含沙火源对室内火灾温度的影响

摘要

当室内火灾发展到轰燃时，房间温度急剧升高，室内所有可燃物表面都发生燃烧，从而造成严重的建筑破坏、财产损失和人员伤亡。研究了汽油作为燃料的情况下，在其中加不同量的沙子，对室内火灾温度的抑制作用。通过假设沙面下方存在着一定厚度的过渡层，对火源的燃烧过程进行简化处理，发现腔室上层热烟气温度到达峰值的时间、峰值大小和熄火速率都与火源的含沙量有明显的依赖关系。实验数据显示，这种理论分析是合理的。

正文

在人们的日常生活中, 室内火灾的发生频率和火灾损失呈逐年上升趋势。造成建筑物破坏、财产损失以及人员伤亡的一个重要原因是, 房间内充满了高温的火焰和热烟气。在室内火灾的初始阶段, 随着局部小火的逐渐增大, 顶篷下方逐渐积累了大量的热烟气, 形成一个热气层, 热气层对火源的辐射使得小火迅速增长, 进而提高了烟气层的温度。在这个正反馈作用下, 房间内的其它可燃物逐渐热解气化, 当条件具备时, 它们表面都会起火, 于是室内便充满了熊熊大火。这就是室内火灾的常见现象——轰燃 ^[1,2]。轰燃伴随着释热速率和温度的急剧增高, 并可能有火焰从门窗向外蹿出。空气的缺乏使得燃烧无法充分进行, 因此室内充满了大量的高温烟气。轰燃一旦发生, 房间内的生命体几乎没有存活的希望, 房屋结构也会受到严重的损坏。根据BFRL的报道, 城市火灾中有80%的死亡是在产生轰燃的房间外部发生的 ^[3]。如果我们能够有效地抑制火源的功率, 那么就可以大大降低房间的温度, 从而避免轰燃的发生, 减少财产损失、人员伤亡和保护房屋建筑。在抑制轰燃方面, 很多人进行了水喷淋方面的研究 ^[4,5,6,7]。而我们知道, 在实际的消防过程中, 沙子对于扑灭油火是比较有效的。因此, 作者研究了汽油作为火源的情况下, 其含沙量对腔室温度演变过程的影响。

《1 轰燃实验台简介》

1 轰燃实验台简介

作者设计了一个小尺度的轰燃实验台 (见图1) , 整个腔体的内尺寸是800 mm×800 mm×800 mm, 壁面材料使用的是硅酸棉, 以保证实验过程中腔体内部热量通过壁面的损失较小。腔体前端是可控高度和宽度的通风口。其中, 6支热电偶树每支上布有5支热电偶, 用来测量热烟气层在不同高度的温度。火源是一个铁制方型容器, 所盛的燃料是90号汽油, 置于腔体的后端墙角。

《图1》

图1 轰燃实验台示意图

Fig.1 Sketch of flashover compartment

《2 实验工况及结果分析》

2 实验工况及结果分析

在所有的实验工况下, 开口下缘为300 mm, 上缘为500 mm, 高度为200 mm, 宽度为800 mm。其中, 含沙量φ定义为沙层与浸在其中的汽油的体积之比;临界含沙量φ_c为单位体积汽油所能浸透的最大沙层体积。通过实验确定, φ_c =1.79;H为总油量除以火源的基底面积。

通过图2可以看出:

1) 当火源未含沙时 (S3曲线) , 烟气层的温度在517 s时达到峰值831 ℃ (见表1) ;

2) S4实验的油量和含沙量都较大, 而且油面高于沙面, 烟气层的温度在259 s时即达到其峰值507 ℃;

3) S5实验的油量和含沙量大致是S4实验的一半, 但油全部浸在沙层里, 烟气层温度达到峰值 (361℃) 的时间的提前至189 s;

《图2》

图2 含沙量对烟气层温度的影响

Fig.2 Effect of sand ratio on smoke layer temperature

4) S6实验的油量介于S3和S4之间, 但含沙量是最大的, 油完全浸在沙层里, 烟气层温度在174 s时达到峰值357 ℃。

表1 不同汽油量、沙量的实验数据

《表1》

Table 1 Experiment data of different quantity of gasoline and sand

比较S3～S6, 我们发现, 烟气层温度在开始阶段的变化趋势是吻合的, 在含沙量不超过临界值的情况下 (S3～S5) , 含沙量越大, 烟气层到达温度峰值的时间越短, 相应的温度峰值越低;到达温度峰值以后, 不同含沙量对应的降温速率的变化趋势是类似的。当含沙量超过临界值以后 (S5～S6) , 烟气层到达温度峰值的时间相近, 含沙量越大, 对应的降温速率越慢。

点火之前, 汽油表面上方已经存在着少量的挥发气, 点火以后, 气相火焰迅速扩大, 向上形成火焰羽流, 到达顶篷以后在水平方向蔓延形成射流。聚积在顶篷下方的热烟气层和羽流对火源进行辐射加热, 从而增大了汽油的挥发速度, 提高了火源的燃烧速率, 进而又促进了热烟气层温度的升高。要维持这个反馈作用, 一方面需要充足的空气, 另一方面需要充足的汽油。当第一个条件不满足时, 室内火灾就会从燃料控制向通风控制转变, 这个转变过程也可称为轰燃;为了满足第二个条件, 要求汽油挥发气不断从沙层内部向表面逸出。下面就第二个条件进行详细的阐述。

假设沙面下方存在一个厚度为常数δ的沙层过渡层见图3, 在这个过渡层内, 汽油的挥发速度与油层的大致相等;过渡层以下的部分 (厚度为d´=d-δ) , 汽油的挥发速度明显变慢。从而可以把油层与过渡层合并成厚度为h´的复合油层, 在这个层内, 汽油的挥发速度快, 使得燃烧速率持续增大, 当挥发完毕后, 烟气层到达温度峰值;然后汽油挥发气以较低的速度从厚度为d´=d-δ 的沙层里逸出, 燃烧速率下降, 烟气层温度开始降低, 直至熄火。从上面的分析可以看出, h´决定了达到峰值的时间, 而熄火的速率则由复合油层下部沙层的含油量决定。

《图3》

图3 含沙火源燃烧示意图

Fig.3 Sketch of combustion process of fire source with sand

1) φ<φc:

根据含沙量φ的定义, 可以得到 $φ = \frac{d}{Η}$ $φ = \frac{d}{Η}$ 。φ<φ_c意味着沙层全部浸透在汽油中, 所以复合油层厚度h´与含沙量φ的关系如下:

$\begin{array}{l} h ´ = h + \frac{δ}{φ_{c}} = (Η - \frac{d}{φ_{c}}) + \frac{δ}{φ_{c}} = \\ Η (1 - \frac{φ}{φ_{c}}) + \frac{δ}{φ_{c}} (1) \end{array}$ $\begin{array}{l} h ´ = h + \frac{δ}{φ_{c}} = (Η - \frac{d}{φ_{c}}) + \frac{δ}{φ_{c}} = \\ Η (1 - \frac{φ}{φ_{c}}) + \frac{δ}{φ_{c}} (1) \end{array}$

如果固定H, 则φ越大, h´越小, 汽油挥发量越少, 从而燃烧速率和烟气层温度越低, 烟气层温度到达峰值的时间越短, 峰值也随之降低。

因为复合油层以下沙层是被汽油完全浸透的, 因此含油量ψ为:

$ψ = \frac{1}{φ_{c}} (2)$ $ψ = \frac{1}{φ_{c}} (2)$

容易看到, ψ是个常数, 即油面高于沙面时, 熄火速率与含沙量无关。

2) φ≥φc:

当φ≥φ_c时, 根据δ的定义, 过渡层内仍是被汽油浸透的, 即有:

$h ´ = \frac{δ}{φ_{c}} = 常数 (3)$ $h ´ = \frac{δ}{φ_{c}} = 常数 (3)$

所以不论油量多少, 烟气层温度到达峰值的时间和峰值大小完全由常数h´的大小决定。而复合油层以下沙层的含油量ψ为:

$ψ = \frac{Η - h ´}{d ´} = \frac{Η - \frac{δ}{φ_{c}}}{d - δ} = \frac{Η - \frac{δ}{φ_{c}}}{Η φ - δ} (4)$ $ψ = \frac{Η - h ´}{d ´} = \frac{Η - \frac{δ}{φ_{c}}}{d - δ} = \frac{Η - \frac{δ}{φ_{c}}}{Η φ - δ} (4)$

可见, H不变的情况下, 含沙量φ越大, d´越厚, 从而熄火速率越低, 熄火所需时间越长。

在实验中还发现, 含沙的汽油比不含沙的汽油, 点燃后产生的火焰羽流要稳定的多, 这是因为挥发气从沙层内部向外逸出的过程中, 沙子颗粒的阻力使得逸出速度相对平稳。

《3 结论》

3 结论

1) 不含沙情形下, 汽油火可以在室内产生高达800 ℃的上层热烟气, 这个温度足以使得室内其他可燃物发生足够的热解乃至燃烧, 然而含沙火源所产生的热烟气温度显著降低, 到达温度峰值的时间也明显提前, 这就大大减少了室内火灾发生的可能性。这就为实际中的扑救火灾提供了一定的实验和理论依据。

2) 将沙面下方的过渡面假设成为油面, 可以解释实验测得的烟气层温度曲线:在总油量一定的情况下, 当含沙量超过临界值时, 含沙量越大, 热烟气层温度到达峰值的时间越提前, 峰值越低, 而熄火速率是恒定的;当汽油的含沙量低于临界值时, 热烟气层温度到达峰值的时间与含沙量无关, 而熄火速率随着含沙量的增大而降低。

《4 进一步的工作》

4 进一步的工作

(3) 式和 (4) 式的适用前提是总油量能够浸透厚度为δ的沙层, 即 $Η \geq \frac{δ}{φ_{c}}$ $Η \geq \frac{δ}{φ_{c}}$ 。如果含沙量过大, 该前提无法满足, 故有δ=0, 即h´=0, d´=d, 从而 (4) 式化为

$ψ = \frac{Η}{d} = \frac{1}{φ} (5)$ $ψ = \frac{Η}{d} = \frac{1}{φ} (5)$

在这种情况下, 热烟气层温度到达温度峰值的时间应该变短, 而峰值应当变小, 不过这有待更多的实验数据来证明。

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