不同类型火源烟气的充填特性试验

　　不同类型火源下烟气在大空间内的充填特性研究文/张村峰，霍然，史聪灵，李囘元洲

　　1 引言

　　围绕中庭的烟气控制，国内外学者已开展了大量的试验研究。在这些试验中，一般采用油池火作为火源。这种火源的初期增长阶段很短，达到稳定燃烧阶段后，其热释放速率大体维持不变，通常将其作为定常火源对待。（北京华阳消防灭火器工厂直营店批零手提式、推车式灭火器材，产品均通过消防产品质检认证，通过3C消防认证，北京恒泰消防公司及灭火器年检维修、消防器材批发、电气检测及消防设施检测为一体的综合性消防集团，是各企事业单位良好的消防合作单位。）但在实际建筑火灾中，绝大部分是固体可囘燃囘物燃烧，其热释放速率不能简单的按定常火源处理。然而，在全尺寸试验中直接采用家具作为火源的情况不多。本研究小组曾在中国科学技术大学和香港理工大学合建的大空间火灾实验厅(USTC/PolyU火灾实验厅)内，使用油池火作为火源，进行了多次烟气充填实验。通过分析对比实验结果与计算结果，归纳了热释放速率与烟气运动参数之间的关系。近期又采用实体家具作为火源，开展了若干试验，并着手分析两种火源下烟气充填的差别。

　　笔者结合沙发着火的情况，分析了沙发点燃后烟气在实验厅内的发展过程，给出了烟气层的下降曲线和烟气层温度分布曲线，并与油池火的结果做了对比。

　　2 实验

　　如图1所示，大空间的高度为27m，横截面为11.9mX×22.4m的矩形。实验时燃料置于称重平台上，整个称重平台置于大空间的中央位置，如图2所示。西北和东南角的两束K型热电偶束用来测量烟气温度和下降的高度，热电偶束到两侧墙的距离约为2.0m。每束热电偶束上共有20支热电偶，间距为1m，最上部的热电偶距离顶部为1m。为了方便观测烟气高度的变化，在大厅东侧设有标记灯，标记灯每隔2m一支，共有12支。实验时所有的开口均关闭。

　　图2是实验时采用的沙发外观和燃烧状况。沙发为木制结构，其表面材料是棉布，木制框架与表面材料的内部填满海绵，其重量约为15kg。沙发座垫尺寸为45cmX50cmX8cm，其表面材料同样是棉布，内部填充海绵。

　　为了分析沙发燃烧时烟气充填与油池火的区别，选用了不同尺寸的油盘进行了油池火燃烧对比实验。

　　表1给出了实验室采用的油盘数量和油盘界面尺寸。由于柴油燃烧时火源功率在燃烧过程中变化不大，在试验中可视为定常火源的燃烧过程。

　　3 实验结果分析

　　3.1不同燃烧情况下的火源功率

　　图3给出了不同火源在初始阶段和稳定阶段的热释放速率。从图4可看出，对于采用柴油为燃料的油池火，热释放速率迅速增长到稳定阶段，在燃烧的稳定阶段热释放速率基本是不变的。

　　从图3可知，沙发燃烧的热释放速率是不断变化的。由于在实验开始前倒人了少量汽油以引燃沙发.在沙发开始燃烧时主要是汽油燃烧，火源热释放速率迅速增长到接近1000kW。随着汽油的燃尽，沙发材料的燃烧，火源热释放速率迅速下降到300kW左右。由于沙发材料的影响，火源热释放速率不断变化，出现了两个峰值，且前一个峰值比后一个峰值大。随着沙发燃烧的进行，火源热释放速率下降到200kW左右。

　　3.2不同燃烧情况烟气层下降的分析

　　图4给出了采用N一百分比法[7〕处理热电偶测量数据得到的不同工况下烟气层高度一时间曲线。从图中可看出，由于烟气上升需要一定的时间，烟气在燃烧开始后的一段时间才开始下降。烟气层厚度较小时，烟气的下降速率很快;而随着燃烧的不断进行，烟气层高度降低，烟气下降速度变慢。燃烧初期热释放速率的大小是决定烟气下降速度的重要因素。对比池火1、2、3可看出，火源热释放速率越大，烟气羽流的上升速度越J决，烟气开始下降的时间越早，烟气下降的速度越快。

　　对于稳定火源功率的油池火，其烟气层下降曲线是光滑的，不存在跳变现象。而沙发燃烧的烟气层下降曲线有很大的不同，其下降曲线在90s左右有一个很明显的转折，这与沙发燃烧时热释放速率在90s时从1000kW迅速下降到约300kW是相吻合的。

　　在燃烧的初始阶段(0--100s)，沙发火与池火1的热释放速率曲线几乎是接近的，因而它们的烟气层高度变化曲线也是彼此接近的;在350s之后，沙发火的火源功率在200kW上下波动，与池火3接近，其烟气层高度变化曲线与池火3也是彼此接近的。另外，由于沙发的热释放速率与池火2交叉，其烟气层高度变化曲线也是交叉的。

　　3.3烟气层的温升

　　图5和图6分别给出了距大空间顶部5m和l0m处的烟气层温升曲线。从图中可看出，在燃烧过程中，烟气层的温升不超过210C。与烟气层的下降速率相比，烟气层的温升速率要小很多，曲线相对平缓一些。随着燃烧的不断进行，烟气层厚度不断增加，烟气层的温升速率渐渐变小，曲线渐趋平缓。

　　比较四种工况下的温升曲线可以看出，烟气层的总温升是由燃烧的平均热释放速率大小决定的。对燃烧的平均热释放速率而言，池火1>池火2>沙发火>池火3，其温升相应有池火1>池火2>沙发火>池火3。

　　燃烧初期的热释放速率影响了烟气层初期的温升速率。由于沙发火在燃烧初期主要是汽油燃烧，产生的烟气密度较小，而其火源热释放速率相对较大，从而导致了在燃烧初期，烟气温升比其余工况较大，烟气的温升速率也比较快。而在燃烧中后期的稳定阶段，烟气层厚度大，四种工况下的温升曲线是接近囘平行的。

　　4 结论

　　通过以上的实验结果及分析可以看出:

　　(1)火源热释放速率的大小是决定中庭烟气层温度升高和烟气层下降的主要因素。不同的火源条件下，烟气的温升曲线和烟气层下降曲线是不同的。对于稳定的油池火，烟气层下降曲线是光滑的;对于非稳定火源，烟气层下降曲线存在跳变现象。

　　(2)在火灾燃烧的初期，烟气层厚度小，火源热释放速率的大小对烟气层的温升和烟气层下降有决定性作用。随着燃烧的不断发展，烟气层的厚度不断增加，烟气的温升速率和下降速率逐渐变小。

　　(3)相比烟气层的下降速率，烟气层温升速率受火源热释放速率的影响相对要小一些。在整个燃烧过程中，中庭的烟气温升不大。因此，在中庭火灾中，烟气的温升不是影响火灾安全的主要因素，控制烟气层的下降应该成为中庭消防设计主要考虑的重点。（北京华阳消防器材公司灭火器工厂直营推车式二氧化碳、干粉、水基型推车及各种型号手提式干粉、水基、二氧化碳灭火器材，全系均通过消防认证，3C认证，恒泰消防取得灭火器检测维修资质、电气检测及消防设施检测壹级资质，是一家一站式综合性消防企业，是各企事业单位消防安全良好的合作伙伴。）

　　(4)对于变火源功率的情况，可以采用分段近似的方法来对烟气层的下降速率进行模拟，这一点对于性能化消防设计有重要的意义。