論文發布

非連續介質熱解揮發分對其著火的影響

牛貴來

（駐馬店市消防支隊，河南駐馬店463000）

    摘 要：建立非連續介質熱解揮發分的運動填充模型，推導出熱解揮發份的空間濃度分布函數表達式，得出非連續介質熱解質量通量對其著火影響的函數關系，并用小規模燃燒實驗進行驗證。結果表明，室內火災時非連續介質表面上方一定高度的某點處熱解揮發分的濃度與其在該點的質量通量成正比，與其在該點的流動速度成反比；室內火災時非連續介質要著火燃燒，其熱解質量通量必須達到臨界值，該臨界值大小與煙氣層達到穩定時的高度有關。

關鍵詞：室內火災；非連續介質；熱解揮發分；著火

中圖分類號：X913.4, TK121,  文獻標志碼：B

文章編號：1009-0029(2017)01-0034-03

室內火災發生時，經常出現一種現象，即在某一時刻和起火點間隔一定距離的可燃物即非連續介質也被點燃，開始著火燃燒，火災蔓延擴大，甚至發生轟燃。根據燃燒學原理，結合火災案例和實驗，室內火災中非連續介質著火是因為非連續介質表面及內部溫度隨著火災發展逐漸升高并發生分解，熱解揮發分在熱浮力的作用下向上運動，接觸到下降的高溫煙氣層被點燃。其中，高溫煙氣提供“熱源”，非連續介質熱解揮發分提供燃料，是著火燃燒的物質基礎。如何確定和表征非連續介質表面上方空間熱解揮發分的濃度分布，對進一步深入研究著火時間、著火判據等非連續介質著火問題，具有重要意義。筆者建立非連續介質熱解揮發分的運動填充模型，理論推導濃度的函數關系式，將濃度問題轉化為非連續介質的熱解質量通量問題，并通過小規?；馂膶嶒炦M行驗證，為深入研究室內非連續介質著火判據、著火時間等問題提供了思路方法和理論指導。

1 熱解揮發分的空間濃度分布

非連續介質熱解揮發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、受熱面積、輻射熱、受熱時間等因素的影響。在室內火災環境下，氣體的流動狀態極為復雜，涉及到熱量傳遞、動量傳遞和質量傳遞等物理化學過程。為便于研究，需要對問題進行合理簡化。作如下假設：

（1）熱解揮發分從非連續介質表面析出后，因為溫度稍高于周圍氣體溫度，密度變小，所受浮力大于自身重力，產生向上的加速度，垂直向上運動，忽略空氣阻力，剛析出時的速率為零。

（2）將熱解揮發分視為理想氣體，忽略其運動中的分子擴散和空氣流動對其運動的影響。

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

在上述假設的基礎上，建立如圖１所示的熱解揮發分在空間的運動填充模型。非連續介質表面上方高度Z處有面積為ΔS的微元面，t時刻熱解揮發分在該處的速度為u（Z），經Δt時間向上運動ΔZ的距離。設熱解揮發分的摩爾質量為M，微元體內填充的熱解揮發分的質量為Δm。

該微元體內熱解揮發分的濃度可表示為式（1）。

對式（1）取極限，得到某時刻t，點Z處熱解揮發分的濃度，如式（2）所示。

式中：P為t時刻Z點處的氣體壓力；T為溫度；R為通用氣體常數；（Z,t）為流過的熱解揮發份的質量通量。

由式（2）可以看出，非連續介質表面上方一定高度的某點處熱解揮發分的濃度與其在該點的質量通量成正比，與其在該點的流動速度成反比。

根據牛頓運動定律，可得式（3）、式（4）。

式中：a為熱解揮發份向上運動的加速度；ρ、ρａ分別為熱解揮發份和空氣的密度；M、Mａ分別為摩爾質量；T、Tａ分別為兩者的溫度。

熱解揮發分溫度可認為等于其析出時非連續介質表面的溫度，根據有關實驗結果，熱解揮發分與周圍環境氣體溫度的差值在100℃左右，由熱浮力產生的加速度并不是很大，因此熱解揮發分向上的運動速度也較慢。

將式（3）、式（4）代入式（2），得式（5）。

由式（5）可知，非連續介質熱解揮發分在某點的濃度和其在該點的質量通量呈一一對應關系，濃度大小可以用質量通量來表征，質量通量達到一定大小時便能達到著火濃度，那么和熱解揮發分著火濃度下限相對應的即是熱解揮發分的臨界質量通量。因此，室內火災時當非連續介質表面上方某點處的熱解揮發分質量通量達到某臨界值時將被高溫煙氣點燃而開始發生著火燃燒。

式中：Lｃｒ（Z,t）、（Z,t）分別為非連續介質在某點處被高溫煙氣點燃而著火燃燒時熱解揮發分的著火濃度下限和臨界質量通量。

2 實驗設計

在SNHZ-01實驗系統中模擬室內火災實驗?；馂膶嶒炏涑叽绾蛢炔坎贾?，如圖2所示。實驗箱內非連續介質托盤放在電子天平上，電子天平通過專用數據線與計算機相連，根據設置的時間間隔將測量出的非連續介質質量數據即時傳入計算機。

實驗箱內燃料盤內盛放厚度為８ｍｍ的正方形有機玻璃，邊長分別選用12.8、15.2、17.8 cm，為實驗提供火源。通風口寬度分別選用5.0、10.0、15.0、20.0、28.5 cm，通風口高度分別選用17.5、22.5、27.5、32.5、37.5 cm。非連續介質選用常見的木材，為消除木材自身性質對實驗的影響，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口寬度、通風口高度條件下分別進行實驗，記錄木材被點燃開始發生著火燃燒的時間和火災過程中木材質量變化情況，進而得出木材著火時的臨界質量通量。

3 結果與討論

在前文所述實驗條件下，式（6）中，各參數可按如下取值：

為木材自燃的最低溫度，為按木材在400℃時熱解產生的氣體組成計算所得，

按木材在400℃時熱解揮發分的組成，并考慮溫度對著火體積分數極限的影響，計算得400℃時木材熱解揮發分的著火體積，分數下限為約為13％。

可得木材熱解可燃揮發分在點Z處被點燃所需的臨界質量通量的表達式，如式（7）所示。

在各組實驗中，Z為室內煙氣層的穩定高度，可以分別計算出木材在不同實驗條件下被點燃開始著火燃燒時的熱解臨界質量通量。

不同實驗條件下木材開始著火燃燒時熱解臨界質量通量的實驗值和計算值，如表1所示。

將表1中數據作圖，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，計算值與實驗值具有較好的一致性，說明熱解揮發分的運動填充模型能夠和實際相吻合。

4 結 論

（1）室內火災時非連續介質表面上方一定高度的某點處熱解揮發分的濃度與其在該點的質量通量成正比，與其在該點的流動速度成反比。

（2）室內火災中，當非連續介質表面上方某點處的熱解揮發分質量通量達到某臨界值時，將被高溫煙氣點燃而開始著火燃燒，該臨界質量通量與煙氣層的穩定高度有關。

（3）通過熱解揮發分的運動填充模型能夠得出室內火災時非連續介質熱解揮發分的空間濃度分布狀況，有效解決室內火災研究中關于可燃揮發分濃度分布的定量計算問題；通過熱解揮發分濃度與其質量通量的一一對應關系，可以將實驗中難以測量的濃度參數用相對易于測量的質量通量來表征，為室內火災中非連續介質著火相關問題研究提供便利。