DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.06.002

宽度变化对聚苯乙烯保温材料水平火蔓延预热角度的影响

柳爱静，李开源，姚勇征，朱凯，程旭东

(中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验，安徽 合肥，230027)

摘要：研究聚苯乙烯保温材料水平火蔓延过程中，样品宽度变化对预热角度的影响以及预热角度变化对火蔓延行为及火蔓延速率的影响。研究结果表明：样品刚被点燃时其表面的水平火蔓延速率比样品中部及底部快，当样品燃烧到达稳定阶段时，样品水平火蔓延速率呈现相对均一及稳定的状态，最终形成明显的预热角度，并且预热角度随着样品宽度的增大先增大后减小，而水平火蔓延速率则先减小后增加。此外，根据能量守恒原理，预热角度减小将增强样品的热传递效应，使样品得到更多热量进而导致火蔓延速率增大，因此，预热角度与火蔓延速率呈负相关关系。

关键词：聚苯乙烯；预热角度；火蔓延；热传导

中图分类号：TU 532.4；X915.5             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)06-1420-05

Effect of width on pyrolysis angle during flame spread over horizontal extruded polystyrene (XPS) surface

LIU Aijing, LI Kaiyuan, YAO Yongzheng, ZHU Kai, CHENG Xudong

(State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China)

Abstract: During the horizontal flame spread over XPS slabs, the effects of sample width on the angle and the influence of the angle on flame spread behaviours were investigated. The results show that at the initial stage the flame spreads faster at the slab surface than the other parts and eventually forms the pyrolysis angle at steady stage. The magnitude of pyrolysis angle increases firstly and then decreases with the increase of the sample width. However, the horizontal flame spread rate decreases at first and then increases with the increase of sample width. Moreover, according to the energy conservation, reducing the pyrolysis angle will enhance the heat transfer into the sample and thus lead to higher flame spread rate, which justifies the opposite trends of pyrolysis angle and flame spread rate.

Key words: polystyrene; pyrolysis angle; flame spread; heat transfer

外墙保温材料具有密度低、导热系数低、物理性能稳定等优点，被广泛应用于建筑外墙保温系统。然而，保温材料具有防火性能差、极易燃烧且在燃烧过程中释放大量有毒有害烟气等特征，其火灾危害性问题日益凸显。在建筑物发生火灾时，外墙保温材料一旦被引燃，火蔓延速率迅速增加，火势迅猛，容易造成巨大的经济损失及严重的人员伤亡。在19世纪六七十年代，外墙保温材料潜在的火灾危险性及其自身的燃烧性能就吸引了国内外研究学者的广泛关注^[1-6]。DOROUDIANI等^[1]指出，发泡聚苯乙烯材料最大的火灾危险性在于其火蔓延速率快，使得人员安全疏散时间严重不足，此外，燃烧过程中释放的大量有毒有害烟气容易引起人们逃生过程中窒息中毒死亡。为了衡量火蔓延速率，QUINTIERE等^[2-4]对保温材料水平火蔓延过程中涉及的传热机理进行了深入研究，并提出水平火蔓延速率预测模型。近年来，开展了以样品尺寸为研究参数的火蔓延现象的研究^[7-12]。LI等^[7-8]针对样品尺寸变化对火蔓延速率的影响开展了大量的实验研究，指出火蔓延速率随着样品宽度的增加而增加。JIANG等^[9-12]指出样品宽度变化对火蔓延传热机制产生较大影响。尽管研究学者对保温材料的燃烧性能进行了大量研究，但针对水平火蔓延时预热角度的存在及其影响研究甚少。JIANG等^[13-14]观察到实验过程中存在稳定的预热角度，但并未对其进行详细分析。为此，本文作者选取聚苯乙烯保温材料为研究对象，对水平火蔓延过程中样品宽度对火蔓延速率及预热角度的影响进行实验研究。

1  实验

1.1  实验样品

本实验所用样品为合肥市场购买的聚苯乙烯(XPS)外墙保温材料。为获得不同宽度样品，聚苯乙烯保温材料被切割成长度为60 cm，厚度为2.5 cm，宽度分别为4，6，8，10和12 cm的样品，为了避免切割痕迹对燃烧过程中火蔓延行为的影响，切割工具为陶瓷刀。为了准确测量火蔓延速率，在每个样品表面及侧面均画有间隔为5 cm的横线11条。

1.2  实验装置及方法

图1所示为聚苯乙烯保温材料水平火蔓延实验装置。实验开始前，将聚苯乙烯保温材料样品放置于隔热性能较好的陶瓷纤维板上，为避免燃烧过程中样品底部存在空气而对火蔓延行为产生影响，利用细铁丝将保温材料样品进行固定，使其紧贴陶瓷纤维板表面。陶瓷纤维板侧边安装有量程为60 cm、精度为1 mm的钢尺，用以辅助测量火蔓延距离。为记录样品燃烧时间、预热角度的形成过程及火蔓延过程中的燃烧行为，分别在实验装置的正面和侧面摆放相机1和相机2，相机的频率均为25帧/s。为保证实验的准确性和所测参数的精确度，每次实验结束后都要利用风机对陶瓷纤维板进行冷却降温，待其温度恢复到室温情况时再继续实验。

图1  聚苯乙烯保温材料水平火蔓延实验装置

Fig. 1  Experimental setup for flame spread over XPS surface

2  实验结果分析

2.1  预热角度的形成

图2所示为聚苯乙烯保温材料燃烧过程中预热角度形成示意图。燃烧过程可分为3个阶段：点燃阶段、预热角度形成阶段和稳定燃烧阶段。在点燃阶段，浸满丙烷的棉线被打火器点燃，点燃瞬间样品受到来自火焰的热辐射，进而被引燃。在预热角度形成阶段，样品被点燃后，与保温材料样品中部及底部相比，样品表面氧气浓度大，因空气卷吸作用燃烧火焰较高，进而使得样品表面受到自身火焰的热辐射量较大，因此，越靠近样品表面其水平火蔓延速率就越大。在样品燃烧水平蔓延过程中，质量燃烧速率小于水平火蔓延速率，导致过火面未燃尽的受热熔融材料逐渐形成油池火，且随着火焰前锋对未燃材料的预热点燃，产生更多的熔融材料使油池火现象越来越明显，样品中部和底部受到来自油池火的热辐射量及热解熔融材料对未燃样品的热传导热量逐渐增多，当样品表面与其他部位接受的来自热辐射、热传导、热对流产生的总热量相对稳定时，火焰近样品边缘与样品底部形成一个较为明显的夹角，定义该夹角为预热角度即图2中角度α。在稳定燃烧阶段，样品表面、中部及底部水平火蔓延速率相对稳定且基本相等，在整个稳定燃烧阶段预热角度基本保持不变。不同宽度的聚苯乙烯保温材料样品在实验过程中均会出现一个相对稳定的预热角度。

2.2  宽度对预热角度及火蔓延速率的影响

不同宽度聚苯乙烯保温材料样品实验过程中均会出现一个相对稳定的预热角度，但预热角度会随着样品宽度的变化而变化。宽度对预热角度及火蔓延速率影响如图3所示。可见：随着样品宽度增加，预热角度首先呈现增大趋势；当样品宽度为8 cm时，预热角度取得最大值；样品宽度继续增加大于8 cm后，随着样品宽度增加，预热角度呈现减小现象。而通过实验测量所得火蔓延速率与预热角度的变化关系相反，随着宽度的增加，火蔓延速率先减小后增加，同样在宽度为8 cm处出现拐点，这与JIANG等^{[9, 15]}的研究结果一致。由图3可得，预热角度与火蔓延速率之间存在较强的对应关系。

图2  预热角度形成过程示意图

Fig. 2  Model of pyrolysis angle formation during flame spread over XPS surface

图3  宽度对预热角度及火蔓延速率影响

Fig. 3  Effect of sample width on pyrolysis angle and flame spread rate

3  传热机制分析

3.1  传热机制模型的建立

聚苯乙烯保温材料在水平火蔓延过程中，样品从热辐射、热传导、热对流获得的热流量所占比例随着样品宽度的变化而变化^[16]。为研究样品宽度变化对预热角度及火蔓延速率的影响，本文引入并修正了DINENNO等^[17]的物理模型，如图4所示。控制体通常选择样品的预热区域，且其位置相对固定，为火焰前锋样品预热部位。DINENNO等^[17]的物理模型选择虚线内长方形为控制体。通过实际观察可知，聚苯乙烯保温材料样品在水平火蔓延过程中燃烧呈现相对稳定状态时，预热区域火焰与未燃样品之间存在一个较明显的预热角度，而该预热角度的存在必然对样品燃烧过程中的传热机制产生影响。通过引入样品预热角度概念对模型进行修正，探索预热角度对传热机制的影响，图4(b)所示为修正模型，控制体积为长方形区域和三角形区域2部分。

图4  逆流火蔓延过程中能量守恒分析

Fig. 4  Energy conservation analysis in opposed flow spread

结合图4中的控制体模型，给出火蔓延过程中控制体的具体传热机制见图5。其中，和分别为样品上表面及火焰贴附面的辐射热流量，为热解区域样品通过热传导所获得的热流量，为样品从周边环境对流换热所获得的热流量。

假设样品的自身的热损失为0 kW/m²，能量守恒方程为

          (1)

图5  水平火蔓延控制体传热机制示意图

Fig. 5  Heat transfer mechanism of control volume during flame spread over XPS surface

式中：ρ为样品的密度；c为聚苯乙烯样品的比热容；T_ig和T_s分别为样品的点燃温度和样品表面温度；f为矫正系数；δ₁和d/tan α分别为样品长方形和三角形预热区域的长度；d为样品厚度。样品内部的热传导计算公式如下：

               (2)

式中：k为样品导热系数；为样品内部温度梯度，在稳定燃烧阶段温度梯度恒定不变^[2]，故热传导传递热流量基本为定值，因此，其对预热角度及火蔓延速率的影响可以忽略，本文只讨论热辐射与热对流的影响关系。

3.2  宽度对预热角度及火蔓延速率的影响

当样品宽度小于8 cm时，侧边的空气卷吸作用较强传热机制中热对流起主导作用^[11]。对流换热所得热量式为

             (3)

式中：h_c为对流换热系数；T_g为样品环境温度。QUINTIERE^[2]指出对流换热系数与样品宽度存在以下关系：

                 (4)

式中：W为样品宽度；n为幂级数。结合式(3)和式(4)可知，对流换热量随着样品宽度的增加而减小。从式(1)可以看出：预热角度对对流项有较大影响，火蔓延过程中长方形区域控制体尺寸与三角形区域尺寸相比可以忽略不计，起决定性作用的因素为三角形区域控制体，由式(1)可得

             (5)

由式(5)可得预热角度与对流换热量的关系为

q_conv∝             (6)

结合图3，当样品宽度小于8 cm时，预热角度随着样品的增加而增加，预热角度增大导致对流换热量减小，与式(3)、式(4)所得结果相同。火蔓延速率取决于对流换热量，火蔓延速率与预热角度关系为

V_f∝             (7)

因此，当样品宽度小于8 cm时，预热角度随着样品宽度的增大而增大，而火蔓延速率随着样品宽度的增大而减小，两者呈现反比例关系。

当样品宽度大于8 cm时，火焰热辐射起主导作用，由玻尔兹曼定律可得辐射热为

              (8)

式中：ε为辐射系数；σ为玻尔兹曼常数；T_f为火焰温度；F为视角系数。火焰辐射系数、视角系数分别可用式(9)和(10)来表示^{[2, 18-19]}：

               (9)

        (10)

式中：K为发散系数；θ₁和θ₂为火焰视角；A为火焰面积；L₂为预热区域长度。可知辐射系数和视角系数参数随着样品宽度的增加而增加，因此，当样品宽度大于8 cm时，样品预热区域所获得的辐射热流量随着样品宽度的增加而增加。从式(1)可得聚苯乙烯保温材料样品的辐射热流量为

          (11)

式中：q_f为总的辐射热量。在火蔓延过程中长方形区域控制体尺寸与三角形区域尺寸相比可以忽略不计，因此，样品通过辐射获得的热量与样品预热角度的关系为

q_f∝              (12)

结合如图3中实验结果，当样品宽度大于8 cm时，预热角度随着样品宽度的增加而减小，预热角度减小导致辐射热流量增大，火蔓延速率取决于辐射热流量，火蔓延速率与预热角度关系可用下式表示：

V_f∝             (13)

因此，当样品宽度大于8 cm时，预热角度随着样品宽度的增大而减小，而火蔓延速率随着样品宽度的增加而增加。

4  结论

1) 聚苯乙烯保温材料水平火蔓延过程中稳定燃烧阶段，火焰近样品边缘与样品底部形成一个较为明显且基本不变的夹角，即为预热角度。预热角度形成的主要原因为：样品刚被点燃时，样品上表面水平火蔓延速率较大，随着燃烧达到稳定阶段，样品上表面及火蔓延贴附面所接受的热流量基本保持不变，且样品厚度方向各点水平火蔓延速率相等，致使预热角度形成。

2) 样品宽度变化对预热角度及火蔓延速率存在一定影响。当样品宽度小于8 cm时，预热角度随样品宽度的增加而增加，火蔓延速率随样品宽度增加而减小；当样品宽度大于8 cm时，预热角度岁样品宽度增加而减小，而火蔓延速率随宽度增加而增加，两者呈现负相关关系。

3) 将预热角度代入DiNenno的物理模型中对模型进行修正。样品宽度变化影响传热机制，进而影响预热角度。而预热角度增大或减小，使得燃烧过程中样品所获得的热流量相应减小或增大，进而出现火蔓延速率呈现减小或增大的结果。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2016-06-13；修回日期：2016-08-15

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51206156)(Project(51206156) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：程旭东，副研究员，从事建筑外墙火灾及城市地下空间火灾研究；E-mail：chengxd@ustc.edu.cn