2. 中国民用航空飞行学院 民机火灾科学与安全工程四川省重点实验室, 广汉 618307
2. Civil Aircraft Fire Science and Safety Engineering Key Laboratory of Sichuan Province, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, China
在高原城镇化进程中,建设基础设施、发展特色旅游等使高原未来流动人口及常住人口不断增长。据统计,长期居住在青藏高原及每年新进高原的人群中急性心脏病患者高达50%,慢性心脏病患者约20%。20世纪以来,人工增氧作为对抗高原缺氧和预防高原病的有效方法之一正逐渐兴起,推动了高原卫勤保障工作,但高原地区氧浓度的增加可能会带来火灾隐患。美国国家防火协会(National Fire Protection Association,NFPA)基于滤纸在富氧环境下的燃烧速率规定了不同大气压力下安全氧气体积分数的上限[1-2];中国参考了NFPA的方法,但得出的同一海拔对应的安全氧浓度上限有所不同[3-6]。目前高海拔地区室内富氧环境的火灾安全评价仅以滤纸的燃烧速率为基础,并未考虑更具代表性的室内装饰材料的综合燃烧特性。
20世纪70年代,气压变化对材料燃烧特性的影响引起了国内外学者的关注。高原低气压条件下,空气浮力作用减弱,分子扩散系数随压力降低而增加,氧分子主要通过扩散传输到反应区,因此到达燃料表面的氧分子较少[7];另外,文[8-9]研究表明减小压力会降低燃烧的化学反应速率,并提出燃烧速率正比于大气压力P2/3和P4/3。Nakamura等[10]提出在40~101 kPa压力范围内,固体纤维素纸材料的燃烧速率与氧分压呈线性正相关,而与环境总压则呈负相关;Olson等[11]发现低压下火焰传播所需的极限氧体积浓度更小;孙晓乾等[12]分别在拉萨和合肥两地进行松木着火点燃实验时,提出在低压环境下火焰的体积更大,所需点燃温度更高;冯瑞等[13]研究了低气压环境对纸箱燃烧特性的影响,发现压力与燃烧速率和火焰辐射热通量成正比;Wang等[14]提出减压会通过降低质量燃烧速率和辐射热通量抑制固体火灾;Ma等[15]通过不同压力下的纸板箱火灾实验证明了低气压对固体火灾的燃烧速率和燃烧热等参数的影响。
已有部分学者开始研究低压富氧空间材料的火行为。当空气中的氧浓度和氧分压增加时,分子活化能降低,燃料炭化热解速率提高,且可燃混合物的化学反应时间缩短,燃料表面温度升高,燃烧反应进行得更快[16-18]。Simons等[19]研究了不同大气压力和氧浓度对滤纸条、棉布条燃烧速率的影响,指出氧分压不变时,材料燃烧速率随压力降低而增大;Fereres等[20-21]研究了低压低氧对着火时间和临界质量流率的影响;文[22-23]研究了大气压、氧分压和氧气体积分数对滤纸燃烧速度和火焰传播速度的影响;Thomsen等[24]测试了压力为30~100 kPa、氧浓度为19%~23%条件下聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)的火蔓延规律。现有研究选用的可燃物主要是滤纸、PMMA等材料,而对于典型室内装饰纯棉、涤纶等织物的研究则鲜少报道。
为系统研究高高原低压富氧空间典型织物材料的火行为,本文模拟高高原低压富氧环境,观测低气压为60.5 kPa,氧浓度为21.0%、27.0%、33.0% 和39.0%环境下室内典型织物纯棉和涤纶燃烧过程中的火焰形态、质量损失速率和点燃时间等火灾核心参数的变化,探讨低压和富氧的耦合作用对织物燃烧特性的影响,为高高原地区人工增氧环境的防火设计提供依据。
1 实验方法 1.1 实验材料在建筑室内装饰材料中,装饰织物应用广泛、种类繁多,火灾危险性较大。根据前期调研的装饰织物的使用比率、化学组成等数据,选取室内常见的247 g/m2纯棉织物(床单)和405 g/m2纯涤纶织物(窗帘)作为实验样品。根据GB/T 5455—2014《纺织品燃烧性能垂直方向损毁长度、阴燃和续燃时间的测定》[25]要求,将织物剪裁为300 mm×89 mm的试样备用。
1.2 实验装置本文在压力和氧浓度可调的燃烧舱中模拟康定高高原低气压(气压为60.5 kPa)和四川广汉常压(气压为95.8 kPa)环境进行织物燃烧实验。图 1为燃烧舱的简化示意图。
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图 1 燃烧舱简化示意图 |
该密闭燃烧舱的尺寸为1.0 m×1.0 m×1.0 m,通体由耐高温合金材料制成,燃烧室正面开一扇25 cm×25 cm的观察窗;实验系统包括由进气管、氧气瓶和流量计等组成的通气系统,由压力传感器、水环泵和氧气分析仪等组成的控制系统,以及由电子天平和摄像机组成的数据采集系统。通过设定参数值,使舱内气压和氧气值处于动态平衡状态,以模拟康定高高原和四川广汉的大气环境。在燃烧舱底部中心位置放置了奥豪斯电子天平(精度为0.1 g,量程为35.0 kg)记录样品燃烧过程的质量损失;天平上方放置一块隔热板,用以承载织物燃烧可能产生的熔滴;隔热板中心放置一个试样支撑架,支撑架底端用铁丝网固定1根条形氮化硅点火棒(长度为95.8 mm),点火棒通过耐火电缆陶瓷连接器与50 V稳压交流电源相连,由外部开关控制加热过程;样品顶部通过试样夹固定,使样品在燃烧过程中始终保持垂直状态。
1.3 实验步骤为避免织物含水率对材料燃烧性能的影响,实验开始前对织物样品进行预处理。将试样提前放置于50 ℃和相对湿度为45%~55%的干燥箱内处理12 h,以保证样品在不同环境压力和氧浓度下处于基本相同的条件。实验开始前,用水环泵抽取舱内的气体,当气压接近60.5 kPa时,调整水环泵抽气速度,同时打开氧气瓶充氧,直至氧气浓度达到目标富氧浓度。实验开始时,打开电源开关,使用点火棒加热试样,同时观察试样的燃烧过程,并利用电子天平、摄像机实时记录数据;实验过程中将舱内压力和氧浓度维持在动态平衡状态,点燃时间从样品开始发生明火燃烧时开始计时,实验结束后,待燃烧室内气压与大气压一致后打开舱门。实验共设置5组,每组实验重复3次并取平均值;环境初始温度为25 ℃,相对湿度为35%,燃烧舱进气量设定为50 L/s,通过控制系统自动调节排气量。
2 结果与讨论 2.1 燃烧现象可燃物的燃烧过程可分为受热裂解、着火燃烧、剧烈燃烧和火焰衰退至熄灭等阶段。通过摄像机记录纯棉和涤纶样品的燃烧过程,图 2为在低压常氧条件下(60.5 kPa、21.0%)2种织物的典型燃烧现象。
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图 2 低压常氧条件下织物典型燃烧现象 |
图 2a为纯棉燃烧过程的典型现象。实验开始后,随着外部辐射热流不断加热,纯棉逐渐热解炭化,底部靠近点火源处颜色加深,样品持续热解产生可燃气体并开始扩散,生成白灰色烟雾;外部辐射温度、可燃气体浓度于16 s时达到临界点,此时样品着火点燃;随后黄色火焰迅速向上蔓延,样品底部出现部分炭化收缩现象,样品完全被火焰覆盖;此时,样品底部炭层向上逐渐扩大,火焰逐渐减小至消失;57 s时,样品表面的有焰燃烧转变为阴燃;燃烧停止后,燃烧剩余物呈疏松易粉化残炭状。
图 2b为涤纶燃烧过程的典型现象。实验开始后,涤纶靠近点火源处开始受热炭化,18 s时底部炭化区域出现火焰,生成大量白色烟雾,随后样品迅速熔融卷曲,伴随黑色带焰熔滴迅速滴落;直到59 s时样品明火消失,样品底端呈须状;128 s时熔滴火焰熄灭,燃烧剩余脆硬发亮的黑褐色带孔残炭。
2.2 火焰形态图 3为2种织物稳定燃烧阶段的瞬时火焰图像,通过图像测量法测定火焰高度。由图 3可知,在氧浓度为21.0%时,低气压下纯棉和涤纶的火焰高度比在常压下分别缩短了10.0%和6.3%。在低气压下,织物的火焰高度随着氧浓度增加而增加;当氧浓度从21.0%提高到39.0%时,纯棉的火焰高度增加了44.4%,涤纶则大幅增长了150.0%。
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图 3 织物稳定燃烧阶段的火焰对比 |
在低气压(60.5 kPa)下,空气羽流较弱,浮力引起的空气夹带较少,氧气扩散传输占主导,可通过Burke-Schumann扩散火焰的无量纲分析得到火焰高度h如下[7]:
$ \begin{gathered} h \propto \frac{v_0 D^2}{\zeta+\varepsilon}; \end{gathered} $ | (1) |
$ \zeta \propto P^{-n}, n \in(1, 2) . $ | (2) |
其中:v0为气相燃料火焰传播速度,D为燃料尺寸,ε为涡扩散系数,P-n为分子扩散系数ζ与压力P之间的关系,n为分子扩散系数和压力的指数关系。
结合式(1)和(2)可知,低气压低羽流作用下火焰高度与压力呈正相关关系,且扩散火焰高度还受气相燃料,即织物表面的可燃气体速度的影响。当织物被点燃后,织物表面受到火焰热传递热解,并产生可燃气体;一旦氧浓度提高,可燃气体与氧分子迅速混合发生反应,气相燃料速度提高可为织物传递更多热量,传热传质的循环过程持续进行,火焰前锋未燃材料不断加热燃烧促使火焰不断向前蔓延。可见,虽然低压下氧分子扩散速度变慢,但增加氧浓度加快了气相燃烧速度,从而增加了火焰高度。在低压富氧环境中,当氧浓度提高到27.0%时,纯棉和涤纶的火焰高度较常压常氧时增长了4.0%和40.6%,可见此时织物的火势情况明显强于常压常氧环境,且涤纶火焰高度增长明显。
2.3 织物的残炭量和质量损失速率为直观反映在低压环境、不同氧浓度下织物的燃烧效率,通过电子天平记录的质量损失数据计算织物燃烧过程中剩余质量占初始质量的百分比(即残炭量),图 4为织物残炭量对比图(CO2为氧浓度,t为时间)。可以看出,当氧浓度为21.0%时,2种织物在常压和低气压下残炭量的差值均较小,纯棉的残炭量均小于1.0%,涤纶则均接近为90.0%。在低气压下,将氧浓度提高到39.0%时,纯棉几乎燃烧完全,而涤纶的残碳量则为28.30%,比氧浓度为21.0%时减少了68.1%,燃烧效率从10.4%增加至71.7%,增幅高达5.9倍。
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图 4 织物的残炭量 |
本文通过对织物燃烧的质量变化曲线求导得到质量损失速率,这是反映可燃物燃烧过程的重要参数,图 5为织物的质量损失速度曲线,由图可知:织物在低气压下的质量损失速率更小,纯棉和涤纶的质量损失速率峰值比在常压下分别减少了55.5% 和60.5%,达峰时间延迟了19 s。随着氧浓度增加,织物的质量损失速率变大,且达峰时间提前;当氧浓度提高到39.0%时,纯棉和涤纶的质量损失速率峰值增大了2.3和6.4倍,达峰时间提前了78.1%和52.1%。
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图 5 织物的质量损失速率 |
结合图 2可知,纯棉在低气压氧浓度为21.0%条件下已充分燃烧,继续增加氧浓度,对残炭量影响较小。涤纶燃烧过程中伴有明显熔融、冒泡等复杂行为,燃烧产物为黑褐色固体;在低气压氧浓度为21.0%时,样品底部形成须状物质;当氧浓度提高到27.0%时,样品燃烧后仅剩余大量固体残炭;当氧浓度为39.0%时,剩余残炭表面易吹散,熔滴燃烧更充分,燃烧效率明显增大。
若气压降低,则空气密度降低,羽流浮力减弱,卷吸空气量变少,燃烧放热减少,燃料对流热通量减小,燃烧反应变慢;另外,燃料表面氧分子减少,受热介质减少,热量散发缓慢,辐射热通量也减小;以上主要火焰热反馈的减弱降低了燃料的质量损失速率。随着氧浓度增加,样品生成热解产物量及燃烧速率变大,火焰内部生成的大量气体及炭黑会阻碍热量传递,但氧气对燃烧的促进作用仍占主导地位。
2.4 热释放速率和总热释放量热释放速率能有效反映可燃物的燃烧剧烈程度,是衡量火灾危险性的重要参数。可燃物的热释放速率(heat release rate,HRR)H与质量损失速率
$ H=\theta \dot{m} q. $ | (3) |
其中:θ为燃烧效率因子,q为可燃物的有效燃烧热值。对式(3)积分可得总热释放量(total heat release,THR)Q,表示为
$ Q=\theta \Delta m q. $ | (4) |
其中,Δm为材料燃烧消耗的可燃物质量。实验使用的织物材料均为单一材料,以19.5和8.5 MJ/kg作为纯棉和涤纶的有效燃烧热值,根据燃烧结束后织物的已燃质量推算θ。
图 6为不同环境下2种织物的最大热释放速率Hmax。由图 6可知,织物在低气压下的最大热释放速率更小,纯棉和涤纶的Hmax峰值比常压下分别减少55.5%和53.4%。2种织物的Hmax随氧浓度的增加而增加;当氧浓度提高到39.0%时,2种织物的Hmax分别增加了2.3和1.6倍。在低气压下,当氧浓度提高到约30.0%时,织物的最大热释放速率与常压常氧时数值相当。
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图 6 织物的最大热释放速率 |
总热释放量也反映可燃物燃烧强度,图 7为织物的总热释放量随时间变化的曲线。由图 7可知,织物在常压和低气压下达到的总热释放量峰值相差较小,且纯棉和涤纶的总热释放量曲线拐点在低气压下延迟了27 s和40 s。在低气压下,随着氧浓度增加,织物的总热释放量拐点对应的时间提前,纯棉的总热释放量相差不大,涤纶增长较多;当氧浓度从21.0%提高到39.0%时,纯棉和涤纶的拐点时间分别提前了31 s和34 s,涤纶的总热释放量增加了1.2倍。
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图 7 织物的总热释放量 |
综上所述,低气压环境对织物持续燃烧有一定抑制作用,但氧浓度的增加促进了燃烧。织物在低气压下燃烧速率较小,释放热量的速率较慢,热量对燃烧的正反馈缓慢,因此最大热释放速率更小,且总热释放量拐点延迟出现。随着氧浓度增加,织物燃烧传热传质循环过程加快,热释放速率快速达到峰值,总热释放量快速达到拐点,最大热释放速率大幅增加;涤纶随氧浓度增加热解炭化更充分,燃烧效率更高,总热释放量大幅增加。另外,由于大气压降低,氮分压减少,惰性气体氮气的阻燃作用减弱,从而使织物在低气压下氧浓度增加到约30.0%时热释放速率可达常压常氧下的数值。
2.5 点燃时间和燃烧时间点燃时间可用于评估可燃物的防火性能,燃烧时间则能反映其燃烧可控程度。通过观察织物燃烧过程,记录织物点燃时间和燃烧时间,结果如图 8所示。
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图 8 织物的点燃、燃烧时间 |
实验表明:当氧浓度为21.0%时,纯棉和涤纶在低气压下的点燃时间比常压下缩短了3.6%和7.8%,纯棉样品的有焰燃烧时间增加了46.8%,涤纶样品的有焰燃烧时间和带焰熔滴燃烧时间分别增加了197.0%和296.0%。在低气压下,2种样品的点燃时间随着氧浓度增加而缩短,当氧浓度提高到39.0%时,纯棉和涤纶织物点燃时间分别缩短了19.1%和25.7%;纯棉样品的有焰燃烧时间随氧浓度增加而缩短,涤纶则呈现先增加后减小的趋势,在氧浓度为27.0%时最大,为97.7 s;涤纶带焰熔滴燃烧时间随氧浓度增加而增加,当氧浓度为39.0%时达到最大值285.7 s,比氧浓度为21.0%时增加了3.1倍。
织物在外部热辐射的作用下不断升温,形成温度梯度向内部传播,当温度足够高时产生热解气体。热解气体穿过流体边界层开始扩散至点火源,当可燃气体浓度达到临界点时,织物被点燃。由于可燃物点燃阶段可燃气体混合时间较短,点燃时间tig近似为热解时间和化学反应时间的总和,表示为
$ t_{\mathrm{ig}}=\frac{\pi k \rho c}{4} \frac{\left(T_{\mathrm{ig}}-T_0\right)^2}{\left(\ddot{q}_{\mathrm{e}}-\alpha\left(T_{\mathrm{ig}}-T_0\right)\right)^2}-\frac{\gamma \chi}{u_{\infty}} \ln \left(1-\frac{D a_{\mathrm{cr}}}{D a}\right) . $ | (5) |
其中:k、ρ和c分别为固体导热系数、固体密度和比热容,Tig和T0分别为点火温度和初始温度,
Mcallister等[18]的研究表明α与P的关系为:α∝P2,该比例不受空气对流形式的影响;Rich等[26]提出点火临界质量流量
$ \dot{m}_{\mathrm{cr}} \propto \alpha c^{-1} \ln K . $ | (6) |
其中K为氧浓度的弱函数。由式(6)可得
$ \dot{m}_{\mathrm{py}}=A \rho \int_0^l \exp \left(-E / R T_{\mathrm{s}}\right) \mathrm{d} x . $ | (7) |
其中:A为指前因子,E为活化能,Ts和l分别为固体温度和最大固体厚度,x为固体厚度。点火温度可表示为点火临界质量流量
$ T_{\mathrm{ig}}=f\left(\dot{m}_{\mathrm{cr}}, \dot{m}_{\mathrm{py}}\right) $ | (8) |
在低气压条件下,固体的点燃时间主要受传热系数和点火临界质量流量的影响[18]。织物的点火临界质量流量在低气压条件下更低,由于热解与点火温度的强依赖性,达到点火临界质量流量时固体温度降低,加热时间缩短。随着氧浓度增加,可燃气体通过降低活化能提高热解速率[17, 27];结合式(7)可知,这时达到点火临界质量流量的温度降低,可缩短给定压力下的点火时间;氧浓度的增加同样减少了燃料表面的化学反应时间[18],进一步加速了织物的点燃过程。
织物在低气压氧浓度为21.0%的条件下与常压常氧条件下相比燃烧效率相差较小,但热解速率更低,燃料表面氧分子数减少,使燃烧更缓慢,有焰燃烧时间更长。纯棉燃烧效率高,氧浓度的增加使纯棉燃烧速率加快,燃烧时间缩短。涤纶燃烧效率随氧浓度的增加而增加,当氧浓度提高到27.0%时,燃烧过程中伴随大量熔滴滴落,样品和熔滴的有焰燃烧时间增加;继续提高氧浓度到39.0%时,燃烧速率更快,涤纶样品有焰燃烧时间缩短,这时涤纶整体残炭量减少,燃烧释放热量更多,熔滴热解炭化更充分,所需燃烧时间增加。由此可见低气压下织物点燃时间更短,有焰燃烧时间更长;增加氧浓度,织物点燃过程更快;燃烧时间受燃烧效率的影响。
3 结论本文通过模拟高高原低压富氧环境,对低气压(60.5 kPa)不同氧浓度(21.0%、27.0%、33.0%和39.0%)环境下室内典型织物纯棉和涤纶的燃烧特性进行实验观测和理论分析,主要结论如下:
1) 织物燃烧经历受热裂解、着火燃烧、剧烈燃烧和火焰衰退至熄灭阶段。在低气压常氧环境下,纯棉燃烧充分,生成疏松易粉化残炭,涤纶燃烧效率仅有10.4%,生成大量黑色脆硬残炭。
2) 在低气压下,织物的质量损失速率和热释放速率减小,火焰高度更低,但点燃时间缩短,有焰燃烧时间增加,涤纶的熔滴燃烧时间增幅明显。
3) 低气压富氧环境下,随着氧浓度增加,2种织物的火焰高度和质量损失速率增大,点燃时间缩短;涤纶的燃烧效率、总热释放量和熔滴燃烧时间增加,且样品有焰燃烧时间在氧浓度为27.0%时达到峰值。若以热释放速率峰值为火灾危险性的判据,则织物在60.5 kPa气压下氧浓度约为30.0%时的火灾危险性与常压常氧时相当。
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