室內火災旋轉火焰影響因素試驗研究

●崔曉星

(寧波市消防支隊，浙江寧波 315000)

0 引言

旋轉火焰是火焰的一種特殊存在方式，在其運動過程中，不僅具有向上運動的羽流速度，而且還具有水平方向的旋轉速度［1-2］。發生于室內火災中的旋轉火焰，與非旋轉火焰相比具有更快的燃燒速度，更大的熱輻射輸出量，在旋轉中心的小區域內熱量釋放更集中，還有無法預料的煙氣運動［3-5］。因此，科學地認識這一火災行為，深入研究旋轉火焰在工業和民用建筑火災中的發展狀態及其影響因素就顯得非常重要和十分緊迫。

1 試驗裝置及條件設置

1．1 試驗系統及燃燒源設置

試驗中選取煤油作為燃料。試驗的主要裝置是SNHZ-01試驗系統，該系統主要由火災試驗箱、火災數據檢測系統和上位機等部分組成。火災試驗箱呈長方體，其外部尺寸為0．68 m 長、0．42 m 寬、0．42 m高;頂棚處開設天窗，開口面積可變;燃燒池位于箱內地板中心點上方20 mm處，下有金屬托盤;溫度檢測系統主要由熱電偶和多路火災信號檢測儀組成;熱通量測量系統主要是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0．20 m處設置一個熱流計，如圖1所示。質量損失測量系統由電子天平和電子打印機組成。根據試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。

圖1 試驗箱內器件布置情況

試驗過程中，熱電偶、輻射熱流計分別實時測量試驗箱內各測試點的溫度、地板處的輻射熱通量等幾個參數，并通過火災信號檢測儀同步記錄到與之相連的上位機內;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。熱電偶和輻射熱流計連接在同一臺數據采集儀上，可以保證測得的溫度值與輻射熱通量值在時間上同步;燃料在燃燒過程中產生的質量損失數據需要手工錄入計算機以便進行差值計算，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［6］。

1．2 房間結構及條件設置

圖2是雙門軸對稱式房間的結構示意圖。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。天花板正中間設一正方形通風口，通過更換頂棚來實現通風口面積的改變。試驗設計面積分別為196、400和841 cm2的頂棚通風口，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，獲取并研究試驗數據。門的寬度也作為改變的對象，以研究門的寬度對各火災參數的影響。具體的試驗條件如表1。

圖2 房間結構示意圖

表1 試驗條件

2 結果與討論

2．1 試驗現象描述

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，火焰很快蔓延至燃料整個表面。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，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，整個火焰柱在自旋的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。

2．2 房間結構對參數的影響

在軸對稱雙門房間的火災模擬試驗中，在確保其他條件不變的情況下，分別對燃料池大小、頂棚通風口面積、門寬和門高進行變化，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，以此來定量描述房間結構某一條件的變化對于室內火災旋轉火焰帶來的影響。測量得到4組對比示意圖和相應的數據，見圖3、4、7、8和表2～5。

2．2．1 燃料池大小

在對比試驗中，房間的頂棚通風口面積取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，且各參數峰值出現時間逐漸提前。

2．2．2 頂棚開口面積

圖3 燃料池面積變化引起的各火災參數變化圖

表2 不同燃燒池面積下的火災參數

在對比試驗中，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了先增大后減小的情況，由此判斷在7% ～30%區間內存在臨界點，使各均值和峰值達到最大值。因此需要補充變化條件，通過擬合曲線，找出臨界點。

圖4 頂棚開口面積變化引起的各火災參數變化圖

表3 不同頂棚開口面積下的火災參數

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%)進行了試驗。圖5和圖6中的曲線為試驗數據點的擬合曲線(相關性系數均大于0．9)，可以看出，升溫速率均值和峰值的臨界點出現在13．95%、14．89%;燃燒速率均值和峰值的臨界點出現在18．94%、20．19%。

2．2．3 門寬

在對比試驗中，房間的頂棚通風口面積取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，且各參數峰值出現時間均逐漸提前。

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參數變化圖

表4 不同門寬下的火災參數

在對比試驗中，頂棚通風口面積取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，且各參數峰值出現時間均有所提前。

圖8 門高變化引起的各火災參數變化圖

通過比較研究上述4種參數的均值、峰值以及峰值對應的時間，發現隨著燃燒池面積的增大和門寬的減小以及門高的降低，旋轉火焰引起的火災危險性增強。這可通過房間結構條件對旋轉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的重要因素之一，燃燒池面積的增大增強了燃料密集區反應物的混合，使得火焰內部的密度梯度和壓力梯度進一步增強，旋轉火焰渦度進一步增強，增大了火災的危險性;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，旋轉增強，危險性加大。在分析結果中發現，隨著頂棚開口面積的增大，升溫速率和燃燒速率則出現了先增大后減小的現象。這可能是由火災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，單位時間內熱煙氣帶走了更多的熱量;另一方面火焰周圍氣流的流動速度也隨開口面積的增大而增大，使得反應速率加快，單位時間內放出了更多的熱量，使煙氣溫度升高［7］。

表5 不同門高下的火災參數

3 結論

3．1 本文通過試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 運用小尺寸試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的全過程。

3．3 在軸對稱雙門房間的火災模擬試驗中，在其他條件不變的前提下，分別改變燃料池大小、頂棚開口面積、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的數值，以此來定量描述房間結構某一條件的變化對室內火災旋轉火焰火災危險性的影響。結果表明，隨著燃燒池面積的增大和門寬的減小以及門高的降低，旋轉火焰引起的火災危險性均呈增強趨勢;而隨著頂棚開口面積的增大，火災危險性出現了先增大后減小的情況。

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［6］崔曉星．室內火災旋轉火焰燃燒特性試驗研究［J］．武警學院學報，2011，27(6):10-12．

［7］王婷婷，宋飛．室內火災轟燃噴出火焰的數值模擬研究［J］．武警學院學報，2011，27(8):18-20．