非連續(xù)介質(zhì)熱解揮發(fā)分對(duì)其著火的影響

牛貴來(lái)

（駐馬店市消防支隊(duì)，河南駐馬店463000）

    摘 要：建立非連續(xù)介質(zhì)熱解揮發(fā)分的運(yùn)動(dòng)填充模型，推導(dǎo)出熱解揮發(fā)份的空間濃度分布函數(shù)表達(dá)式，得出非連續(xù)介質(zhì)熱解質(zhì)量通量對(duì)其著火影響的函數(shù)關(guān)系，并用小規(guī)模燃燒實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，室內(nèi)火災(zāi)時(shí)非連續(xù)介質(zhì)表面上方一定高度的某點(diǎn)處熱解揮發(fā)分的濃度與其在該點(diǎn)的質(zhì)量通量成正比，與其在該點(diǎn)的流動(dòng)速度成反比；室內(nèi)火災(zāi)時(shí)非連續(xù)介質(zhì)要著火燃燒，其熱解質(zhì)量通量必須達(dá)到臨界值，該臨界值大小與煙氣層達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的高度有關(guān)。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)火災(zāi)；非連續(xù)介質(zhì)；熱解揮發(fā)分；著火

中圖分類號(hào)：X913.4, TK121,  文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1009-0029(2017)01-0034-03

室內(nèi)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)一種現(xiàn)象，即在某一時(shí)刻和起火點(diǎn)間隔一定距離的可燃物即非連續(xù)介質(zhì)也被點(diǎn)燃，開(kāi)始著火燃燒，火災(zāi)蔓延擴(kuò)大，甚至發(fā)生轟燃。根據(jù)燃燒學(xué)原理，結(jié)合火災(zāi)案例和實(shí)驗(yàn)，室內(nèi)火災(zāi)中非連續(xù)介質(zhì)著火是因?yàn)榉沁B續(xù)介質(zhì)表面及內(nèi)部溫度隨著火災(zāi)發(fā)展逐漸升高并發(fā)生分解，熱解揮發(fā)分在熱浮力的作用下向上運(yùn)動(dòng)，接觸到下降的高溫?zé)煔鈱颖稽c(diǎn)燃。其中，高溫?zé)煔馓峁?/span>“熱源”，非連續(xù)介質(zhì)熱解揮發(fā)分提供燃料，是著火燃燒的物質(zhì)基礎(chǔ)。如何確定和表征非連續(xù)介質(zhì)表面上方空間熱解揮發(fā)分的濃度分布，對(duì)進(jìn)一步深入研究著火時(shí)間、著火判據(jù)等非連續(xù)介質(zhì)著火問(wèn)題，具有重要意義。筆者建立非連續(xù)介質(zhì)熱解揮發(fā)分的運(yùn)動(dòng)填充模型，理論推導(dǎo)濃度的函數(shù)關(guān)系式，將濃度問(wèn)題轉(zhuǎn)化為非連續(xù)介質(zhì)的熱解質(zhì)量通量問(wèn)題，并通過(guò)小規(guī)?；馂?zāi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，為深入研究室內(nèi)非連續(xù)介質(zhì)著火判據(jù)、著火時(shí)間等問(wèn)題提供了思路方法和理論指導(dǎo)。

1 熱解揮發(fā)分的空間濃度分布

非連續(xù)介質(zhì)熱解揮發(fā)分的空間濃度分布狀況是決定其能否著火燃燒的重要因素，受材料性質(zhì)、受熱面積、輻射熱、受熱時(shí)間等因素的影響。在室內(nèi)火災(zāi)環(huán)境下，氣體的流動(dòng)狀態(tài)極為復(fù)雜，涉及到熱量傳遞、動(dòng)量傳遞和質(zhì)量傳遞等物理化學(xué)過(guò)程。為便于研究，需要對(duì)問(wèn)題進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。作如下假設(shè)：

（1）熱解揮發(fā)分從非連續(xù)介質(zhì)表面析出后，因?yàn)闇囟壬愿哂谥車鷼怏w溫度，密度變小，所受浮力大于自身重力，產(chǎn)生向上的加速度，垂直向上運(yùn)動(dòng)，忽略空氣阻力，剛析出時(shí)的速率為零。

（2）將熱解揮發(fā)分視為理想氣體，忽略其運(yùn)動(dòng)中的分子擴(kuò)散和空氣流動(dòng)對(duì)其運(yùn)動(dòng)的影響。

（3）由于熱解揮發(fā)分產(chǎn)生的量和空氣相比小得多，認(rèn)為其一旦從非連續(xù)介質(zhì)表面析出，即能和周圍空氣迅速混合，混合前后氣體壓力不變。

在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立如圖１所示的熱解揮發(fā)分在空間的運(yùn)動(dòng)填充模型。非連續(xù)介質(zhì)表面上方高度Z處有面積為ΔS的微元面，t時(shí)刻熱解揮發(fā)分在該處的速度為u（Z），經(jīng)Δt時(shí)間向上運(yùn)動(dòng)ΔZ的距離。設(shè)熱解揮發(fā)分的摩爾質(zhì)量為M，微元體內(nèi)填充的熱解揮發(fā)分的質(zhì)量為Δm。

該微元體內(nèi)熱解揮發(fā)分的濃度可表示為式（1）。

對(duì)式（1）取極限，得到某時(shí)刻t，點(diǎn)Z處熱解揮發(fā)分的濃度，如式（2）所示。

式中：P為t時(shí)刻Z點(diǎn)處的氣體壓力；T為溫度；R為通用氣體常數(shù)；（Z,t）為流過(guò)的熱解揮發(fā)份的質(zhì)量通量。

由式（2）可以看出，非連續(xù)介質(zhì)表面上方一定高度的某點(diǎn)處熱解揮發(fā)分的濃度與其在該點(diǎn)的質(zhì)量通量成正比，與其在該點(diǎn)的流動(dòng)速度成反比。

根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，可得式（3）、式（4）。

式中：a為熱解揮發(fā)份向上運(yùn)動(dòng)的加速度；ρ、ρａ分別為熱解揮發(fā)份和空氣的密度；M、Mａ分別為摩爾質(zhì)量；T、Tａ分別為兩者的溫度。

熱解揮發(fā)分溫度可認(rèn)為等于其析出時(shí)非連續(xù)介質(zhì)表面的溫度，根據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，熱解揮發(fā)分與周圍環(huán)境氣體溫度的差值在100℃左右，由熱浮力產(chǎn)生的加速度并不是很大，因此熱解揮發(fā)分向上的運(yùn)動(dòng)速度也較慢。

將式（3）、式（4）代入式（2），得式（5）。

由式（5）可知，非連續(xù)介質(zhì)熱解揮發(fā)分在某點(diǎn)的濃度和其在該點(diǎn)的質(zhì)量通量呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，濃度大小可以用質(zhì)量通量來(lái)表征，質(zhì)量通量達(dá)到一定大小時(shí)便能達(dá)到著火濃度，那么和熱解揮發(fā)分著火濃度下限相對(duì)應(yīng)的即是熱解揮發(fā)分的臨界質(zhì)量通量。因此，室內(nèi)火災(zāi)時(shí)當(dāng)非連續(xù)介質(zhì)表面上方某點(diǎn)處的熱解揮發(fā)分質(zhì)量通量達(dá)到某臨界值時(shí)將被高溫?zé)煔恻c(diǎn)燃而開(kāi)始發(fā)生著火燃燒。

式中：Lｃｒ（Z,t）、（Z,t）分別為非連續(xù)介質(zhì)在某點(diǎn)處被高溫?zé)煔恻c(diǎn)燃而著火燃燒時(shí)熱解揮發(fā)分的著火濃度下限和臨界質(zhì)量通量。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在SNHZ-01實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中模擬室內(nèi)火災(zāi)實(shí)驗(yàn)?；馂?zāi)實(shí)驗(yàn)箱尺寸和內(nèi)部布置，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)非連續(xù)介質(zhì)托盤(pán)放在電子天平上，電子天平通過(guò)專用數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)相連，根據(jù)設(shè)置的時(shí)間間隔將測(cè)量出的非連續(xù)介質(zhì)質(zhì)量數(shù)據(jù)即時(shí)傳入計(jì)算機(jī)。

實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)燃料盤(pán)內(nèi)盛放厚度為８ｍｍ的正方形有機(jī)玻璃，邊長(zhǎng)分別選用12.8、15.2、17.8 cm，為實(shí)驗(yàn)提供火源。通風(fēng)口寬度分別選用5.0、10.0、15.0、20.0、28.5 cm，通風(fēng)口高度分別選用17.5、22.5、27.5、32.5、37.5 cm。非連續(xù)介質(zhì)選用常見(jiàn)的木材，為消除木材自身性質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，均采用粒徑為50目（0.355 mm）的樟松粉末。在不同的火源大小和通風(fēng)口寬度、通風(fēng)口高度條件下分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄木材被點(diǎn)燃開(kāi)始發(fā)生著火燃燒的時(shí)間和火災(zāi)過(guò)程中木材質(zhì)量變化情況，進(jìn)而得出木材著火時(shí)的臨界質(zhì)量通量。

3 結(jié)果與討論

在前文所述實(shí)驗(yàn)條件下，式（6）中，各參數(shù)可按如下取值：

為木材自燃的最低溫度，為按木材在400℃時(shí)熱解產(chǎn)生的氣體組成計(jì)算所得，

按木材在400℃時(shí)熱解揮發(fā)分的組成，并考慮溫度對(duì)著火體積分?jǐn)?shù)極限的影響，計(jì)算得400℃時(shí)木材熱解揮發(fā)分的著火體積，分?jǐn)?shù)下限為約為13％。

可得木材熱解可燃揮發(fā)分在點(diǎn)Z處被點(diǎn)燃所需的臨界質(zhì)量通量的表達(dá)式，如式（7）所示。

在各組實(shí)驗(yàn)中，Z為室內(nèi)煙氣層的穩(wěn)定高度，可以分別計(jì)算出木材在不同實(shí)驗(yàn)條件下被點(diǎn)燃開(kāi)始著火燃燒時(shí)的熱解臨界質(zhì)量通量。

不同實(shí)驗(yàn)條件下木材開(kāi)始著火燃燒時(shí)熱解臨界質(zhì)量通量的實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值，如表1所示。

將表1中數(shù)據(jù)作圖，可以更直觀地觀察其吻合程度，如圖3所示。

由圖3可以看出，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值具有較好的一致性，說(shuō)明熱解揮發(fā)分的運(yùn)動(dòng)填充模型能夠和實(shí)際相吻合。

4 結(jié) 論

（1）室內(nèi)火災(zāi)時(shí)非連續(xù)介質(zhì)表面上方一定高度的某點(diǎn)處熱解揮發(fā)分的濃度與其在該點(diǎn)的質(zhì)量通量成正比，與其在該點(diǎn)的流動(dòng)速度成反比。

（2）室內(nèi)火災(zāi)中，當(dāng)非連續(xù)介質(zhì)表面上方某點(diǎn)處的熱解揮發(fā)分質(zhì)量通量達(dá)到某臨界值時(shí)，將被高溫?zé)煔恻c(diǎn)燃而開(kāi)始著火燃燒，該臨界質(zhì)量通量與煙氣層的穩(wěn)定高度有關(guān)。

（3）通過(guò)熱解揮發(fā)分的運(yùn)動(dòng)填充模型能夠得出室內(nèi)火災(zāi)時(shí)非連續(xù)介質(zhì)熱解揮發(fā)分的空間濃度分布狀況，有效解決室內(nèi)火災(zāi)研究中關(guān)于可燃揮發(fā)分濃度分布的定量計(jì)算問(wèn)題；通過(guò)熱解揮發(fā)分濃度與其質(zhì)量通量的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以將實(shí)驗(yàn)中難以測(cè)量的濃度參數(shù)用相對(duì)易于測(cè)量的質(zhì)量通量來(lái)表征，為室內(nèi)火災(zāi)中非連續(xù)介質(zhì)著火相關(guān)問(wèn)題研究提供便利。