水膜預(yù)濕行為對(duì)典型保溫材料燃燒抑制實(shí)驗(yàn)研究*

趙恒澤，李 曄，齊藝裴，董軒萌，溫志超

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

0 引言

高層建筑外立面保溫材料存在火災(zāi)隱患。噴淋滅火技術(shù)是目前抑制高層建筑火災(zāi)最有效的技術(shù)手段之一，受目前消防滅火技術(shù)的限制，高層建筑發(fā)生火災(zāi)主要在于主動(dòng)預(yù)防。一旦發(fā)生火災(zāi)，保護(hù)未燃區(qū)域不受損害是防止形成立體火的重要手段之一。因而，探索噴淋形成水膜的預(yù)濕行為對(duì)外立面保溫材料燃燒抑制機(jī)理對(duì)設(shè)計(jì)、建立、優(yōu)化高效的水噴淋滅火系統(tǒng)具有重要意義。

噴淋對(duì)豎向材料熱解燃燒抑制影響實(shí)驗(yàn)研究多集中于噴淋直接作用于燃燒著的材料表面。Tamanini[1]采用側(cè)向水噴霧直接作用于懸空放置的豎向木板火的熱解區(qū)域，研究噴淋對(duì)其燃燒的抑制特性。Magee等[2]對(duì)外加輻射強(qiáng)度作用下的豎向塑料火進(jìn)行噴淋抑制實(shí)驗(yàn)，得到不同外加輻射作用下抑制豎向塑料火燃燒的臨界噴淋流率。Xin等[3]對(duì)豎直放置的卷紙火進(jìn)行抑制實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于光滑卷紙表面，噴淋產(chǎn)生的水膜形成的溝流較多。楊健鵬[4]將水噴淋施加位置拓展到預(yù)熱區(qū)，但是并沒(méi)有考慮噴淋預(yù)濕形成的水膜對(duì)豎向膠合板和聚氨酯海綿熱解的抑制作用。隨后，周勇[5]對(duì)側(cè)向水噴霧抑制不同厚度豎向杉木板熱解燃燒進(jìn)行研究，得到不同厚度杉木板的臨界噴淋流率。趙蘭明[6-7]研究噴淋角度對(duì)豎向有機(jī)玻璃燃燒抑制的影響規(guī)律，并對(duì)水幕噴頭形成的水膜狀態(tài)在外墻上分布進(jìn)行研究。Zhao等[8-9]研究水噴淋直接作用于豎向硬質(zhì)聚氨酯保溫材料熱解區(qū)時(shí)，噴淋流率、角度對(duì)其燃燒的抑制規(guī)律，并開(kāi)展外加輻射強(qiáng)度下水噴淋對(duì)硬質(zhì)聚氨酯材料燃燒抑制作用實(shí)驗(yàn)。而針對(duì)水膜高效率傳熱影響多集中于水膜對(duì)金屬板或玻璃的降溫。Zhu等[10]對(duì)不同溫度水膜冷卻鋁合金板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。Costa等[11]研究不同環(huán)境壓力下水噴淋對(duì)豎向熱金屬板表面的降溫效率。張薔[12]構(gòu)建弧形平板降膜流動(dòng)與傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái),開(kāi)展不同水膜入口流量與不同加熱溫度工況下的降膜流動(dòng)與傳熱實(shí)驗(yàn)。官鈺希等[13]認(rèn)為玻璃表面能否形成連續(xù)穩(wěn)定的水膜是玻璃不會(huì)破裂的關(guān)鍵。Meredith等[14]對(duì)外加輻射作用下光滑不銹鋼表面的水膜流動(dòng)狀態(tài)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，得到不銹鋼表面水膜完全蒸發(fā)時(shí)外加輻射強(qiáng)度與臨界水膜流率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，水噴淋對(duì)材料燃燒抑制研究存在不足。前人多集中于噴淋直接作用于材料熱解區(qū)時(shí)噴淋抑制作用和水膜對(duì)金屬板或玻璃的降溫作用研究，對(duì)噴淋形成水膜的預(yù)濕行為抑制保溫材料燃燒研究較少。

噴淋形成的水膜在豎向材料表面流動(dòng)的表現(xiàn)形式分為4種：水膜連續(xù)區(qū)域、溝流、干斑以及孤立的濕潤(rùn)區(qū)域[14]，如圖1所示。水膜預(yù)濕行為是為了材料表面僅出現(xiàn)水膜連續(xù)區(qū)域，在外界輻射作用下，由于水膜蒸發(fā)作用，在原來(lái)水膜連續(xù)區(qū)域會(huì)出現(xiàn)干斑、溝流及孤立濕潤(rùn)區(qū)域。本文以典型外保溫材料聚苯乙烯(PS)為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)研究不同外加輻射強(qiáng)度下，水膜流率對(duì)保溫材料表面水膜出現(xiàn)干斑、材料發(fā)生變形和熔融的影響規(guī)律。其中，PS材料表面水膜連續(xù)區(qū)域是否出現(xiàn)干斑及其溫度是否達(dá)到PS材料熔融熱解溫度是水膜預(yù)濕行為成敗的關(guān)鍵。

圖1 水膜在豎直固體材料表面表現(xiàn)形式Fig.1 Manifestation of water film on surface of vertical solid material

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

水膜預(yù)濕抑制保溫材料燃燒實(shí)驗(yàn)裝置，如圖2所示，包括水膜形成系統(tǒng)和外加輻射系統(tǒng)。水膜形成系統(tǒng)固定于鋁型材支架上。為了實(shí)驗(yàn)初始條件材料表面僅出現(xiàn)水膜連續(xù)區(qū)域，本文選用溢流式液箱作為儲(chǔ)水容器，液箱中下部設(shè)有進(jìn)水管口。進(jìn)水流率通過(guò)微型計(jì)量泵(德國(guó)SERA隔膜式計(jì)量泵，流率范圍為0～25 L/h)控制。液箱與PS材料的放置位置如圖3(a)所示。其中，液箱設(shè)有平滑曲面液坡，且其曲面保證與PS材料相切。在PS材料下方區(qū)域設(shè)置接水裝置，且在其下方存在排水口。PS材料尺寸為350 mm×550 mm。保溫材料用鋁型材夾持豎向固定在鋁型材架上。保溫材料內(nèi)部距離表面約2 mm處設(shè)置K型熱電偶(直徑為0.5 mm)，其分布如圖3(b)所示。

圖2 水膜預(yù)濕抑制保溫材料燃燒實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental device for combustion suppression of thermal insulation material by water film pre-wetting

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental device

外加輻射系統(tǒng)由2塊紅外輻射板(OMEGALUX，尺寸:300 mm×300 mm)、2臺(tái)單相調(diào)壓器及2臺(tái)電壓數(shù)字顯示器連接組成。通過(guò)調(diào)節(jié)電壓控制輻射板內(nèi)部溫度，從而控制外加輻射強(qiáng)度，內(nèi)部溫度通過(guò)K型熱電偶(直徑為0.5 mm)測(cè)得，采用高精度熱流傳感器(GARDON GTT-25-50-RWF)來(lái)測(cè)定輻射強(qiáng)度。在距離PS材料表面約3 m處放置紅外熱像儀(FLIR THERMACAM SC3000)，并固定于支架上，記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程，2塊熱輻射板呈90°放置，具體位置及實(shí)驗(yàn)分別如圖3(c)～(d)所示。水膜預(yù)濕抑制保溫材料燃燒實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，僅對(duì)PS材料中部熱電偶放置區(qū)域采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 輻射強(qiáng)度

2.1.1 輻射強(qiáng)度均勻性

在水膜預(yù)濕抑制豎向保溫材料燃燒實(shí)驗(yàn)中，為保證保溫材料表面接收到的輻射強(qiáng)度具有均勻性，對(duì)保溫材料中部區(qū)域，即內(nèi)部熱電偶所在位置處輻射強(qiáng)度的均勻性進(jìn)行探究。當(dāng)輻射板控制電壓分別為50，80，110 V，內(nèi)部溫度達(dá)到276，439，570 ℃時(shí)，用小型長(zhǎng)臂夾將輻射熱流計(jì)放于12個(gè)熱電偶位置分別測(cè)定實(shí)時(shí)輻射強(qiáng)度。計(jì)算不同電壓下12個(gè)點(diǎn)位的輻射強(qiáng)度均值分別為0.467 94，2.156 57，4.733 60 kW/m2；方差分別為0.001 242，0.002 759和0.006 439?？梢?jiàn)，12個(gè)點(diǎn)位處的輻射強(qiáng)度方差值均遠(yuǎn)小于0.01，因此，在12個(gè)點(diǎn)位處，輻射強(qiáng)度分布均勻。所以材料中心處的輻射強(qiáng)度可表征輻射板中間區(qū)域范圍內(nèi)的輻射強(qiáng)度。

2.1.2 輻射強(qiáng)度標(biāo)定

分別采集控制電壓下的熱輻射板內(nèi)部最高溫度及對(duì)應(yīng)的材料表面最大輻射強(qiáng)度(中心處輻射強(qiáng)度)進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。輻射板內(nèi)部最高溫度和最大輻射強(qiáng)度隨控制電壓增大而升高，且隨控制電壓逐漸升高，最高溫度的上升速率逐漸減小，而最大輻射強(qiáng)度上升速率逐漸增大。后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，只需要根據(jù)輻射板內(nèi)部溫度情況，就可以判斷外加輻射強(qiáng)度。

圖4 最高溫度和最大輻射強(qiáng)度Fig.4 Maximum temperature and maximum radiation heat flux

2.2 水膜預(yù)濕抑制豎向保溫材料燃燒實(shí)驗(yàn)

2.2.1 形成水膜的最小流率

當(dāng)無(wú)外加輻射、無(wú)水膜存在時(shí)，保溫材料表面溫度分布均勻，如圖5(a)所示。當(dāng)水膜流率分別為25，20，15，10 L/h時(shí)，隨著水膜流率減小，雖然保溫材料左側(cè)和右側(cè)溫度與中部區(qū)域有差別，但是中部區(qū)域溫度穩(wěn)定，水膜分布均勻，符合實(shí)驗(yàn)條件，如圖5(b)～(e)所示。當(dāng)水膜流率為5 L/h時(shí)，中部區(qū)域已經(jīng)很難形成水膜，如圖5(j)所示。當(dāng)水膜流率小于10L/h時(shí)發(fā)現(xiàn)材料兩側(cè)溫度與中部區(qū)域溫度明顯不同，且隨著水膜流率的減小兩側(cè)溫度范圍不斷擴(kuò)大，中部溝流明顯，不符合實(shí)驗(yàn)條件，如圖5(f)～(i)所示。因此，本實(shí)驗(yàn)中選取的水膜流率范圍為10～25 L/h。

圖5 不同水膜流率下材料表面紅外溫度分布Fig.5 Infrared temperature distribution of material surface under different water film flow rates

2.2.2 最小外加輻射強(qiáng)度

為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性，在實(shí)驗(yàn)前需要找出最小水膜流率為10 L/h時(shí)，能使PS材料表面發(fā)生狀態(tài)變化的最小輻射強(qiáng)度。首先確定材料表面水膜出現(xiàn)干斑、發(fā)生變形和熔融的溫度分別為40，85，135 ℃[15]；然后依據(jù)各組實(shí)驗(yàn)情況分別設(shè)置紅外熱像儀配套軟件上紅外圖中的最大刻度值，即發(fā)生相應(yīng)狀態(tài)改變的溫度，超過(guò)該最大刻度值紅外圖中顯示白色；最后根據(jù)紅外圖中白色斑點(diǎn)來(lái)確定PS材料表面水膜是否出現(xiàn)干斑、材料是否發(fā)生變形和熔融。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)外加輻射電壓為40 V時(shí)，即使施加最小水膜流率10 L/h，PS材料表面水膜亦無(wú)出現(xiàn)干斑。當(dāng)外加輻射電壓為50 V時(shí)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中材料表面水膜可形成干斑，測(cè)試結(jié)束時(shí)部分區(qū)域溫度甚至超過(guò)PS材料的熔融溫度。因此，實(shí)驗(yàn)從控制電壓50 V開(kāi)始逐漸升壓測(cè)試，每組電壓下，水膜流率(10～25 L/h)從大到小依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)外加輻射控制電壓為90 V時(shí)，即PS材料表面的輻射強(qiáng)度達(dá)到2.93 kW/m2時(shí)，即使水膜流率為25 L/h，材料表面亦立即發(fā)生熔融，可見(jiàn)外加輻射控制電壓90 V不再符合實(shí)驗(yàn)條件。所以，本實(shí)驗(yàn)中選取的外加輻射控制電壓范圍為50～80 V。

2.2.3 保溫材料最終狀態(tài)面積分布

采用MATLAB對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的紅外圖像中部水膜區(qū)域進(jìn)行像素計(jì)算。以外加輻射電壓為80 V，水膜流率分別為10，15，20，25 L/h時(shí)的熔融面積占比為例，首先設(shè)置紅外熱像儀配套軟件中紅外圖中的最大刻度值135 ℃，得到熔融溫度分布，如圖6所示，然后采用MATLAB提取目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的白色像素點(diǎn)與總像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，即可計(jì)算出不同工況下該P(yáng)S材料區(qū)域材料發(fā)生熔融的面積占比。

圖6 熔融溫度分布Fig.6 Distribution of melting temperature

材料表面水膜出現(xiàn)干斑、材料發(fā)生變形和熔融區(qū)域的面積占比與無(wú)量綱輻射強(qiáng)度的關(guān)系如圖7所示。當(dāng)控制電壓為50 V，只有水膜流率小于16 L/h時(shí)PS材料表面才會(huì)出現(xiàn)干斑。當(dāng)控制電壓為60 V，水膜流率為24，25 L/h時(shí)PS材料表面只出現(xiàn)干斑；水膜流率處于19～23 L/h范圍，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)PS材料表面均出現(xiàn)變形；水膜流率位于10～18 L/h范圍，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)PS材料表面均形成熔融。同時(shí)可得出，材料表面水膜出現(xiàn)干斑、材料發(fā)生變形和熔融區(qū)域的面積占比與無(wú)量綱輻射強(qiáng)度呈正相關(guān)，無(wú)量綱輻射強(qiáng)度與2 min相應(yīng)面積占比的散點(diǎn)圖在類(lèi)似三角形范圍內(nèi)。三角形最左邊為水膜出現(xiàn)干斑的面積占比，最右邊為PS材料出現(xiàn)熔融的面積占比。

圖7 2 min時(shí)干斑、變形、熔融面積與關(guān)系Fig.7 Relationship of dry patch,deformation and melting area with at 2 min

2.2.4 保溫材料內(nèi)部溫度分布

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，PS材料內(nèi)部溫度始終處于上升狀態(tài)，因此，PS材料在受到外界火焰輻射時(shí)，會(huì)有很高的火災(zāi)危險(xiǎn)性。根據(jù)材料表面發(fā)生狀態(tài)變化的時(shí)刻及此刻材料內(nèi)部熱電偶所測(cè)的溫度，得出待測(cè)PS材料表面出現(xiàn)干斑、發(fā)生變形和熔融時(shí)，所插熱電偶處保溫材料內(nèi)部的平均溫度分別約為33，40，42 ℃。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)不同控制電壓、不同水膜流率下的12點(diǎn)位溫度曲面和12點(diǎn)位最高溫度云圖分別如圖8(a)～(b)所示。在相應(yīng)外加輻射強(qiáng)度和水膜流率下測(cè)得的12點(diǎn)位溫度基本在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，說(shuō)明PS材料表面接收熱輻射強(qiáng)度均勻，從而驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性。當(dāng)控制電壓為50 V，水膜流率較大時(shí)，溫度上升不明顯。隨著水膜流率減小，如水膜流率為10 L/h時(shí)，溫度發(fā)生突然上升，說(shuō)明此區(qū)域的PS保溫材料發(fā)生了形態(tài)變化。這與上述外加輻射控制電壓為50 V，水膜流率為10 L/h時(shí)，PS材料表面最終出現(xiàn)熔融相對(duì)應(yīng)。當(dāng)外加輻射強(qiáng)度不變時(shí)，水膜流率越小，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)溫度上升越快越高。外加輻射強(qiáng)度越大，水膜流率越小，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)PS材料表面水膜越容易形成干斑、材料表面越易發(fā)生變形和熔融。

圖8 2 min時(shí)保溫材料所插熱電偶處溫度Fig.8 Temperature of thermocouples embedded in thermal insulation material at 2 min

2.2.5 保溫材料狀態(tài)變化所需時(shí)間分析

為研究水膜流率對(duì)保溫材料表面發(fā)生狀態(tài)改變的影響規(guī)律，將每個(gè)控制電壓下的PS材料狀態(tài)發(fā)生變化所需時(shí)間依次統(tǒng)計(jì)。并采用無(wú)量綱時(shí)間t/t0與無(wú)量綱輻射強(qiáng)度進(jìn)行分析。其中，t表示PS材料表面發(fā)生形態(tài)變化所需的時(shí)間；t0表示實(shí)驗(yàn)開(kāi)始到結(jié)束的時(shí)間，即2 min。

圖9 材料表面出現(xiàn)干斑tD/t0與關(guān)系Fig.9 Relationship between tD/t0 and when dry patch appear on material surface

圖10 材料表面出現(xiàn)變形tT/t0與關(guān)系Fig.10 Dimensionless tT/t0 and for deformation

圖11 材料表面出現(xiàn)熔融tM/t0與關(guān)系Fig.11 Relationship between tM/t0 and when melting appear on material surface

總之，外加輻射控制電壓越高，即外界熱輻射強(qiáng)度越大，或水膜流率越小時(shí)，PS材料表面水膜越容易形成干斑、材料表面越易發(fā)生變形和熔融。本實(shí)驗(yàn)條件下，PS材料表面水膜出現(xiàn)干斑、材料表面發(fā)生變形及熔融的臨界無(wú)量綱輻射強(qiáng)度分別為0.002 0，0.002 6，0.003 3。

保溫材料表面發(fā)生形態(tài)變化時(shí)的臨界水膜流率和對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度見(jiàn)表1。Meredith等[14]得出無(wú)量綱輻射強(qiáng)度=1時(shí)，光滑不銹鋼表面的水膜完全蒸發(fā)。而事實(shí)上，可燃保溫材料表面一旦出現(xiàn)干斑，意味著水膜保護(hù)失敗，無(wú)需完全蒸發(fā)。由表1可知，無(wú)量綱輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)小于1時(shí)，PS材料表面水膜會(huì)出現(xiàn)干斑、材料會(huì)發(fā)生變形和熔融。

表1 臨界水膜流率、臨界輻射強(qiáng)度及臨界無(wú)量綱輻射強(qiáng)度Table 1 Critical water film flow rate, critical radiation heat flux and critical dimensionless radiation heat flux

3 結(jié)論

1)通過(guò)分析PS材料表面水膜及材料發(fā)生的形態(tài)變化面積占比，發(fā)現(xiàn)PS材料表面水膜出現(xiàn)干斑、材料發(fā)生變形和熔融區(qū)域的面積占比隨無(wú)量綱輻射強(qiáng)度增大而增大，且散點(diǎn)圖基本聚集在三角形范圍內(nèi)。

2)通過(guò)分析材料表面內(nèi)部熱電偶測(cè)得的溫度，得到當(dāng)外加輻射強(qiáng)度不變時(shí)，水膜流率越小，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)溫度上升越快越高。外加輻射強(qiáng)度越大，水膜流率越小，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)PS材料表面水膜越容易形成干斑、材料表面越易發(fā)生變形和熔融。