室內火災旋轉火焰燃燒特性實驗研究

●崔曉星

(寧波市消防支隊，浙江 寧波 315000)

0 引言

旋轉火焰是燃料燃燒所形成的火焰的一種特殊存在方式。在火焰運動過程中，它不僅具有水平方向的旋轉速度，且還具有向上運動的羽流速度[1－2]。國外對于旋轉火焰的研究工作始于20世紀60年代，絕大部分研究工作著眼于森林火災中的大型旋轉火焰現象，也即人們通常所說的火旋風現象[3－4]。對旋轉火焰的研究仍局限于小型旋轉火焰的重現及對火焰本身的模擬，且對周圍條件的假設過于理想化[5－7]。實際中，旋轉火焰在火災中的行為與單純的產生旋轉的火焰有很大區別，與傳統意義上的火旋風也大不相同，因此科學地認識這些行為對性能化防火分析與設計具有重要意義。

1 實驗裝置及條件設置

1.1 實驗系統及燃燒源設置

實驗選取煤油作為燃料。實驗的主要裝置是SNHZ－01實驗系統，該系統主要由火災實驗箱、火災數據檢測系統和上位機等部分組成?；馂膶嶒炏涑书L方體，其外部尺寸為長0.68m、寬0.42m、高 0.42m。頂棚處開設天窗，開口面積可變。燃燒池位于箱內地板中心點上方20mm處，下有金屬托盤，如圖1所示。溫度檢測系統主要由熱電偶和多路火災信號檢測儀組成，熱電偶排布情況見圖1。熱通量測量系統主要由兩個連接火災多路信號檢測儀的輻射熱流計和計算器組成。為了檢測箱內地板處的輻射熱流量，在地板上距離短邊0.20m處設置一個熱流計(見圖1)。質量損失測量系統由電子天平和電子打印機組成。根據實驗需要設置一定的時間間隔，實時測量燃料質量的變化數據，用以計算質量損失速率。

實驗過程中，熱電偶、輻射熱流計分別實時測量實驗箱內各測試點的溫度、地板處的輻射熱通量等參數，并通過火災信號檢測儀同步記錄到與之相連的上位機內，保證測得的溫度值與輻射熱通量值在時間上同步;電子天平置于燃料托盤下，根據設置的時間間隔測量出燃料的質量變化，由電子打印機輸出相關數據，手工輸入到上位機內以便進行差值計算，因此溫度變化與質量損失速率之間的同步性需要人為控制。

圖1 實驗箱內實驗器件布置情況

1.2 房間結構

房間結構采用兩種形式:一是軸對稱雙門式房間結構，如圖2(a)所示。房間的前后寬墻上各設一高、寬均可調節的全敞開門，分別位于前后墻的左右兩端，這樣的軸對稱結構使氣流從火焰的兩側切向卷入，更有利于形成旋轉火焰。二是單側雙門式房間結構，如圖2(b)所示。該結構改變了卷吸氣流進入燃燒區域的方向從而阻止火焰的旋轉，繼而形成了相似條件下的非旋轉火焰。在對比實驗中，兩種房間結構形式的頂棚通風口面積、燃料盤大小以及門寬、門高均相同，即通風因子完全一致，以研究旋轉火焰與非旋轉火焰對室內火災發展過程的不同影響。

2 結果與討論

2.1 實驗現象描述

圖2 雙門式房間結構示意圖

燃料在最初引燃時，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，火焰很快蔓延至整個燃料表面。一段時間后，火羽開始發展，在整個房間上部形成了熱煙氣層，同時通過天花板上的通風口流出房間。隨后火羽變得不穩定并開始旋轉，火焰根部變細，燃燒強化，火焰由于旋轉而顯著變長，所以通過天花板通風口可以看到火焰;一旦火焰高度超過墻，旋渦中心就開始被破壞。一段時間以后，旋轉火焰變得不穩定，旋轉中心發生飄移，整個火焰柱在自旋同時沿燃料盤邊緣移動;然后火焰的旋轉減弱，高度降低，變成普通的獨立式池火。然后自行重復循環，形成新的旋轉火焰，循環一直重復直到池中燃料燃盡。

在一個浮力火焰或火羽中，浮力促成了火焰區域內部流體的垂直加速度，也就形成了初始的非零渦度。由于離心力湍流穩定性的特征，非零渦度的形成導致了燃料和卷入空氣的紊流攪拌速度的降低，反應物低強度的混合要求更大的火焰表面和更長的火焰長度，因此形成了旋轉火焰顯著增長的現象。

2.2 旋轉與非旋轉火焰火災參數比較

在如圖2結構的實驗箱中分別模擬旋轉和非旋轉火焰。在對比實驗中，兩房間的頂棚通風口面積取841cm2，占地板面積的30%;選取中等尺寸，即面積為100cm2的燃料盤;門寬14.8cm、高22.5cm。在其他條件相同的前提下，通過改變卷吸氣流的進入方向來研究火焰的旋轉本身對室內火災各參數的影響。

2.2.1 煙氣層溫度

由圖3和表1可以看出，由于旋轉火焰的作用，室內火災熱煙氣層溫度的均值以及峰值均有了較大幅度的提高，且峰值出現時間提前，燃燒時間縮短了近200s。其中，溫度峰值提高了21.61%，而均值則提高了36.12%。

2.2.2 煙氣層升溫速率

由圖4和表2可以看出，由于旋轉火焰的作用，室內火災熱煙氣層升溫速率明顯加快，升溫段時間變短，升溫速率的均值以及峰值均有了較大幅度的提高，且峰值出現時間提前。其中，峰值提高了28.32%，而均值則提高了103.13%。

圖3 兩種火焰熱煙氣層溫度比較圖

表1 火焰熱煙氣層溫度比較

圖4 兩種火焰熱煙氣層升溫速率比較圖

表2 火焰熱煙氣層升溫速率比較

2.2.3 燃燒速率

由圖5和表3可以看出，由于旋轉火焰的作用，燃料燃燒速率的均值以及峰值均有所提高，且峰值出現時間提前。其中，均值提高了66.67%，峰值則提高了33.33%，峰值出現時間卻大幅提前，差值百分比為60%。

2.2.4 地面輻射熱通量

由圖6和表4可以看出，旋轉火焰與非旋轉火焰相比，地面輻射熱通量的均值以及峰值均有了較大幅度的提高。溫度峰值提高了68.75%，峰值出現時間提前了44%，而均值則提高了 70.83%。

圖5 兩種火焰燃燒速率比較圖

表3 火焰燃燒速率比較

圖6 兩種火焰地面輻射熱通量比較圖

表4 火焰地面輻射熱通量比較

上述實驗的數據對比結果表明，火焰的旋轉使燃料的燃燒速度和升溫速率顯著加快，房間上部熱煙氣的溫度和地面的輻射熱通量值都大幅升高，火災危險性加大。從流體力學的角度解釋，流體的旋轉加大了火焰表面與新鮮空氣接觸的面積，加強了空氣進入燃料表面上方的燃料密集區，這就加強了這一區域反應物的混合，也就加快了反應速率，進而引起了熱煙氣溫度、升溫速率和地面輻射熱通量的增大，給火災中人員的疏散和財產的保護帶來了極大的困難。

3 結論

3.1 與以往對大型旋轉火焰——火旋風的研究不同，本文對中型旋轉火焰，即發生在房間尺寸的旋轉火焰進行了研究。通過實驗在小尺寸房間中重現了火焰的旋轉現象;并在沒有外部鼓風的情況下，實現了旋轉火焰的自發產生。

3.2 運用小尺寸實驗方法對室內火災的旋轉火焰現象進行了描述。觀察到旋轉火焰具有自旋、根部變細、焰柱增長和旋轉中心飄移等特征;并直觀展示了旋轉火焰的形成、自旋、中心飄移和消失的周期運動全過程。

3.3 在通風因子相同的前提下，構建了軸對稱雙門式和同側雙門式兩種房間結構，分別形成了旋轉火焰與非旋轉火焰，借此研究摒除其他條件的影響后火焰的旋轉本身對各火災參數的影響。實驗的數據對比結果表明，火焰的旋轉使燃料的燃燒速度和升溫速率顯著加快，房間上部熱煙氣的溫度和地面的輻射熱通量值都大幅升高，火災危險性加大，給火災中人員的疏散和財產的保護帶來了極大的困難。

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