受限空間內正庚烷與瓦楞紙箱的火行為研究

劉全義，胡 林，鄧 力，朱 博，李志法，朱文田

(中國民用航空飛行學院 民航安全工程學院，四川 廣漢 618307)

民用航空器火災燃燒種類較多，不同可燃物的火災特性參數差別較大，如何準確判斷民用航空器火災的燃燒種類成為一個研究熱點。火災是各種災害中常見且破壞性強的災害之一[1]。毛瑩等[2]采用小紙箱作為固體火燃料探索了多種壓力與通風條件對固體火災燃燒性能的影響，結果表明通風條件對固體燃燒物在同一壓力下的燃燒抑制作用顯著。馮瑞等[3]以瓦楞紙箱作為固體火災燃燒物在50～90 kPa低壓模擬艙中分別進行了不同疊加形式的火災實驗，給出了湍流固體火災燃燒速率的經驗表達式。李俊梅等[4]采用數值模擬與理論分析相結合的方式研究非通風控制燃燒火災中窗羽流的溫度分布特性，給出羽流中心斷面量綱的最高溫度隨高度變化的規律。姚勇征[5]利用尺寸模型以及邊界條件研究隧道火災火焰特性參數以及煙氣運輸特性規律，給出了隧道火災在受限空間中的火災行為。朱杰等[6]在典型環形受限空間內采用數值模擬與理論分析相結合的方式分析火源在地下不同位置的火羽流的變化情況，證明不同位置火羽流的參數特征有很大差異。陳兵等[7]通過改變船舶機艙開口面積和庚烷油池火尺寸兩種辦法測量火災特性參數，解釋了有限空間內氧濃度不足導致“缺氧熄滅”以及可燃物耗盡導致“燃料耗盡熄滅”等問題的原因。王學輝等[8]使用典型的液體混合材料進行火災燃燒實驗，測定火災特性參數，驗證不同混合液體可燃物由于物化性質的差異性，其熱釋放速率也有極大不同。Tasaka等[9]利用潤滑油作為火源模擬電氣火災類型，根據氣體溫度和煙氣濃度等火災特性參數研究導致電氣電路故障的原因，為研究電氣火災提供實驗數據支撐。張培紅等[10]利用酒精作為火源在不同濕度環境下對受限空間內燃燒物的火災特性進行研究，結果表明：在相對濕度為90%的高濕條件下，池火的發展和蔓延會受到顯著抑制。Wang等[11]使用柴油作為燃料，研究火焰高度、傾斜角度與火焰位置等參數之間的耦合關系，最終給出了確定的相關系數。莊磊等[12]在是否有外界風源的條件下，通過改變不同油盆直徑，得到無風條件下火焰高度、油盆直徑和燃燒速率三者之間的函數關系，建立了預測模型。陳鵬等[13]以600 cm×600 cm的方形柴油液池作為研究對象，利用數值模擬無風和通風換環境下方形油池火的燃燒特性和熱傳規律，得出了通風條件下方形油池火可較早進入燃燒穩定狀態，但高溫區域相對較小等實驗模擬結論。劉愷等[14]采用STM32F模塊搭建樣本采集平臺建立數據庫，并結合極限計算方法對采集的火災數據狀態進行識別，結果表明此方法可有效判斷火災種類且準確性達90%以上。包士毅等[15]利用線熱源模型對噴射火災場景進行熱輻射估算，提高了火災熱輻射預測精度。康泉勝等[16]利用Prosim進行建筑火災模擬，研究模擬場景內煙氣濃度、溫度等火災參數的變化，給出該建筑物內最佳逃生通道。雖然上述研究人員利用多種方法進行了火災特性參數的測試，但是仍然存在無油池火與固體火的對比分析、特性參數不齊全等實驗工況問題。因此，我們需要研究一種新型方法判斷多種火災類型，提供數據支撐。

筆者在密閉實驗艙內分別對正庚烷與小尺寸紙箱進行燃燒實驗，研究兩種火災燃燒物的溫度分布規律及其質量損失速率等參數，最終給出火災燃燒類型。

1 實驗設置

實驗布置如圖1所示，主要由密閉實驗艙、火源、探測設備和電子稱等系統組成，其中實驗艙為1 m×1 m×1 m的密閉箱體，在空間內部放置電子稱裝置，并連接數據線為測量燃燒物的質量損失速率作準備。在實驗艙中距離可燃物火焰上方大約30 cm處放置5 根等間距為5 cm、精度為0.01 ℃的K型熱電偶對燃燒物的火焰溫度進行測量。實驗艙中同時放置了高度桿與感煙探測器為測量燃燒物煙霧濃度和火焰高度提供數據支撐。

圖1 實驗布置圖Fig.1 Experimental layout

筆者選取等質量的正庚烷(20 g)與瓦楞紙箱(13 cm×8 cm×4.5 cm)作為燃燒物，分別放置于半徑為4 cm，高為10 cm的油盆以及鍍錫紙防護的木板上進行燃燒實驗，且紙箱內部裝有少量的碎紙條，實驗于密閉環境中進行，將燃燒物放置于電子秤上，點燃以后立刻開始測量。為了降低外界干擾與誤差因素對實驗數據的影響，取實驗數據的平均值進行分析和處理。

2 實驗結果與分析

2.1 質量變化規律

火災特性參數種類眾多，固體火與油池火的燃燒有極大的區別，Ma等[17]利用正庚烷燃料的質量損失速率作為火災特性參數，研究了在不同壓力條件下該燃燒物的變化。筆者采用質量損失特性參數，根據后向差分原理DX(i)=X(i+1)-X(i)(0

圖2 紙箱質量變化Fig.2 Mass variation of cardboard box

圖3 正庚烷質量變化Fig.3 Mass variation of n-heptane

由圖2，3可知：正庚烷的質量損失隨著時間的增加呈現線性遞減的規律，而紙箱的質量損失隨著時間的增加呈現先遞減后平穩的規律，且由于紙箱燃燒后的產物會遺留于受限空間中導致質量損失無法到達0，所以會呈現一段質量損失穩定的階段，而正庚烷燃燒減少油盆中的水分，所以質量會一直減少，甚至出現負數的情況；正庚烷的質量損失速率呈現先略微增加，然后逐漸降低的分布特征，最高可達0.11 g/s，而紙箱的質量損失速率呈現先增加后降低最后趨于平穩的狀態且最高可達0.27 g/s，以此為參照可給出材料燃燒的類型，以便及時給出抑滅火措施。

瓦楞紙箱與正庚烷的熱釋放速率會因為空間、環境等外界參數的影響，而造成可燃物熱釋放速率的極大差異，根據已求出的質量損失速率計算該實驗條件下的理論熱釋放速率[18]，計算式為

(1)

2.2 溫度分布特征

火災一般伴隨著大量的熱量，會造成周圍物體的損傷，熱輻射能的聚集可加劇火災的強度，造成大面積的破壞。馮瑞等[19]采用瓦楞紙箱作為固體火災實驗材料，通過對燃燒特性參數的實驗驗證了固體火災燃燒速率的壓力表達式，給出了熱輻射通量的實驗規律。筆者使用5 根等間距為5 cm、精度為0.01 ℃的K型熱電偶對正庚烷和紙箱燃料的火焰溫度進行測量，結果如圖4，5所示。對可燃物的火焰溫度進行擬合，從而求解平均火焰溫度。根據兩者溫度測量參數進行數據的擬合，給出該燃燒物的平均溫度，從而進行火災種類的識別與判斷，即

(2)

式中：Γ為平均溫度；f(T,t)為溫度與時間的擬合關系式；t為時間。

圖4 紙箱火焰溫度Fig.4 Flame temperature of cardboard box

由圖4可知：5 根熱電偶的測量溫度從第1 根到第5 根基本為逐次遞減的規律說明紙箱的火焰集中于最底端，根據紙箱燃燒物的溫度測定參數，將數據放入MATLAB中進行擬合，擬合得出在誤差比小于或等于2%時，可燃物的溫度分布滿足高斯分布，且給出所有熱電偶溫度分布的高斯擬合公式，即

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：fbox為紙箱的函數擬合關系；T為溫度；t表示時間。由式(2)在MATLAB中進行積分運算可得出紙箱燃料平均溫度，由于紙箱的燃燒一直處于波動狀態，因此，對紙箱火的火焰溫度進行數據擬合時，需要運用各個熱電偶測定的最低溫度對紙箱的平均溫度進行修正。

圖5 正庚烷火焰溫度Fig.5 Flame temperature of n-heptane

由圖5可知：第1 根熱電偶最高溫度小于第2 根熱電偶最高溫度，說明正庚烷的火焰溫度集中于中下部位，根據正庚烷燃燒物的溫度測定參數，將數據放入MATLAB中進行擬合，擬合得出在誤差比小于或等于3%時，燃燒物的溫度分布滿足高斯分布，且給出所有熱電偶溫度分布的高斯擬合公式，即

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(11)

(12)

式中：fhep為正庚烷燃料的函數擬合關系；T為溫度；t為時間。由于正庚烷的燃燒存在穩定階段，直接由式(2)在MATLAB中進行積分運算可得出正庚烷燃料的平均溫度。由擬合公式計算得出的正庚烷和小尺寸紙箱的平均火焰溫度如圖6所示。

圖6 燃料的平均火焰溫度Fig.6 Averaged flame temperature of fuels

由圖6可知：紙箱的平均火焰溫度從火焰根部向上呈現逐次遞減的規律，最后趨于穩定的狀態，最高為706.64 ℃，而正庚烷的平均火焰溫度從火焰根部向上呈現先略微升高最后再降低的特征分布規律，最高可達到553.98 ℃，根據溫度分布參數特征亦可判斷火災的燃燒種類，及時給出滅火措施。

3 結 論

在密閉實驗艙中對紙箱與正庚烷進行燃燒實驗，根據燃燒物的質量損失速率特性參數與溫度分布參數的對比分析，可得出以下結論：1) 正庚烷的質量損失速率呈現先逐漸增加，然后逐漸降低的分布特征，且可達到0.11 g/s，而紙箱的質量損失速率呈現先逐漸增加，然后趨于平穩的狀態，且可達到0.27 g/s；正庚烷的熱釋放速率為4.81 kW，紙箱的熱釋放速率為3.54 kW，正庚烷的熱釋放速率大于紙箱的熱釋放速率；2) 紙箱的平均火焰溫度從火焰根部向上呈現逐次遞減，然后趨于穩定的規律，最高為706.64 ℃，而正庚烷的平均火焰溫度從火焰根部向上呈現先略微升高然后逐漸降低的特征分布規律，最高可達到553.98 ℃。因此，根據火災特性參數可判斷受限空間中燃燒物的種類，及時給出滅火措施，為消防工作提供數據支持。