火災(zāi)場景中細水霧幕對玻璃保護效果實驗研究

譚 瓊，王喜世,2*，孔祥曉，黃妍清，劉洋鵬

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，合肥，230026；2.城市公共安全協(xié)同創(chuàng)新中心，合肥， 230026)

火災(zāi)場景中細水霧幕對玻璃保護效果實驗研究

譚 瓊1，王喜世1,2*，孔祥曉1，黃妍清1，劉洋鵬1

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，合肥，230026；2.城市公共安全協(xié)同創(chuàng)新中心，合肥， 230026)

在火災(zāi)環(huán)境中，玻璃極易受到過量熱流的影響而發(fā)生破裂，從而增加火災(zāi)房間的通風(fēng)，導(dǎo)致火勢急劇增長，甚至跨區(qū)域蔓延。研究防止玻璃在火災(zāi)條件下破裂與脫落技術(shù)手段對火災(zāi)防控具有重要意義?；诖耍岢隽艘环N采用細水霧幕阻隔火焰熱輻射保護玻璃的方法。實驗通過改變細水霧幕工作壓力及其在火災(zāi)不同階段的啟動，并與傳統(tǒng)水膜法進行對比，研究各工況下的保護效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)火源與保護裝置同時啟動，細水霧幕與水膜都可以將玻璃首次破裂時間延長。流量為0.38 L/min時，在細水霧幕保護下玻璃首次破裂時間比水膜保護下延長361 s。細水霧幕工作壓力越大，保護效果越好，但當(dāng)壓力超過1.0 MPa持續(xù)提高細水霧幕壓力，保護效果變化不明顯。當(dāng)延遲到玻璃表面溫度達到90 ℃時，啟動這兩種保護裝置，細水霧幕對窗玻璃保護效果不受影響，但水膜法玻璃首次破裂時間會縮短。

細水霧幕；玻璃保護；啟動時間；壓力；水膜

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，玻璃被廣泛地應(yīng)用在現(xiàn)代建筑物中。然而玻璃屬于脆弱構(gòu)件，一旦發(fā)生火災(zāi)極易造成玻璃破裂和脫落，這樣就容易在火災(zāi)場景中形成通風(fēng)口加速火災(zāi)蔓延。2013年3月，天津華苑鑫茂科技園內(nèi)一高層突發(fā)大火，隨著火勢的增大，窗戶玻璃被燒壞，最終火勢不斷蔓延，造成重大的財產(chǎn)損失[1]。因此對火災(zāi)場景下的玻璃進行保護具有重要的現(xiàn)實意義。

Kim等[2]研究了水噴淋位于玻璃向火面和背火面對窗玻璃保護效果影響，發(fā)現(xiàn)在輻射強度大于25 kW/m2時，安裝于玻璃向火面的水噴淋不能起到保護玻璃的作用。Wu和Lin[3]將水噴淋與水膜對玻璃的保護效果進行對比，實驗結(jié)果顯示水膜的熱阻擋效果是水噴淋的3倍，但其耗水量僅為水噴淋的三分之一。邵等[4]通過全尺寸實驗研究鋼化玻璃在水膜作用下所能承受的最大溫度。結(jié)果顯示當(dāng)玻璃表面最高溫度超過250 ℃時，開啟水膜會加速鋼化玻璃的破裂與脫落。

然而，前人的研究[3,4,8-10]集中于利用水噴淋或水膜對玻璃進行保護，但水噴淋和水膜耗水量較大，容易造成水漬污染，而細水霧作為一種清潔高效的滅火介質(zhì)，用水量較少，且對熱輻射有明顯的衰減作用[11]。因此研究細水霧對玻璃的保護就顯得十分必要。

本文選用浮法玻璃作為測試對象，重點研究不同工作壓力和細水霧幕啟動時間對細水霧幕保護玻璃效果的影響，并與傳統(tǒng)水膜法進行對比，研究各工況下的保護效果。文中對玻璃的保護效果通過玻璃是否破裂、破裂時間及玻璃表面溫度上升情況和玻璃背火面所接收到的熱通量來評判。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗裝置

實驗裝置由玻璃、火模擬系統(tǒng)、細水霧幕系統(tǒng)、測量控制系統(tǒng)等組成。在實際工程中，水膜對玻璃的保護方式有兩種，本實驗針對細水霧幕保護玻璃的方式，同樣考慮了兩種類似場景，場景1是指細水霧幕不直接噴在玻璃上，場景2是指部分細水霧幕噴在玻璃上。場景1和場景2的實驗裝置分別如圖1(a)和圖1(b)所示。試驗所用玻璃為浮法玻璃，尺寸為600 mm×600 mm×6 mm。玻璃安裝在鋁合金框架內(nèi)，玻璃與框架不直接接觸，玻璃與框架的空隙由玻璃纖維填充，玻璃框架示意圖如圖1(c)所示。實驗采用氣體火模擬真實火災(zāi)，燃料為丙烷，燃燒器尺寸為350 mm×350 mm，火源中心距離玻璃向火面675 mm，火源功率為156 kW。細水霧幕系統(tǒng)包括高壓泵組、控制閥、泄壓閥、壓力表、細水霧幕噴頭、高壓水管、擋水裝置等。擋水裝置如圖1(d)所示。擋水裝置可以收集多余的水霧，幫助形成均勻的細水霧幕，文中的有效流量(Q)是指通過兩擋水板之間的真正發(fā)揮作用的有效流量。實驗臺的測量系統(tǒng)由熱電偶、水冷熱流計、壓力表及高速攝像機等組成。實驗中使用的熱電偶為K型貼片熱電偶(6 mm×10 mm)，共計22支，其布置見圖2。1號～4號熱電偶布置在玻璃背火面遮蔽區(qū)域，5號～13號布置在玻璃背火面，14號～22號布置在玻璃向火面。實驗所用熱流計型號為MEDTHERM 64系列水冷熱流傳感器(型號：64-10-20，量程為50 kW/m2)。熱流計布置在玻璃背火面50 mm處測量透過玻璃和細水霧幕的熱流值。指針式壓力表記錄細水霧幕的工作壓力，量程為8 MPa，精度為0.01 MPa。高速攝像機記錄整個實驗過程可用于分析玻璃首次破裂時間及位置。

圖1 實驗裝置Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus

圖2 熱電偶布置(正視圖)Fig.2 Arrangement of the thermocouples on the tested glass surface

1.2 原理及理論

玻璃熱破裂的形成主要與玻璃表面存在的微裂紋和受熱時玻璃內(nèi)部出現(xiàn)的熱應(yīng)力有關(guān)。玻璃表面的微裂紋在外部熱荷載作用下擴大成可見裂紋，本文中，玻璃破裂是指玻璃表面出現(xiàn)樹枝狀或龜背紋狀的可見裂紋。

在眾多關(guān)于玻璃破裂行為的理論研究中，溫差判據(jù)和熱通量判據(jù)應(yīng)用較廣泛。Keski-Rahkonen[12]、Shao等[13]提出的溫差判據(jù)公式如下：

σb=EβΔTb

(1)

式中，σb為玻璃破裂的臨界應(yīng)力值，10MPa<σb<50MPa,E為楊氏模量，取7.3×1010Pa，ΔTb為玻璃破裂的臨界溫差，β為線性熱膨脹系數(shù)，取7.33×10-6℃。Keski-Rahkonen通過公式(1)預(yù)測玻璃破裂的臨界溫差ΔTb為80 ℃。

在玻璃四周遮蔽寬度大于玻璃厚度時，向火面臨界熱通量判據(jù)[14]如下：

(2)

式中，S為玻璃四周遮蔽寬度，S=20 mm，κ=0.8W·m-1K-1，qcrit為玻璃破裂的向火面臨界熱通量，由式(2)可得qcrit為3.2kW/m2。本文中，使用的臨界熱通量是指玻璃破裂的背火面臨界熱通量(HFcrit)，HFcrit可以由qcrit換算得到：

HFcrit=aqcrit

(3)

式中，a為修正系數(shù)，a受玻璃種類及厚度影響。保持其他實驗條件不變，通過測量有無玻璃時熱流計的讀數(shù)計算得a=0.54，帶入式(3)可得玻璃破裂的背火面臨界熱通量HFcrit=1.7 kW/m2。

2 結(jié)果與討論

*：工況1三次重復(fù)實驗中浮法玻璃的平均破裂溫度為97.3 ℃。

a：施加細水霧幕；b：施加水膜。

場景1：細水霧幕不直接噴在玻璃上，場景2：部分細水霧幕噴在玻璃上。

2.1 細水霧幕保護玻璃效果

對于單層浮法玻璃，熱量守恒方程為[1]：

(4)

通過積分可以得到：

(5)

式中，c為玻璃的比熱容，c=0.92 kJ/kg·K，ρ為玻璃密度，ρ=2500 kg/m3，b為玻璃厚度，b=0.006 m，h為對流換熱系數(shù)h=0.04 kW/m2·K，Tg和T0分別為玻璃表面溫度和環(huán)境溫度。

在火源和玻璃之間，輻射傳熱會被細水霧幕逐漸衰減或者被空氣和細水霧幕吸收，假設(shè)在氣體中的光譜輻射的衰減和吸收系數(shù)為κλ，假設(shè)空氣厚度為L，則空氣的光譜透射率表達式為：

(6)

假設(shè)來自火的輻射是一個常值I0，細水霧幕的光譜透射率為τWMC，可以獲得入射熱流的表達式：

q=I0e-κλLτWMC

(7)

細水霧幕光譜透射率和首次破裂時間的關(guān)系可以由方程式(5)和(7)得到：

(8)

根據(jù)方程(8)和實驗測得的數(shù)據(jù)，可以得到κλ約為4m-1，I0約為48 kW/m2。在該實驗條件下，沒有細水霧幕保護時，空氣厚度為0.5 m。細水霧幕的透射率τWMC看作1，玻璃破裂時Tg=370.3 K，T0=293 K，計算玻璃首次破裂時間為177 s，預(yù)測時間和表1中實驗所得到的150 s基本吻合。在工作壓力為0.5 MPa的細水霧幕保護下，空氣厚度為0.475 m，細水霧幕的光譜透射率τWMC=0.78，玻璃破裂時Tg=376.3 K，T0=293 K，理論預(yù)測破裂所需加熱時間約為442 s，預(yù)測時間和表1中實驗所得到的423 s基本吻合。預(yù)測時間和實驗結(jié)果之間的微小差別可能是假定火源表面的熱流密度和環(huán)境溫度恒定引起的。在工作壓力為1.0 MPa、1.5 MPa和2.0 MPa時，預(yù)測玻璃首次破裂時間都在600 s以上。

圖3是玻璃在細水霧幕關(guān)閉/開啟工況下的溫度差-時間變化曲線，如圖3，四種不同壓力的細水霧幕均使玻璃表面最大溫差上升幅度減緩，且隨著壓力的增加，玻璃表面溫差達到其破裂臨界值(ΔTb)所需時間增長，對應(yīng)表1的結(jié)果。因為隨著壓力增大，細水霧霧化效果增強，細水霧霧滴粒徑減小，有效作用的霧滴數(shù)目增多，細水霧比表面積增大，細水霧幕的輻射衰減作用和吸熱冷卻作用增強。當(dāng)工作壓力超過1.5MPa時，持續(xù)增加壓力玻璃表面最大溫差上升幅度變化不明顯。這是由于壓力增大到一定程度后，繼續(xù)增加噴霧壓力對細水霧霧滴特性的影響效果較小。

圖3 玻璃表面溫度差隨時間變化曲線Fig.3 Temperature difference of the glass pane

圖4 細水霧幕保護下透過玻璃表面熱流值隨時間變化曲線Fig.4 The heat flux penetrating through the glass pane with the protection of water mist curtain

圖4是關(guān)閉以及開啟細水霧幕工況下的透過玻璃表面熱流值隨時間變化曲線。如圖4，在開啟細水霧幕時，透過玻璃表面熱流值均有所下降，但下降幅度有所差異。噴霧壓力為0.5MPa時，透過玻璃表面熱流值在100s后一直高于玻璃破裂的臨界值(HFcrit)1.7kW/m2，423s玻璃首次破裂。噴霧壓力為1.0MPa、1.5MPa和2.0MPa時，透過玻璃表面熱流值都低于HFcrit，玻璃均未破裂。以工況4a為例，開啟細水霧幕后，透過玻璃表面熱流值從2.5kW/m2下降到1.1kW/m2，降幅為56%，直到實驗結(jié)束熱流值都低于HFcrit。這進一步說明細水霧幕能明顯衰減火焰熱輻射[11]，對玻璃有良好的保護作用。隨著壓力的增加，透過玻璃表面的熱流值下降。與玻璃表面溫差變化類似，當(dāng)壓力超過一定值(本實驗為1.0MPa)持續(xù)增加工作壓力，透過玻璃的熱流值稍微降低但變化不明顯。這是因為擋水裝置的存在使有效作用的細水霧幕幕厚仍為7.5cm，所以隨著壓力的增加，透過玻璃表面的熱流值變化非常有限。

2.2 水膜保護玻璃效果

圖5是玻璃在水膜關(guān)閉/開啟工況下透過玻璃表面熱通量隨時間變化曲線[15]。由圖5可知，水膜1、2都能在一定程度上降低透過玻璃表面的熱通量，延長玻璃首次破裂時間。在水膜1的保護下，透過玻璃表面的熱通量保持在1.71kW/m2，接近HFcrit，點火后239s玻璃首次破裂；在水膜2 保護下，透過玻璃表面的熱通量小于1.0kW/m2， 600s玻璃仍保持完整。這是因為水膜2的流量是水膜1的9倍，流量越大，厚度越厚，冷卻效果越好從而保護效果越好。

圖5 水膜保護下透過玻璃表面熱流值隨時間變化曲線Fig.5 The heat flux penetrating through the glass pane with the protection of water film

2.3 細水霧幕和水膜不同啟動時間對保護玻璃效果影響

圖6為玻璃在不同溫度下開啟細水霧幕時透過玻璃表面的熱流隨時間變化曲線。由圖6可知，在試驗工況下，透過玻璃的熱流值迅速下降到HFcrit以下，且一直低于該值，玻璃均未破裂。以工況9a為例，開啟細水霧幕后，透過玻璃表面的熱流值從2.25kW/m2迅速下降到1.25kW/m2，降幅為44.44%，直到實驗結(jié)束，熱流值都低于HFcrit，玻璃未破裂。這是因為細水霧幕對火源熱輻射的衰減作用降低了入射到玻璃表面的輻射強度。浮法玻璃破裂的臨界溫度值較低，細水霧幕瞬間冷卻造成的溫差不足以導(dǎo)致玻璃破裂。這說明當(dāng)玻璃表面溫度達到一定值(低于破裂臨界值97.3 ℃)開啟細水霧幕并不會加速浮法玻璃的破裂，仍具有保護作用。

圖6 不同啟動時間下透過玻璃表面熱流值隨時間變化曲線Fig.6 Variations of heat flux measured under different time of opening WMC

圖7(a)和圖7(b)分別為玻璃表面溫度達到90 ℃開啟細水霧幕和水膜，透過玻璃表面熱流值隨時間變化曲線。由圖7可知，玻璃背火面5cm處，施加細水霧幕比施加水膜后的熱流值下降速度快。開啟細水霧幕后，透過玻璃表面的熱流值迅速下降到1.5kW/m2左右，低于HFcrit，且一直保持到實驗結(jié)束，實驗過程無玻璃破裂。開啟水膜后，透過玻璃表面的熱流值下降緩慢，水膜開啟后300s范圍內(nèi)，熱流值一直大于HFcrit。點火后525s，玻璃首次破裂。因為水膜對輻射的衰減作用沒有細水霧幕好，部分熱輻射透過水膜和玻璃使遠離火源的那一薄層玻璃繼續(xù)升溫，這在玻璃厚度方向就會形成一個溫度梯度[16]，在525s時這一溫度梯度達到玻璃破裂的臨界值(ΔTb)，玻璃破裂。這充分說明細水霧幕對熱輻射的阻擋效果優(yōu)于水膜，因為水霧化成細水霧后，一方面比表面積增大，吸熱冷卻作用增強，另一方面細水霧霧滴的吸收和散射作用快速衰減熱輻射，這兩者的綜合效應(yīng)使得玻璃背火面熱流值迅速降低[11]，從而對玻璃產(chǎn)生較好的保護效果。

圖7 玻璃表面熱流隨時間變化曲線Fig.7 Variations of heat flux measured under different conditions of opening WMC

3 結(jié)論

本文通過實驗研究了細水霧對浮法玻璃的保護效果。通過改變細水霧的工作壓力和啟動時間，實時測量玻璃在受到火焰輻射后的破裂時間，熱流強度及兩面溫差等參數(shù)，討論不同細水霧的施加對防止玻璃破裂過程中的作用。同時，通過開展水膜實驗，來對比兩種保護裝置對浮法玻璃的保護效果。所得到的具體結(jié)論如下：

(1)火源與保護裝置同時啟動時，細水霧幕與水膜都可以使6mm浮法玻璃破裂時間延長。提高噴霧壓力，細水霧幕對玻璃的保護效果在一定范圍內(nèi)得到提高，但當(dāng)噴霧壓力增加到一定臨界(本實驗中為1.0MPa)時，持續(xù)提高細水霧幕壓力，保護效果變化不明顯。

(2)延遲啟動保護裝置，細水霧幕對玻璃的保護效果不會受到影響，但水膜對玻璃的保護效果相比于同時啟動工況變差。

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Study on protection of window glass with water mist curtain under a fire scenario

TAN Qiong1, WANG Xishi1,2, KONG Xiangxiao1, HUANG Yanqing1, LIU Yangpeng1

(1. State Key Laboratory of Fire Science, University of Science & Technology of China, Hefei 230026, China; 2. Collaborative Innovation Center for Urban Public Safety, Hefei 230026, China)

Glass may break easily due to influence of heat flux during a fire, leading to increase of ventilation in fire room and significant acceleration even cross-regional spread of enclosure fire. It is significant for fire prevention and control through studying how to prevent break and falling off of window glass. Thus, we adopt a window glass pretection method to resist flame heat flux and decrease radiation

by glass in fire disaster by water mist curtain (WMC). The protective effect of WMC on window glass has been studied under different operating pressure and different time of opening WMC. In addition, the protective effect of WMC and water film on float glass has also been compared. The results illustrate that the time of window glass pane maintaining its integrated structure under the protection of WMC or water film extended. The initial breakage time of glass under pretection of WMC is 361 s longer than that with the protection of water film at flow of 0.38 L/min. The higher working pressure, the better protection efficiency of WMC. However, The protective effect of WMC is not obvious when work pressure is beyond 1 MPa. It is also found that the protection effect of WMC on window glass is not affected by delaying the activation of the WMC. However, when the maximum temperature of the glass reached 90 ℃ to open water film, initial breakage time of window glass decreased.

Water mist curtain; Window glass protection; Acting time; Pressure; Water film

2017-02-16；修改日期：2017-03-06

國家重點研發(fā)計劃課題(2016YFC0800603)

譚瓊(1991-)，女，四川廣元人，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室碩士研究生，安全科學(xué)與工程專業(yè)，主要從事細水霧保護玻璃研究。

王喜世，E-mail: wxs@ustc.edu.cn

1004-5309(2017)-00107-07

10.3969/j.issn.1004-5309.2017.02.07

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