穩(wěn)定階段，在燃燒的穩(wěn)定階段熱釋放速率基本是不變的。

　　從圖3可知，沙發(fā)燃燒的熱釋放速率是不斷變化的。由于在實(shí)驗(yàn)開始前倒人了少量汽油以引燃沙發(fā).在沙發(fā)開始燃燒時(shí)主要是汽油燃燒，火源熱釋放速率迅速增長(zhǎng)到接近1000kW。隨著汽油的燃盡，沙發(fā)材料的燃燒，火源熱釋放速率迅速下降到300kW左右。由于沙發(fā)材料的影響，火源熱釋放速率不斷變化，出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，且前一個(gè)峰值比后一個(gè)峰值大。隨著沙發(fā)燃燒的進(jìn)行，火源熱釋放速率下降到200kW左右。

　　3.2不同燃燒情況煙氣層下降的分析

　　圖4給出了采用N一百分比法[7〕處理熱電偶測(cè)量數(shù)據(jù)得到的不同工況下煙氣層高度一時(shí)間曲線。從圖中可看出，由于煙氣上升需要一定的時(shí)間，煙氣在燃燒開始后的一段時(shí)間才開始下降。煙氣層厚度較小時(shí)，煙氣的下降速率很快;而隨著燃燒的不斷進(jìn)行，煙氣層高度降低，煙氣下降速度變慢。燃燒初期熱釋放速率的大小是決定煙氣下降速度的重要因素。對(duì)比池火1、2、3可看出，火源熱釋放速率越大，煙氣羽流的上升速度越J決，煙氣開始下降的時(shí)間越早，煙氣下降的速度越快。

　　對(duì)于穩(wěn)定火源功率的油池火，其煙氣層下降曲線是光滑的，不存在跳變現(xiàn)象。而沙發(fā)燃燒的煙氣層下降曲線有很大的不同，其下降曲線在90s左右有一個(gè)很明顯的轉(zhuǎn)折，這與沙發(fā)燃燒時(shí)熱釋放速率在90s時(shí)從1000kW迅速下降到約300kW是相吻合的。

　　在燃燒的初始階段(0--100s)，沙發(fā)火與池火1的熱釋放速率曲線幾乎是接近的，因而它們的煙氣層高度變化曲線也是彼此接近的;在350s之后，沙發(fā)火的火源功率在200kW上下波動(dòng)，與池火3接近，其煙氣層高度變化曲線與池火3也是彼此接近的。另外，由于沙發(fā)的熱釋放速率與池火2交叉，其煙氣層高度變化曲線也是交叉的。

　　3.3煙氣層的溫升

　　圖5和圖6分別給出了距大空間頂部5m和l0m處的煙氣層溫升曲線。從圖中可看出，在燃燒過(guò)程中，煙氣層的溫升不超過(guò)210C。與煙氣層的下降速率相比，煙氣層的溫升速率要小很多，曲線相對(duì)平緩一些。隨著燃燒的不斷進(jìn)行，煙氣層厚度不斷增加，煙氣層的溫升速率漸漸變小，曲線漸趨平緩。

　　比較四種工況下的溫升曲線可以看出，煙氣層的總溫升是由燃燒的平均熱釋放速率大小決定的。對(duì)燃燒的平均熱釋放速率而言，池火1>池火2>沙發(fā)火>池火3，其溫升相應(yīng)有池火1>池火2>沙發(fā)火>池火3。

　　燃燒初期的熱釋放速率影響了煙氣層初期的溫升速率。由于沙發(fā)火在燃燒初期主要是汽油燃燒，產(chǎn)生的煙氣密度較小，而其火源熱釋放速率相對(duì)較大，從而導(dǎo)致了在燃燒初期，煙氣溫升比其余工況較大，煙氣的溫升速率也比較快。而在燃燒中后期的穩(wěn)定階段，煙氣層厚度大，四種工況下的溫升曲線是接近囘平行的。

　　4 結(jié)論

　　通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析可以看出:

　　(1)火源熱釋放速率的大小是決定中庭煙氣層溫度升高和煙氣層下降的主要因素。不同的火源條件下，煙氣的溫升曲線和煙氣層下降曲線是不同的。對(duì)于穩(wěn)定的油池火，煙氣層下降曲線是光滑的;對(duì)于非穩(wěn)定火源，煙氣層下降曲線存在跳變現(xiàn)象。

　　(2)在火災(zāi)燃燒的初期，煙氣層厚度小，火源熱釋放速率的大小對(duì)煙氣層的溫升和煙氣層下降有決定性作用。隨著燃燒的不斷發(fā)展，煙氣層的厚度不斷增加，煙氣的溫升速率和下降速率逐漸變小。

　　(3)相比煙氣層的下降速率，煙氣層溫升速率受火源熱釋放速率的影響相對(duì)要小一些。在整個(gè)燃燒過(guò)程中，中庭的煙氣溫升不大。因此，在中庭火災(zāi)中，煙氣的溫升不是影響火災(zāi)安全的主要因素，控制煙氣層的下降應(yīng)該成為中庭消防設(shè)計(jì)主要考慮的重點(diǎn)。（北京華陽(yáng)消防器材公司滅火器工廠直營(yíng)推車式二氧化碳、干粉、水基型推車及各種型號(hào)手提式干粉、水基、二氧化碳滅火器材，全系均通過(guò)消防認(rèn)證，3C認(rèn)證，恒泰消防取得滅火器檢測(cè)維修資質(zhì)、電氣檢測(cè)及消防設(shè)施檢測(cè)壹級(jí)資質(zhì)，是一家一站式綜合性消防企業(yè)，是各企事業(yè)單位消防安全良好的合作伙伴。）

　　(4)對(duì)于變火源功率的情況，可以采用分段近似的方法來(lái)對(duì)煙氣層的下降速率進(jìn)行模擬，這一點(diǎn)對(duì)于性能化消防設(shè)計(jì)有重要的意義。