感煙火災探測器的木材熱解陰燃火試驗模擬研究

張 培

（上海市質量監督檢驗技術研究院 上海 201114）

引言

一般室內火災是指建筑物內普通房間大小的受限空間，根據室內火災溫度隨時間變化的特點，室內火災的發展過程分為三個階段,即初期增長階段、充分發展階段、減弱階段。在火災的初期階段，一般是發生的15 min內，著火點處局部溫度較高，燃燒面積不大，受可燃物性能、堆放和通風散熱等條件影響，氧氣不足、溫度較低或濕度較大，固體物質發生只冒煙而無火焰的熱解燃燒，室內各點的溫度不平衡，多處于陰燃階段，燃燒發展比較緩慢，有可能形成火災，也有可能中途自行熄滅，燃燒發展不穩定。感煙火災探測器就是利用火災初期特征以煙霧為探測對象，將探測部位煙霧濃度轉換為電信號實現報警。

PyroSim 被用來建立消防模擬，為火災動態模擬（FDS即Fire Dynamics Simulator）提供了一個圖形用戶界面，軟件可以模擬的火災范圍很廣，包括日常爐火，房間，接電設備引起的各種火災形式。它以計算流體動力學（CFD）為依據，把設定空間分成多個小的三維矩形控制體或計算單元，計算每個單元內氣體密度，速度，溫度，壓力和組分濃度用質量守恒、動量守恒和能量守恒的偏微分方程來近似有限差分，通過對同一網格使用有限體積技術來計算熱輻射、流體流動中存在湍流現象，追蹤預測火災氣體的產生和移動，并結合家具、墻壁、地板和頂棚的材料特性來計算火災的增長和蔓延，準確地模擬預測火災煙氣流動、火災溫度和有毒有害氣體濃度分布等情況。FDS處理湍流流動有兩種方法，即大渦模擬(LES)方法和直接數值模擬(DNS)方法，LES直接求解表征流體流動特性的含能大渦，而對隨機性較強的耗散小渦則采用亞網格模型進行模擬，模擬求解后可獲得相關測量點處溫度、CO濃度、能見度、光學密度等一系列數據。

為了測試感煙火災探測器對火災的靈敏度，需要進行燃燒試驗，影響燃燒過程煙濃度的因素很多，例如環境溫度、濕度、加熱盤等，真實試驗很難分析單一因素對煙濃度的影響，通過PyroSim使用LES模擬木材熱解陰燃火，改變燃燒試驗條件，來分析不同試驗因素對木材熱解陰燃火煙霧濃度的影響，實現不同試驗條件時煙濃度控制在標準要求判定范圍內。

1 模擬燃燒試驗室內木材熱解陰燃火

木材的主要成分是碳（50 %）、氫（6.4 %）和氧（42.6 %）元素，還有少量的氮（0.01～0.2 %）和其他元素（0.8～0.9 %），但不含有其它燃料中常有的硫。山毛櫸木材受熱后，水分先蒸發，加熱到150 ℃時開始微弱分解出水和二氧化碳；溫度升高到200 ℃以上，逐漸分解木材的主要成分纖維素，產生大量一氧化碳、氫和碳氫化合物；250～280 ℃劇烈分解，得到熱分解剩余物30～38 %的碳。火災初期，山毛櫸木材處于隨燃熱解階段，固體物質發生只冒煙而無火焰的燃燒，形成大量的微小固體碳顆粒，產生大量煙霧。一般來說，固體燃料的燃燒涉及無數的基本化學反應，但最簡單的模型可以用兩步化學反應來近似化學反應過程：熱解（方程 （1）），然后氧化（方程 （2）或（ 3））[1]。

熱解：

氧化：

或者：

應用PyroSim大渦模擬技術模擬一般室內火災，根據國家標準GB 4715【2】，建立長10 m寬7 m高4 m的燃燒試驗室，頂棚為水平平面，試驗火點火前試驗室內無氣流流動，火源設在地面中心處，探測器和測量儀器安裝在以頂棚中心為圓心、半徑3 m、圓心角60 °的圓弧上。10根75 mm×25 mm×20 mm的山毛櫸木棍，呈放射狀放置于加熱盤上，加熱盤直徑220 mm，在11 min內升到600 ℃并保持穩定，m（減光系數）=2 dB/m結束試驗。

PyroSim模擬中設置山毛櫸木化學式C3.4H6.2O2.5，臨界火焰溫度1427.0 ℃，煙霧生成率0.12，模擬網格密度60×45×25，ramp-up time t2660 s（11 min）[1]，計算時間900 s。 模擬結束后，Smokeview三維視圖如圖1所示，可以看到，150 s時已輕微產生煙霧，到660 s已產生大量煙霧，在燃燒室內煙氣以浮力羽流形式垂直升起，成V字形，到達天花板后向外擴散，再向下蔓延，逐漸充滿整個房間。

圖1 0 s、150 s、300 s、660 s、840 s、900 s時模擬燃燒試驗室內木材熱解陰燃火3D視圖

2 模擬數據與木材熱解陰燃火試驗測量曲線

燃燒試驗室內用光學密度計測量山毛櫸木材熱解陰燃火煙濃度，光學密度計安裝在以燃燒實驗室頂棚中心為圓心、半徑為3 m、圓心角為60 °的圓弧上，光束的中線位于頂棚以下0.15 m，測量光束長度1 m。光學密度計利用光束受煙粒子作用后，光輻射能按指數規律衰減的原理測量煙濃度，用減光系數m值（單位為dB/m）表示。

減光系數用下式表示：

式中：

m—減光系數，dBm-1；

d—試驗煙的光學測量長度，m；

P0—無煙時接收的輻射功率，W；

P—有煙時接收的輻射功率，W。

PyroSim中創建氣相監測設備，在8.00 m×3.50 m×3.85 m處創建煙霧監測設備，與光學密度計在燃燒試驗室的高度相同，用光密度optical density（OD）表示，

式中：

I0-無煙時光強度，

I -有煙時光強度。

根據公式（4）、（5）得出m=10*OD，如圖2所示，PyroSim模擬煙濃度與光學密度計測量煙濃度基本吻合。

圖2 PyroSim模擬煙濃度與光學密度計測量煙濃度

在PyroSim模型中，分別在4.00 m、3.90 m、3.85 m、3.80 m、3.70 m高度（即天花板以下0.00 m、0.10 m、0.15 m、0.20 m、0.30 m）位置創建氣相監測設備，煙濃度隨時間增加曲線如圖3所示，4.00 m、3.90 m、3.85 m高度位置的煙濃度曲線重合了，3.80 m、3.70 m高度位置的煙濃度曲線重合了，這是由于模擬網格設置原因沒能區分出煙濃度數據。但是從圖3仍可看出，煙霧垂直擴散到天花板后，4.00 m、3.90 m、3.85 m高度處煙濃度普遍比3.80 m、3.70 m處煙濃度大，平均偏差0.0096 /m，最大偏差0.04 /m。為了檢測數據的準確性，檢測樣品的進煙部位最好與光學煙霧密度計處于同等高度，如安裝時出現偏差，檢測樣品與光學煙霧密度計位置高度不能，那么按照BS EN 54-7[3]標準要求，檢測樣品與光學煙霧密度計同處于天花板以下0.30 m高度內，根據模擬數據煙濃度曲線，煙霧濃度偏差在準許誤差范圍內。

圖3 4.00 m、3.90 m、3.85 m、3.80 m、3.70 m高度煙濃度

3 不同試驗條件模擬結果分析

3.1 加熱盤加熱時間與最高溫度對煙霧濃度的影響

設置 ramp-up time t2為 330 s、440 s、660 s、900 s，致使不同加熱時間達到同一溫度600 ℃，在3.85 m高度（即天花板以下0.15 m）設置煙霧監測設備，煙濃度如圖4所示，在900 s的模擬階段，加熱盤加熱到600 ℃所用時間越短，煙濃度曲線越陡峭，330 s和440 s加熱時間下煙濃度曲線在770 s后趨于重合，660 s、900 s加熱時間下煙濃度曲線更平緩，330 s、900 s加熱時間下煙濃度曲線已經超出GB 4715標準要求m與試驗時間比值關系范圍，440 s加熱時間下煙濃度曲線基本在上限要求附近，實際燃燒試驗過程中，加熱時間建議設置為不小于440 s，900 s加熱時間下煙濃度曲線已經超出要求下限，燃燒試驗過程中加熱時間不應大于900 s，加熱時間最大值可設在660 s附近。

設置ramp-up time t2為660 s，相同的加熱時間加熱到不同溫度600.0 ℃、700.0 ℃、888.5 ℃，煙濃度如圖5所示，相同試驗時間時，加熱盤設置的溫度越高煙霧濃度越低，當加熱盤溫度設定為888.5 ℃時，煙濃度曲線會超出標準要求下限，650 s試驗時間后煙濃度明顯超出下限，實際實驗過程中加熱盤溫度不宜太高，按標準要求設置為600 ℃最為合適。

圖5 相同的加熱時間660 s加熱到不同溫度600.0 ℃、700.0 ℃、888.5 ℃下煙濃度

根據靜態加熱公式（4），在相同質量材質下，功率受加熱時間和升高溫度影響，

式中：

P—介質升溫所需功率（kW）；

C—介質比熱（kcal/kg℃）；

M—介質重量（kg）；

ΔT—溫升（℃）；

t—加熱時間（s）。

根據公式（6）可以計算得出一定加熱時間和升高溫度所需的功率。選擇額定功率為3 kW的加熱盤，設定440 s升溫至600 ℃，則煙濃度比額定功率2 kW、660 s升溫至600 ℃煙濃度大，已經到達要求上限，模擬煙濃度曲線如圖4所示。使用加大額定功率加熱盤，通過設定加熱時間和升高溫度來調節煙濃度大小。

圖4 不同加熱時間加熱到600 ℃時煙濃度與時間曲線

3.2 環境溫度對煙霧濃度的影響

設置加熱盤加熱時間分別為440 s、660 s，均加熱到600 ℃，改變燃燒試驗室初始環境溫度，分別為18 ℃、23 ℃、25 ℃，相對濕度均為50 %，煙濃度隨時間曲線如圖6所示，加熱時間分別為440 s、660 s時，均顯示出較低環境溫度18 ℃狀態下煙濃度曲線更穩定平緩。熱時間為660 s，23 ℃、25 ℃環境溫度時，750 s后煙濃度明顯低于18 ℃環境溫度下的煙濃度，且煙濃度出現波動。熱時間為440 s情況下，23 ℃環境溫度時660 s后煙濃度大幅度降低，28 ℃環境溫度時750 s后煙濃度大幅度降低。越短加熱時間煙濃度受初始環境溫度影響越大，煙濃度下降越多，故燃燒試驗可在較低初始環境溫度下進行。

圖6 環境溫度18 ℃、23 ℃、25 ℃時煙濃度

即使受環境溫度影響煙濃度有變化，但是煙濃度均沒有超出上限和下限，且在光學密度0.2 /m以下受環境溫度影響較小，所以環境溫度對樣品測試區間內煙濃度影響可忽略。

3.3 環境濕度對煙霧濃度的影響

設置加熱盤加熱時間分別為440 s、660 s，均加熱到600 ℃，燃燒試驗室初始環境溫度23 ℃，改變初始環境濕度，分別為25 %、50 %、75 %，煙濃度隨時間曲線如圖7所示，加熱時間分別為440 s、660 s時，在較低環境濕度25 %狀態下煙濃度曲線更穩定平緩，且440 s加熱時間比660 s加熱時間煙濃度受初始環境濕度影響大，煙濃度下降更大。在熱時間為660 s，50 %、75 %環境濕度時，730 s后煙濃度明顯低于25 %環境濕度下的煙濃度，且75 %環境濕度下煙濃度出現劇烈波動，已經超出標準要求下限。加熱時間440 s情況下，50 %環境濕度時650 s后煙濃度比25 %環境濕度下煙濃度大幅度降低，而75 %環境濕度時煙濃度大幅度降低時間點較50 %環境濕度時提前，在620 s后煙濃度大幅度降低。越短加熱時間煙濃度受初始環境濕度影響越大，煙濃度下降越多，但在較短加熱時間時，由于煙濃度比較高，即使高初始環境濕度下煙濃度在后段試驗時間出現大幅降低，煙濃度不容易超出下限。相對較長加熱時間情況下，由于較高初始環境濕度導致的煙濃度降低，煙濃度容易超出下限。故燃燒試驗可在較低初始環境濕度下進行，如果試驗當天環境濕度較高，可縮短加熱時間來調整煙濃度曲線。

圖7 環境濕度25 %、50 %、75 %時煙濃度

440 s加熱時間情況下，初始環境濕度影響的煙濃度下降時的煙濃度均在0.2 /m以上，已經超出標準要求的樣品測試區間，可認為在標準要求的樣品測試區間，環境濕度沒影響；660 s加熱時間情況下，接近0. 2 /m煙濃度時，高環境濕度下煙濃度下降超出了下限，對報警煙濃度設置在0.2 /m的樣品有一定影響，可縮短加熱時間來適當提高煙濃度。

4 結論

根據PyroSim模擬分析影響因素，天花板以下0.30 m范圍內煙濃度平均偏差0.009 6 /m，最大偏差為0.04 /m，試驗測量儀器和樣品安裝在此區域內不同位置產生的測試差異可忽略。使用較大額定功率加熱盤，通過設定加熱時間和升高溫度來調節煙濃度大小，縮短加熱時間能加大煙濃度，但是宜不小于440 s；升高的溫度越高煙濃度越低。環境溫度升高煙濃度降低，但在光學密度0.2 /m以下煙濃度曲線偏差較小，受環境溫度影響不大，所以環境溫度對樣品測試區間內煙濃度影響可忽略。環境濕度越大煙濃度越小，0.2 /m以下煙濃度差異不大，接近0.2 /m煙濃度時，高環境濕度下煙濃度超出了下限，可通過縮短加熱時間來適當提高煙濃度。試驗宜在涼爽干燥晴朗的天氣進行，高溫高濕天氣可通過大功率加熱盤縮短加熱時間來加速升煙，以獲得合適的煙濃度。