低速热颗粒点燃聚苯乙烯泡沫的实验研究.pdf
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1、燃烧科学与技术 Journal of Combustion Science and Technology 2023,29(4):):460-466DOI 10.11715/rskxjs.R202305035 收稿日期:2022-03-21 基金项目:国家自然科学基金资助项目(52176113);江苏省高等学校基础科学(自然科学)重大项目(21KJA620003);江苏省研究生科研创新计划资助项目(KYCX21_1194).作者简介:张 玉(1993 ),女,硕士研究生,.通信作者:王苏盼,女,博士,副教授,.低速热颗粒点燃聚苯乙烯泡沫的实验研究 张 玉,张春寅,王苏盼(南京工业大学安全科学与工
2、程学院,南京 210009)摘 要:具有一定动量的热颗粒点燃保温材料是发生高层建筑火灾的重要路径本文研究了低速热颗粒(直径8 mm,初始速度为 06 m/s)冲击聚苯乙烯泡沫燃料床的点火行为研究发现:适当增加热颗粒初始速度(03 m/s)可提高其点火危险性,但增加过多(36 m/s)反而降低点火能力在低速范围内,具有点火能力的热颗粒需要经过多次弹跳以达到速度小于 0.35 m/s 的接触速度才能够停留在燃料床表面,且在燃料床表面的停留时间不小于 40 ms 后才能发生点火 关键词:热颗粒;低速;聚苯乙烯泡沫;临界条件 中图分类号:TK11 文献标志码:A 文章编号:1006-8740(2023
3、)04-0460-07 Ignition of EPS Foam by Low-Velocity Hot Particles Zhang Yu,Zhang Chunyin,Wang Supan(College of Safety and Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 210009,China)Abstract:The ignition of thermal insulation materials by hot particles with a certain momentum is an important path for high
4、-rise building fires.This paper studies the ignition behavior of low-velocity hot particles(diameter 8 mm,initial velocity 06 m/s)impacting the expandable polystyrene(EPS)foam.It has been found that an ap-propriate increase in the initial velocity of hot particles(03 m/s)can increase its ignition ri
5、sk,but an excessive increase(36 m/s)will reduce the ignition ability of hot particles.Within the low-velocity range,the hot particles with ignition ability will bounce several times to reduce the contact velocity below 0.35 m/s before they can stay on the surface of the fuel bed.In addition,the resi
6、dence time of hot particles on the surface of the fuel bed must reach 40 ms and above before ignition occurs.Keywords:hot particle;low-velocity;expandable polystyrene foam;critical conditions 森林燃料、木质建筑物的燃烧等过程产生的余烬或是电焊操作、高压电线短路等过程产生的高温颗粒,在环境风、火羽流等外力作用下运输至其产生区域之外,落地后点燃周围可燃燃料引发火灾的过程,即为飞火 在森林-城镇交界域(WUI)
7、火灾的灾后危害评估分析中,飞火被认为是引燃建筑物的主要原因之一 飞火颗粒点燃建筑构件、建筑外立面保温材料等是导致建筑火灾、森林-城镇交界域大火加速跳跃式蔓延的重要途径 如 2007 年发生的美国南加州大火中有 2/3 的烧毁建筑是由于飞火的直接或间接袭击引发的1;同年美国加州草谷火灾中烧毁的 199 家建筑里有 193 家是受到飞火侵扰的2;2010 年发生的 张 玉等:低速热颗粒点燃聚苯乙烯泡沫的实验研究 燃烧科学与技术 461 中央电视台配楼大火3、上海“1115”特大火灾事故是由于烟花、焊渣颗粒引燃保温材料引发的 飞火导致的火灾加速跳跃式蔓延给扑救工作带来极大的困难,深刻认识飞火发生本质
8、及其防治措施,是控制火灾离散蔓延的重要保障 一般的,将飞火现象分为飞火颗粒的产生、输运和点燃落地点可燃物 3 个连续的过程 大多数研究者简化研究设计、只关注其中一个部分,但热颗粒是否具有点火危险性与 3 个部分密切相关,尤其是飞火颗粒的输运过程和点燃过程 输运过程赋予热颗粒动量使其以一定速度运动,随后落至燃料表面发生点火行为 不同接触速度下,热颗粒与燃料床可能产生不同的接触关系 热颗粒可能直接嵌入、穿透或在燃料床表面弹跳后点燃燃料 当热颗粒自由落体落至纤维素粉末燃料床上时都有一定程度的反弹,尺寸越小反弹越高4,但反弹过程增加了热颗粒的冷却时间 作者先前工作也表明5,热颗粒与燃料床的接触过程中由
9、于停留时间的增加,点火的临界颗粒温度会略微降低,说明热颗粒与燃料床之间的接触关系对点火有明显影响 前人为模拟输运过程中飞火颗粒的燃烧、抛射状态,落地时分布密度、质量、形态等参量的变化规律,在实验研究过程中多将热颗粒置于 040m/s 的环境风速6中,并将热颗粒落地时终端坠落速度假设为3m/s、6m/s、8m/s、9m/s7-9 目前坠落速度对点燃过程的影响暂未有相关研究,进行不同速度热颗粒的点火研究对模拟贴合实际飞火产生情景和补充完善飞火颗粒点火机理有重要意义 本文结合终端坠落速度范围及实验条件限制等情况,重点研究低速范围内热颗粒速度对其点燃的影响 实验建立了热颗粒点燃平台10,研究 8mm
10、直径钢颗粒在不同温度(9701070)和冲击速度(06m/s)下点燃建筑外墙保温材料(聚苯乙烯泡沫)的点火特性,揭示低速热颗粒点燃建筑保温材料的点火现象、点火概率、弹跳情况及点火机理 1 实验方法与流程 热颗粒加速点火实验平台如图 1 所示,它主要包括金属颗粒加热系统、颗粒运动控制系统和燃料床系统 3 个部分 金属颗粒加热系统通过碳化硅加热元件及铂铑热电偶自动控制加热炉腔温度,可将热颗粒加热至 8001200 颗粒温度与炉温的差值小于50,且在给定的炉温条件下差值是恒定的,同时颗粒的 Bi 数特别小(0.1),因此在炉内温度稳定时,颗粒内部温度均匀10 颗粒运动控制系统通过单片机等信号传输装置
11、和打击装置,控制热颗粒垂直方向以不同的初速度下落至燃料床 燃料床系统中聚苯乙烯泡沫水平放置,以减少热颗粒重力作用等无关变量对点燃过程的影响 图 1 热颗粒加速实验装置原理 Fig.1Schematic of the experimental setup for the ther-mal and accelerated particle igniting EPS foam 1.1 实验材料 根据以往实验结果5,10,本实验初步研究 8mm直径的温度实心颗粒(304 不锈钢材质),实验温度分别为 970,1020和 1070 热颗粒通过自由落体或加速实验装置加速垂直落至聚苯乙烯泡沫上,通过视频处理
12、获得颗粒的下落速度 例如,将燃料床分别置于距离陶瓷管下沿垂直向下 9.5cm 和 39cm处,热颗粒分别自由落体实现如表 1 的速度 1 和速度2 当然,调节燃料床与陶瓷管垂直距离可实现 01.2m/s 间的任何速度 考虑到颗粒速度 3 下落距离过长,实验随机性较大,因此先将热颗粒用打击装置加速后,再自由落体至置于距离陶瓷管下沿 82cm 处的燃料床,此时热颗粒达到速度 3 表 1 实验中热颗粒温度和初始速度分布 Tab.1The temperature and initial velocity of the hot particles in the experiments 热颗粒温度/速度
13、1/(ms-1)速度 2/(ms-1)速度 3/(ms-1)970 1.200.06 3.050.07 6.090.12 1 020 1.200.04 3.030.08 6.050.13 1 070 1.230.03 3.150.10 6.400.32 实验的燃料床是由武汉天元铭创建筑材料有限公司生产的商业外墙保温材料聚苯乙烯泡沫 实验材料由聚乙烯催化而成,未添加阻燃剂,是一种硬质闭孔结构的非阻燃型泡沫11 先前研究已呈现其热解曲线,热解温度约 4505 该材料延伸性极小,当轴向应变为 5%时,EPS 泡沫表现出弹塑性 泡沫密度为(19.940.37)kg/m3,尺寸为 20cm20cm5cm
14、 实验中,泡沫四周包裹防火棉,以隔热燃烧科学与技术 第 29 卷 第 4 期 462 和限制燃料床四周氧气的供应 1.2 实验过程和测量 实验过程中,一旦炉内温度稳定,使用长柄金属勺将不锈钢颗粒固定于加热炉中心加热 同时颗粒表面打小孔,插入两支 K 型热电偶(触点直径分别是1mm 和 0.5mm)监测颗粒表面温度,修正测量误差 待颗粒温度接近预定炉温且温度稳定时,旋转金属勺使颗粒沿陶瓷管滚落,陶瓷管终端热颗粒水平速度为零 热颗粒垂直方向自由落体或者在陶瓷管出口位置被加速后落至燃料床表面 实验中有两台摄像机(50 帧/s)分别从正视方向和 45斜向下方向,对实验现象进行记录 为降低实验随机性的影
15、响,同一工况重复试验 58 次以得到点火概率 2 实验结果 实验过程观察到不点燃、明火点燃(嵌入点火、接触点火)两种点火现象,将可见火焰持续时间超过 1s 的点火定义为成功点火 由于热颗粒点燃过程的复杂性和随机性,本文采用先前文章10-13里对“点燃概率”的定义,即颗粒成功点燃燃料床的次数(Nig)与该工况其总试验次数(Ntot)的比值,即:igigtot100%=NPN 2.1 点燃现象 图 2 呈现的是 8mm 热颗粒在 1020温度下,以 1.15m/s、2.9m/s 和 5.99m/s 等 3 种速度冲击燃料床时的点火实验快照 假设热颗粒冲击接触燃料床的前一时刻为 0 时刻,据此定义,
16、所有热颗粒与燃料床的第 1 次接触均在第 20ms 另将热颗粒从离开燃料床到完全落至燃料床的时间间隔60ms 的弹跳定义为一次成功的弹跳 如图 2(a)所示,热颗粒以 1.15 m/s 冲击燃料床时,热颗粒发生一次弹跳,分别在 20ms、140ms 与燃料床接触,弹跳高度为 2.29cm 随后,逐渐嵌入并在320ms 发生点火,形成稳定的长条状火焰 当热颗粒以 2.9m/s 冲击燃料床时,如图 2(b),热颗粒发生两 (a)v1.15 m/s (b)v2.9 m/s (c)v5.99 m/s 图 2 热颗粒以 1.15 m/s、2.9 m/s和 5.99 m/s冲击点燃燃料床时的实验快照 Fi
17、g.2 Snapshot of the hot particle ignites the fuel bed at 1.15 m/s,2.9 m/s and 5.99 m/s 张 玉等:低速热颗粒点燃聚苯乙烯泡沫的实验研究 燃烧科学与技术 463 次弹跳,弹跳高度分别为 7.9cm、1.8cm,弹跳期间热颗粒分别在 20ms、280ms 和 400ms 与燃料床接触 在第 3 次接触后,热颗粒逐渐嵌入燃料床,随后在 520ms 发生点火图 2(c)展示的是热颗粒以5.99m/s 冲击燃料床的实验快照,热颗粒弹跳 3 次,弹跳高度随弹跳次数的增加而减小,分别为 18.7cm、3.8cm、0.6cm
18、在弹跳期间热颗粒分别在 20ms,440ms,600ms 和 680ms 与燃料床接触,第 4 次接触后,热颗粒在 800ms 点燃燃料床 对比分析上述 3 组实验快照,说明热颗粒以一定速度冲击聚苯乙烯泡沫燃料床时,热颗粒弹跳次数、弹跳高度与颗粒速度呈正相关 这主要是由于聚苯乙烯泡沫具有弹性,热颗粒与燃料床接触过程中接触时间小于点火延滞时间,不能发生点火 在 1.15m/s、2.9m/s 和 5.99m/s 等 3 个初始速度下,热颗粒点火延迟时间分别为 320ms、520ms、800ms,点火延迟时间随着初始速度增加而增加,是因为热颗粒弹跳次数与初始速度呈正相关 图 3 呈现的是热颗粒(8m
19、m,1070)以 6.2m/s冲击点燃燃料床时的实验快照 热颗粒弹跳情况与图 2(c)一致,即热颗粒弹跳 3 次,在弹跳期间热颗粒分别在 20ms、440ms、600ms 和 660ms 与燃料床接触,说明在实验温度范围内热颗粒温度的提高对热颗粒与燃料床接触过程的相关参数几乎没有影响,但温度的提高使得热颗粒与燃料床接触的过程中出现闪燃点火 在第 2 次接触弹跳后,即 460ms 时,燃料床上出现闪燃,但随着热颗粒的弹开,火焰熄灭,这主要是由于接触时间过短,燃料床不能在热源离开的情况下维持热解和燃烧14 第 3 次接触中没有闪燃出现,660ms 时发生第 4 次接触,热颗粒接触燃料床即出现闪燃,
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