感煙火災探測器的聚氨酯塑料火試驗模擬研究

張 培

（上海市質量監督檢驗技術研究院 上海 201114）

引言

室內火災一般最初發生在室內的某個部位，然后蔓延到整個房間區域，可分為初起、全面發展和下降三個發展過程。室內火災著火點一般為可燃物燃燒，著火后受可燃物和通風條件的影響可能會出現以下三種情況，一是以著火點可燃物燒盡而終止；二是通風不足，火災自行熄滅或緩慢燃燒；三是可燃物足夠，通風條件良好，火災迅速發展。隨著燃燒持續，當房間內溫度達到400～600 ℃時，便會發生轟然，室內火災進入全面發展階段。感煙火災探測器就是以煙霧為探測對象，將探測部位煙霧濃度轉換為電信號，實現在火災初期報警。

火災動力學是復雜的物理化學過程，包括流體動力學、熱動力學、燃燒學、輻射傳熱、多相流動等。FDS即Fire Dynamics Simulator，是火災動力學模擬軟件，計算流體力學的一種模型，采用數值方法求解熱驅動的低速流動Navier－Stokes方程（粘性流體方程），主要用于計算火災中煙氣流動和熱傳遞過程。PyroSim為火災動態模擬（FDS）提供了一個圖形用戶界面，被用來建立消防模擬，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。

試驗采用大渦模擬（LES）方法，模擬聚氨酯塑料火為著火點的一般室內火災，求解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，改變環境溫度、濕度、可燃物表面積、可燃物密度燃燒試驗條件，來分析不同試驗因素對聚氨酯塑料火引起的一般室內火災室內煙霧濃度的影響，實現不同試驗條件時煙濃度符合標準要求范圍。

1 模擬室內聚氨酯塑料火

對于封閉結構內的火災，可依據火災模型預測一定時間內的燃燒過程，一般室內火災溫度時間曲線如圖1所示，通常分為初期增長階段、充分發展階段、衰減階段。火災的發展過程及其嚴重程度，取決于室內可燃物的燃燒性能、數量及分布情況和著火房間的大小、形狀、通風狀況等因素[1,2]。基于室內火災規律和火災數值模擬的研究，利用火災動力學模擬工具模擬一般室內聚氨酯塑料火。

圖1 一般室內火災溫度時間曲線

創建房間火災模型，房間長10 m、寬7 m、高4 m，頂棚為水平平面，均用耐熱隔熱材料制成。火源設在地面中心處，探測器安裝在以頂棚中心為圓心、半徑為3 m、圓心角為60 °的圓弧上。可燃物為質量密度約20 kg/m3的無阻燃劑軟聚氨酯泡沫塑料，3塊50 cm×50 cm×2 cm的墊塊迭在一起，點火部位在最下面墊塊的一角[3,4]，如圖2所示。創建網格68×52×28，輸入反應材料聚氨酯化學式C6.3H7.1O2.1N1.0，升煙系數Ys 0.04，HRRPUA 220.0 kW/m2，Ramp-Up Time: t2,在Reaction選項卡中，勾選Allow the Obstruction to Burn Away。設置火源為Ignitor，Geometry選擇為Cylindrical，Radius輸入0.025，Length輸入0.15[5,6]。運行FDS模擬，結束后使用Smokeview查看，如圖2所示，在點火后10 s可見有煙霧上升到天花板，40 s時大量煙霧豎直上升到天花板并延天花板蔓延，80 s時煙霧充滿整個天花板并向下擴散，120 s時可見煙霧充滿房間上部空間，煙霧濃度越來越濃稠。

圖2 房間火災模型及室內火災發展情況

2 模擬曲線與聚氨酯塑料火試驗測量曲線比較

燃燒試驗室內用光學密度計測量煙濃度，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。在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，與試驗中光學密度計測量光束在燃燒試驗室內所在的高度一致，PyroSim模擬煙濃度與光學密度計測量煙濃度基本吻合，如圖3所示。

圖3 試驗升煙曲線與PyroSim模擬升煙曲線

在PyroSim中不同煙氣層高度處創建氣相監測設備，4.00 m、3.85 m、3.70 m處分別創建光學煙霧監測傳感器，最小網格尺寸為0.15 m×0.13 m×0.14 m，設置的高度差剛好大于一個網格尺寸，運行模擬，得到煙霧濃度隨時間升高曲線，不同煙氣層高度處煙霧濃度差異明顯，高度越高煙霧濃度越大，如圖4所示。這是由于聚氨酯塑料火生成煙霧顆粒大，溫度高，不利于向下擴散，經過對模擬煙霧濃度曲線的趨勢擬合，4.00 m處煙霧濃度比3.85 m處高0.0147 /m，3.85 m處煙霧濃度比3.70 m處高0.0175 /m，如表1所列。所以安裝樣品時樣品要固定在天花板上，煙霧測量傳感器測量位置盡量與樣品測量煙腔保持在一個水平線上。

表1 不同煙氣層高度處m值偏差

圖4 房間內不同煙氣層高度處煙霧濃度隨時間變化曲線

3 各試驗參數對煙霧濃度的影響

3.1 可燃物表面積影響

按照試驗要求3塊50 cm×50 cm×2 cm的聚氨酯墊塊迭在一起，若3塊完全重疊放置，則表面積為0.25 m2，若每墊塊四分之三部分重疊放置，3塊墊塊放置后表面積為0.75 m×0.50 m=0.375 m2，若縮小墊塊面積一半放置，墊塊放置后表面積為0.25 m×0.50 m=0.125 m2。分別模擬后得到煙霧濃度隨時間升高曲線，可燃物表面積越大，煙霧濃度越高，在起始階段差異不大，120 s后差異明顯，尤其同比例減少表面積時，煙霧濃度明顯降低，在試驗接近結束時，如果可燃物表面積小于0.125 m2，煙霧濃度將低于判定煙霧濃度，如圖5所示。在實際試驗過程中，可適當增加可燃物表面積來獲得較高煙霧濃度，不宜減少可燃物表面積，以避免在試驗后期階段煙霧濃度低于判定值。

圖5 可燃物不同表面積下煙霧濃度隨時間增長曲線

3.2 可燃物密度影響

通過PyroSim模擬軟件改變可燃物密度，按試驗要求設置為20 kg/m3，以及增加可燃物密度為30 kg/m3和減少為10 kg/m3，分別運行模擬得到煙霧濃度隨時間升高曲線。可燃物密度對煙霧濃度有較大影響，密度越小煙霧濃度越高，而且密度增大10 kg/m3，煙霧濃度將高于判定區域上限，密度減少10 kg/m3，煙霧濃度將低于判定區域下限，如圖6所示。試驗過程中，能允許可燃物密度誤差，宜使可燃物密度固定在20 kg/m3，煙霧濃度將保持在判定區間；如果過大調整可燃物密度，煙霧濃度將較大變化以致超出判定區域。

圖6 可燃物不同密度下煙霧濃度隨時間增長曲線

3.3 初始室內環境溫度影響

在PyroSim模擬軟件中改變環境溫度參數，分別設置為18 ℃、23 ℃、28 ℃，運行模擬得出煙霧濃度隨時間升高曲線。在0～60 s的起始階段，煙霧濃度接近一致，之后煙霧濃度差異明顯，環境溫度越高煙霧濃度越高，若環境溫度升高5～28 ℃，在100 s后煙霧濃度高于判定值上限，若環境溫度降低5～18 ℃，則150 s后煙霧濃度低于判定值下限，如圖7所示。在聚氨酯塑料火試驗過程中，初始環境溫度對煙霧濃度影響較大，升高溫度和降低溫度極易影響煙霧濃度超出判定值，可根據可燃物情況穩定初始環境溫度在固定值，例如23 ℃附近。

圖7 不同室內環境溫度下煙霧濃度隨時間增長曲線

3.4 初始室內環境濕度影響

在PyroSim模擬軟件中改變環境濕度參數，分別設置為25 %、50 %、75 %，運行模擬得出煙霧濃度隨時間升高曲線。在0～180 s階段，環境濕度對煙霧濃度影響不大，25 %、50 %、75 %環境濕度時升煙曲線基本一致，在180 s后，環境濕度越低煙霧濃度越大，180 s后的區域已經超出了試驗判定范圍，在此不討論，如圖8所示。由此得知，在進行試驗時，可忽略初始環境濕度的影響。

圖8 不同室內環境濕度下煙霧濃度隨時間增長曲線

4 結論

1）通過PyroSim軟件模擬一般室內聚氨酯塑料火，不同高度處煙霧濃度差異明顯，高度越高煙霧濃度越大，安裝樣品時樣品要固定在天花板上，煙霧測量傳感器測量位置盡量與樣品測量煙腔保持在一個水平線上。

2）可燃物表面積越大，煙霧濃度越高，起始階段煙霧濃度差異不大；減少可燃物表面積至0.125 m2時，120 s后煙霧濃度明顯降低；在實際試驗過程中，可適當增加可燃物表面積來獲得較高煙霧濃度，不宜減少表面積，以避免煙霧濃度在較高煙霧濃度階段低于判定值。

3）可燃物密度越小煙霧濃度越高，而且密度變化對煙霧濃度影響較大；試驗過程中，可燃物密度宜為20 kg/m3，不可過大調整可燃物密度，容易導致煙霧濃度超出判定區域。

4）初始室內環境溫度越高煙霧濃度越高，可根據可燃物情況維持初始環境溫度在固定值，例如23 ℃附近。

5）0～180 s試驗區域內，初始室內環境濕度對煙霧曲線沒影響。