常见可燃物燃烧特性实验与数值模拟研究.pdf

第3 5 卷第6 期 2 0 0 6 年1 1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 6 0 6 0 7 3 2 0 5 V 0 1 ．3 5N o ．6 N O V ．2 0 0 6 常见可燃物燃烧特性实验与数值模拟研究 汪 磊，季经纬，程远平，高宇飞 中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 摘要基于室内常见可燃物的实际火灾危险性研究的重要性，利用锥形量热计对室内常见木材、 聚氯乙烯 P V C 和聚甲基丙烯酸甲酯 P M M A 材料在5 0k w ／m 2 辐射能量条件下的点燃性能、 热释放性能、烟气毒性及烟气的减光性进行了实验研究．使用火灾区域模拟软件C F A S T 对单个 房间内这几种可燃物的实际火灾危险性进行了对比分析．结果表明P V C 和P M M A 的点燃时间 低于木材，而其平均热释放速率、最大热释放速率、总释放热量、平均有效燃烧热、平均质量损失 速率、平均比消光面积等指标均高于木材；P V C 具有较高的减光性和C O 生成率．P V C 和P M M A 的综合火灾危险性高于木材，而P M M A 的综合危险性远高于其他几种可燃物． 关键词燃烧特性；火灾；锥形量热计；数值模拟 中图分类号T K1 2 1文献标识码A E x p e r i m e n t a la n dN u m e r i c a lS i m u l a t i o nR e s e a r c ho n B u r n i n gC h a r a c t e r i s t i c so fC o m m o n C o m b u s t i b l eM a t e r i a l s W A N GL e i ，J IJ i n g w e i ，C H E N GY u a n p i n g ，G A OY u f e i S c h o o lo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ， X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h ei m p o r t a n c eo ff i r eh a z a r dr e s e a r c ho fc o m m o ni n d o o rc o m b u s t i b l e s ，t h e i g n i t a b i l i t y ，h e a tr e l e a s e ，s m o k et o x i c i t ya n ds p e c i f i ce x t i n c t i o na r e ao ft h r e ek i n d so fw o o d ， P V Ca n dP M M Aw e r es t u d e dw i t hac o n ec a l o r i m e t e ra ta ne x t e r n a lh e a tf l u xo f5 0k W ／m 2 ． T h ef i r er i s k so fas i n g l er o o mw i t ht h e s em a t e r i a l sw e r en u m e r i c a ls i m u l a t e db yC F A S T ，af i r e z o n es i m u l a t i o ns o f t w a r e ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei g n i t i o nt i m eo fP V Ca n dP M M Ai Sl e s s t h a nw o o d ，w h i l eo t h e rp a r a m e t e r so fb u r n i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha st h ea v e r a g eh e a tr e l e a s e r a t e H R R ，t h ep e a kH R R ，t h et o t a lh e a tr e l e a s e d ，t h ea v e r a g ee f f e c t i v eh e a to fc o m b u s t i o n ， t h ea v e r a g em a s sl o s sr a t ea n dt h ea v e r a g es p e c i f i ce x t i n c t i o na r e ao fP V Ca n dP M M Aa r ea l l g r e a t e rt h a nw o o d ．P V Ch a sag r e a t e rs p e c i f i ce x t i n c t i o na r e aa n dah i g h e ry i e l do fC Ot h a n o t h e rc o m b u s t i b l em a t e r i a l s ．P V Ca n dP M M Ah a v eg r e a t e rf i r er i s kt h a nw o o dh a s ，a n dP M M Ai Sf a rm o r ed a n g e r o u st h a no t h e rc o m b u s t i b l em a t e r i a l si nf i r e s ． K e yw o r d s c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ；f i r e ；c o n ec a l o r i m e t e r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 室内装修材料和家具是室内最常见的可燃物， 了解其燃烧特性对预防火灾、控制火灾蔓延有着重 要意义．木材作为家具的最主要材料，在室内可燃 物中占着相当大的比重．而近年来随着室内装修的 发展，聚合物装饰材料正越来越多地被使用．室内 最常见的聚合物是硬质P V C 和P M M A ，这2 种聚 收稿日期2 0 0 6 一0 3 1 0 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 4 0 6 0 2 6 作者简介汪磊 1 9 8 2 一 ，男，河南省商城县人，博士研究生，从事火灾防护理论与技术方面的研究 E - m a l l w i n d f l o y d 1 2 6 ．c o m T e l 1 3 6 5 2 0 5 2 8 5 6 万方数据 第6 期汪磊等常见可燃物燃烧特性实验与数值模拟研究 合物广泛地应用于装饰、绝缘、护套材料．测定这几 种可燃物的燃烧特性对于判断其火灾危险性、预测 室内火灾蔓延有着重要意义． 锥形量热计是测定可燃物燃烧特性的有效工 具，锥形量热计法被I S O5 6 6 0 标准和美国A S T M E1 3 5 4 标准确认为进行材料燃烧性能测试的标准 实验方法【1 。2 ] ．木材、P V C 和P M M A 是较为常见的 能应用锥形量热计进行燃烧特性实验的固体可燃 物，前人已对其各自燃烧特性做过大量的研究[ 3 。9 ] ， 但比较其燃烧特性、分析对比其各自火灾危险性方 面的工作较少[ 10 ‘1 1 ] ．鉴于此，本文从木材和聚合物 2 大类分析了几种典型可燃材料的燃烧特性，通过 实验综合比较了其火灾危险性． 1 燃烧特性实验 1 ．1 材料的选择 木材选取室内家具和地板常用的松木、桦木和 柞木，聚合物选取硬质P V C 和P M M A ．考虑到通 常家具和地板表面有1 层烤漆，故选用表面带烤漆 的松木试样以作对比．表1 列出了P V C 与P M M A 的一些燃烧特性[ 12 | ．采用5 0k W ／m 2 的辐射热通 量，试样面积为1 0m m 1 0m m ． 表1P V C 与P M M A 燃烧性能对比 T a b l e1 C o m p a r i s o no fc o m b u s t i o nc a p a b i l i t i e s O fP V Ca n dP M M A 1 ．2 木材燃烧实验 如图1 所示，在5 0k W ／m 2 的辐射热通量下， 桦木和柞木表现出相似的释热特性，其均在8 0S 时达到第1 个释热峰值，约为1 5 0k W ／m 2 ．带烤漆 的松木在此时也达到了第1 个释热峰值，但却高达 2 2 1k W ／m 2 ．此后木材开始炭化，热释放速率降低． t f s 图13 种木材的热释放速率 F i g ．1 H e a tr e l e a s er a t e so ft h et h r e ek i n d so ft i m b e r s 木材完全炭化后，热释放速率开始升高，在约7 0 0s 时，3 种木材的热释放速率出现了第2 个峰值．桦 木和柞木的第2 个释热峰值与第1 次相当，而松木 的第2 个释热峰值降为1 6 0k w ／m 2 ． 除了松木的第1 个峰值偏高，3 种木材的热释 放速率大致相当，这归因于松木的表面漆在燃烧初 期的释热．而松木的第2 个释热峰值又降为与另2 种木材相当，是因为此时表面漆已经完全燃烧，所 释放热量完全由炭化的木材燃烧所贡献． 1 ．3聚合物燃烧实验 聚合物的燃烧特征不同于木材，其热释放速率 在峰值会持续稳定．如图2 所示，在5 0k W ／m 2 的 辐射热通量下，P V C 和P M M A 均在约8 0s 达到 释热峰值，但二者燃烧特性的不同决定了其释热峰 值相差甚远，单位面积P V C 的热释放速率约为 1 5 0k W ／m 2 ，而P M M A 却高达9 0 0k W ／m 2 ．P V C 在4 2 0S 时燃烧开始缓慢衰减，直至12 0 0s 燃尽． P M M A 的燃烧在10 3 0S 开始快速衰减，至11 0 0S 时已经燃尽． 3 0 06 0 09 0 0 1 2 0 0 f ／s 图2P V C 和P M M A 的热释放速率 F i g ．2 H e a tr e l e a s er a t e so fP V Ca n dP M M A ＼ 图2 表明P M M A 在燃烧时的热释放速率远 高于P V C ，而热释放速率是确定火灾危险性的重 要指标[ 7 ] ，因此可以确定P M M A 火灾危险性较 高． 2 实验结果分析 2 ．1点燃时间 点燃时间是评价火灾早期危险性的重要指标， 3 种木材中松木点燃时间最短，为4 0 ．5 0s ，柞木点 燃时间最长，为5 8 ．0 6S ，而2 种聚合物P V C 和 P M M A 的点燃时间远小于木材，分别为1 9 ．5 7S 和1 9 ．3 0s ．P V C 作为一种难燃材料，在实验中点 燃时间小于木材，是由于采用的5 0k W ／m 2 的辐射 热通量较大，在此辐射热通量下，P V C 能够较快被 点燃．由此看出，较之木材，P M M A 更易被点燃，即 火灾早期危险性更高． 2 ．2释热特性 表2 列出了5 种材料的燃烧释热特性，其中单 位面积木材和P V C 的平均热释放速率相近，其中 咖 啪 枷 枷 瑚 。 一，}≥邑、瓣磺耧艇最 瑚 瑚 啪 m ∞ o ，}≥喜醉戢餐麟霰 万方数据 中国矿业大学学报第3 5 卷 木材略低于P V C ，而单位面积P M M A 的平均热释 放速率为7 5 9 ．5 1k W ／m 2 ，是木材和P V C 的7 ～8 倍．最大热释放速率和总释放热量代表了热释放速 率的峰值和总体大小，同样是评价火灾危险性的重 要指标．单位面积P V C 与桦木和柞木的最大热释 放速率相当，约为1 5 0k w ／m 2 ，单位面积带烤漆松 木释热峰值要高于普通木材，为2 2 1k W ／m 2 ，而单 是木材和P V C 的6 ～7 倍；3 种木材的单位面积总 释放热量相当，约为7 0M J ／m 2 ，单位面积P V C 的 总释放热量略高于木材，为1 1 2M J ／m 2 ，而单位面 积P M M A 的总释放热量为7 4 1M J ／m 2 ，是木材的 1 1 倍．在平均有效燃烧热和平均质量损失速率2 项指标上，P M M A 也远高于木材和P V C ，前者是 后者的3 ～4 倍．由此看出，P M M A 的火灾危险性 位面积P M M A 的最大热释放速率为1M w ／m 2 ，要远高于木材和P V C ． 表2材料释热特性参数 T a b l e2H e a tr e l e a s ec a p a b i l i t yp a r a m e t e r so fm a t e r i a l s 2 ．3 烟气危害性 国内外大量火灾实例统计数据表明，因火灾而 伤亡者中，大多是烟害所致．火灾烟气的危害性主 要表现在减光性和毒害性．确定烟气的减光性对人 员疏散和逃生有着重要意义，桦木和柞木的平均比 消光面积分别为3 8 ．7 6 和4 8 ．7 3m 2 ／k g ，松木表面 的烤漆产生大量的烟，使其比消光面积是普通木材 的3 倍，为1 1 8 ．2 4m 2 ／k g ，略低于P M M A ，而P V C 的平均比消光面积最大，为7 7 2 ．4 0m 2 ／k g ，是普通 木材的1 9 倍．由此看出，家具和地板表面的烤漆会 增加火灾危险性，而P V C 的燃烧会大大降低火场 的能见度，对于人员疏散和逃生极为不利． C O 是烟气中致人死亡的主要杀手，C 0 致死 人数约占烟毒致死人数的4 0 ％以上；而C O z 对人 的呼吸有刺激作用，过量时会造成人员因窒息而死 亡．由表2 可知P M M A 的平均C O 生成率是木材 的2 0 ～3 0 倍；P V C 的平均C O 生成率是木材的近 10 0 0 倍，由此指标可以看出P V C 在燃烧时释放出 大量的C O ，对人员健康和生命造成重大威胁．由 于P M M A 和木材较之P V C 更能完全燃烧，故其 平均C O 生成率高于P V C ．在实际室内火灾中，当 燃烧为通风控制时，氧气组分比例低于锥形量热计 的燃烧室，更易于产生不完全燃烧，因此会产生更 多的C O ，导致其火灾危险性更高． 3实际单室房间火灾模拟 使用锥形量热计得到的实验数据预测实际房 间内火灾是一种广泛采用的方法[ 12 。1 3 ] ．上述分析虽 然确定了各种室内可燃材料的火灾危险性，但在实 际火灾中，由于受火灾荷载、房间尺寸、开口和通风 状况等条件的影响，各种材料表现出的火灾危险性 可能与实验结果有所不同．在此采用火灾区域模拟 软件C F A S T ，将各种可燃材料的实验热释放速率 结果作为输入条件，考虑普通单个房间内平均实际 可燃物面积，设定火源平均面积为1m 2 ，在典型房 间里模拟此种材料作为火源的真实场景．由于各种 木材燃烧特性相差不大，因此我们将木材、P V C 和 P M M A 作为3 种火源进行模拟．图3 为它们的热 释放速率对比，同等燃烧面积的木材、P V C 和P M M A 作为火源时的平均热释放速率分别为7 8 ．8 7 ， 9 9 ．1 2 和7 5 9 ．5 1k W ．房间尺寸为3 ．6 6m 2 ．4 4 m 2 ．4 4m ，四周墙体材料为石膏板，有1 扇通向 室外的门，高2m ，宽0 ．9 1m ．模拟结果主要考虑 了房间内的烟气层温度、9 C 0 和9 C 0 ． 图33 种火源热释放速率对比 F i g ．3C o m p a r i s o no fH R R o ft h r e em a t e r i a l s 3 ．1 房间内烟气层温度 图4 为3 种材料在C F A S T 中分别作为火源 进行模拟后的室内烟气层温度结果．在相同的火源 燃烧面积下，木材和P V C 火源燃烧后产生的烟气 层温度都在4 0 0K 左右，而P M M A 却高达7 5 0K ， 说明P M M A 在实际火灾中确实是具有较高危险 性的可燃材料． 咖 湖 伽 枷 枷 o ≥静瑙疆艇菘璐≮ 万方数据 第6 期 汪磊等常见可燃物燃烧特性实验与数值模拟研究 ■ 瑙 赠 噬 旷 囊 珧 图43 种火源烟气层温度对比 F i g ．4C o m p a r i s o no ft h r e em a t e r i a l s 3 ．2 房间内烟气层中9 C O 和9 C 0 2 浓度 图5 为3 种材料在C F A S T 中分别作为火源 6 X o U 昏 的房间内烟气层中9 C 0 和驴 C O 。 模拟结果．由 于c F A S T 原理中假定生成物中c o ／c 0 2 和S 烟 灰 ／c o 。的比例是固定的，因此图5 中的房间内烟 气层中9 C O 和P C O 。 变化趋势一致．P M M A 燃烧时房间内9 C O 远远高于木材和P V C 燃烧 时房间内的9 C 0 ，这不同于实验结果，其原因是 由于聚合物耗氧量大于木材，相对于通风良好的锥 形量热计的燃烧室，实际房间火灾中其产生了较多 的不完全燃烧产物。由此再次说明了P M M A 的火 灾危险性较高． 0 一木材 摹o P M M A 妻o P V C 昏0 0 0 2 0 04 0 06 0 08 0 0 1 0 0 0 t ／s b 氟c 0 2 图5房间内烟层中9 C 0 和_ 5 0 C 0 2 对比 F i g ．5C o m p a r i s o no f9 C 0 a n d ．9 0 C 0 2 i ns m o k el a y e r 4 结论 1 家具和地板中的木材燃烧特性差别不大， 但木材表面的烤漆会增大木材的最大热释放速率 和平均比消光面积，因此会增加火灾危险性；P V C 和P M M A 的点燃时间分别为1 9 ．5 7 和1 9 ．3 0S ，低 于木材，而平均热释放速率、最大热释放速率、总释 放热量、平均有效燃烧热、平均质量损失速率、平均 比消光面积、平均c o ／c o 。生成率等指标均高于 木材，故其火灾危险性高于木材．但根据调查结果 考虑到房间内可燃物的分布，由于木材的质量远高 于P V C 和P M M A ，其在火灾中会导致更大的总释 放热量和平均有效燃烧热，故其综合火灾危险性仍 不容忽视． 2 P V C 和P M M A 燃烧时产生的烟气危害性 高于松木、桦木和柞木，P V C 的平均比消光面积和 平均C O 生成率分别为7 7 2 ．4 0I T l 2 ／k g 和1 1 1 ．2 6 g ／k g ，均远远高于P M M A 和木材，故P V C 的燃烧 对于人员疏散和逃生最为不利． 3 P V C 的氧指数为4 0 ．3 ，按照氧指数的定义 分类为难燃物质，但其实验试样在5 0k W ／m 2 的辐 射热通量下能迅速燃烧，且其平均比消光面积和平 均C O 生成率远高于其他物质，火灾危险性较高． 由此看出，不能单纯由材料的点燃特性判定可燃物 的火灾危险性． 4 在用C F A S T 进行实际火灾模拟时，由于 将火源设定为单一种类可燃物，小于实际房间火灾 荷载，因此不能十分精确地反映实际火灾情况，但 对3 种可燃物的火灾危险性做了很好的比较．P M - M A 试样在实验中能完全燃烧，故其最大热释放速 率、总释放热量、平均有效燃烧热等指标均较高，而 同等燃烧面积的P M M A 作为火源在C F A S T 中对 实际火灾模拟时，烟气层温度和烟气层中妒 C O 和9 C O 。 均高于其他可燃材料，因此综合比较， 在室内火灾中，P M M A 火灾危险性高于P V C 和木 材． 参考文献 [ 1 ] I n t e r n a t i o n a lO r g a n i z a t i o nf o rS t a n d a r d i z a t i o n ．I S O 5 6 6 0 1R e a c t i o n - t o - f i r et e s t s - h e a tr e l e a s e ，s m o k e p r o d u c t i o na n dm a s sl o s sr a t e p a r t1F s l ．G e n e v a l I S OC e n t r a lS e c r e t a r i a t 。2 0 0 2 ． [ 2 3 A m e r i c a nS o c i e t yf o rT e s t i n ga n dM a t e r i a l s ．A S T M E1 3 5 4 0 4S t a n d a r dt e s tm e t h o df o rh e a ta n dv i s i b l e s m o k er e l e a s er a t e sf o rm a t e r i a l sa n dp r o d u c t su s i n g a no x y g e nc o n s u m p t i o nc a l o r i m e t e r [ 3 ．W e s tC o n s h o h o c k e n A S T MI n t e r n a t i o n a l ，2 0 0 4 ． [ 3 ] G O F FLJ ．A n a l y s i so fp o l y m e r su s i n gt h ec o n ec a l o r i m e t e r [ J ] ．I n t e g r a t i o no fF u n d a m e n t a lP o l y m e rS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，1 9 9 1 6 3 1 1 3 1 5 ． [ 4 ] G O F FLJ ．I n v e s t i g a t i o no fp o l y m e r i cm a t e r i a l su s i n g t h ec o n ec a l o r i m e t e r [ J ] ．P o l y m e rE n g i n e e r i n ga n d S c i e n c e ，1 9 9 3 ，3 3 8 4 9 7 - 5 0 0 ． 万方数据 7 3 6中国矿业大学学报第3 5 卷 [ 5 ]C O S T AL ，C A M I N OG ，B E R T E L L IG ，e ta 1 ． M e c h a n i s t i cs t u d yo ft h ec o m b u s t i o nb e h a v i o ro f p o l y m e r i cm a t e r i a l si nb e n c h s c a l et e s t s [ - J ] ．F i r ea n d M a t e r i a l s ，1 9 9 5 ，1 9 3 l1 3 3 - 1 4 2 ． E 6 3G R E X AO ．L U B K EH ．F l a m m a b i l i t yp a r a m e t e r so f w o o dt e s t e do nac o n ec a l o r i m e t e r [ - J ] ．P o l y m e rD e g r a d a t i o na n dS t a b i l i t y ，2 0 0 1 ，7 4 3 4 2 7 4 3 2 ． [ 7 ] H A R A D AT ．T i m et oi g n i t i o n ，h e a tr e l e a s er a t ea n d f i r ee n d u r a n c et i m eo fw o o di nc o n ec a l o r i m e t e rt e s t E J ] ．F i r ea n dM a t e r i a l s ，2 0 0 1 。2 5 4 1 6 1 1 6 7 ． E 8 3D E L I C H A T S I O SM ，P A R O ZB ，B H A R G A V AA ． F l a m m a b i l i t yp r o p e r t i e sf o rc h a r r i n gm a t e r i a l sE J ] ． F i r eS a f e t yJ o u r n a l ，2 0 0 3 ，3 8 3 2 1 9 2 2 8 ． E 9 ]M A R T V O N V AH ，G R E X AO 。L U B K EH ，e ta 1 ． T h e r m o p h y s i d a lp r o p e r t i e so fw o o da n dw o o db a s e d m a t e r i a l s ，s h o r tc o m m u n i c a t i o n [ J ] ．W o o dR e s e a r c h ， 2 0 0 4 ，4 9 4 6 3 6 9 ． E l O ] 王德明，程远平，周福宝，等．矿井火灾火源燃烧特 性的实验研究[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 2 ，3 1 1 3 0 3 3 ． W A N GD e - m i n g ，C H E N GY u a n - p i n g ．Z H O UF u b a o ，e ta 1 ．E x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nc o m b u s t i o n p r o p e r t yo fm i n ef i r es o u r c e [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n a U n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 2 ，3 1 1 3 0 - 3 3 ． [ 1 1 3 季经纬，杨立中，范维澄．外部热辐射对材料燃烧性 能影响的实验研究[ J ] ．燃烧科学与技术，2 0 0 3 ，9 2 1 3 9 1 4 3 ． j IJ i n g - w e i ，Y A N GL i - z h o n g ，F A NW e i c h e n g ．E x p e r i m e n t a ls t u d yone f f e c t so fb u r n i n gb e h a v i o u r so f m a t e r i a l sc a u s e db ye x t e r n a lh e a tr a d i a t i o n [ J ] ． J o u r n a lo fC o m b u s t i o nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ， 2 0 0 3 ，9 2 1 3 9 - 1 4 3 ． [ 1 2 3 李春镐．防火手册E s ] ．上海上海科学技术出版 社，1 9 9 2 1 6 7 1 7 0 ． 责任编辑王继红 中国矿业大学学报获首届中国高校精品科技期刊奖 由教育部组织的首届中国高校精品、优秀和特色科技期刊奖 2 0 0 6 年 评审工作已经结束，中国矿业 大学学报获得最高奖中国高校精品科技期刊奖．中国矿业大学学报是由我校最先主办的刊登自然 科学各个领域最新研究成果、具有矿业特色的学术刊物．学报经过几十年的发展，不断壮大，目前已形成 中国矿业大学学报 中文版 、中国矿业大学学报 英文版 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y 和中国矿业大学学报 社科版 3 种在国内外具有较大影响的学术期刊群． 学报十分注重学术和编辑出版质量，刊登的论文始终保持着较高的学术水平、创新性以及较强的应用 价值．曾获各类奖励和称号1 0 余次．目前，中国矿业大学学报 中文版 、中国矿业大学学报 英文版 双双被E iC o m p e n d e x 等2 0 多种国内外重要数据库检索收录，E i 收录率达9 5 ％以上，为学校的学科建设、 学术交流、人才培养作出了很大的贡献． 中国矿业大学学报编辑部 万方数据