上懸窗條件下通風(fēng)控制腔室火災(zāi)溫度的實(shí)驗(yàn)研究

楊 勇，張曉磊，孫協(xié)鵬，胡隆華

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

0 引言

室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)之后，一般經(jīng)歷三個(gè)過(guò)程：第一是火災(zāi)初期增長(zhǎng)階段，此時(shí)空氣充足，燃料能夠在室內(nèi)充分燃燒，火災(zāi)處于“燃料控制階段”，即火災(zāi)的嚴(yán)重程度取決于室內(nèi)的燃料數(shù)量。第二，隨著火區(qū)的擴(kuò)大與火勢(shì)的增長(zhǎng)，火災(zāi)過(guò)渡到了充分燃燒階段。但隨著室內(nèi)氧氣的不斷消耗，造成了從燃燒室開(kāi)口進(jìn)入室內(nèi)的氧氣供給不足，此時(shí)火災(zāi)由“燃料控制階段”發(fā)展到“通風(fēng)控制階段”，通風(fēng)條件的好壞將決定室內(nèi)火災(zāi)的發(fā)展。第三，隨著燃料逐漸消耗殆盡，火災(zāi)進(jìn)入到減弱階段并緩慢熄滅[1]。腔室火災(zāi)對(duì)人的危害主要表現(xiàn)在火焰、煙氣與室內(nèi)溫度上，因此科學(xué)認(rèn)識(shí)腔室火災(zāi)內(nèi)部溫度隨火災(zāi)發(fā)展的演化規(guī)律，對(duì)于保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要的意義[2-12]。

長(zhǎng)久以來(lái)，國(guó)內(nèi)外大量的學(xué)者針對(duì)腔室室內(nèi)溫度進(jìn)行了研究。在國(guó)外McCaffrey等[2]最早提出了室內(nèi)溫度的預(yù)測(cè)公式，F(xiàn)oote等[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了強(qiáng)制通風(fēng)對(duì)于室內(nèi)溫度的影響。Deal和Beylert[4]開(kāi)展了腔室火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，基于腔室內(nèi)的能量守恒定律，結(jié)合進(jìn)出腔室的氣體質(zhì)量流率，得出了室內(nèi)溫度預(yù)測(cè)公式。Mowrer和Williamson[5]則考慮了火源在墻角或靠近邊墻時(shí)的情形，對(duì)室內(nèi)溫度模型進(jìn)行了修正。Delichatsios等[6]和Babrauskas等[7,8]則建立了適用于“燃料控制”與“通風(fēng)控制”階段的溫度模型。在國(guó)內(nèi)，張超和李國(guó)強(qiáng)[9]利用FDS開(kāi)展了建筑大空間火災(zāi)模擬，并提出了溫升的簡(jiǎn)單計(jì)算公式。Tang等[10]以?xún)A斜擋墻模擬斜坡，研究了建筑毗鄰斜坡時(shí)腔室火災(zāi)的溫度分布。Lu等[11]則開(kāi)展了有側(cè)墻影響的腔室火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，研究了不同擋墻寬度與擋墻間距對(duì)腔室火災(zāi)溫度的影響。Sun等[12]研究了平開(kāi)窗條件下不同開(kāi)窗角度的室內(nèi)溫度變化規(guī)律，并建立了室內(nèi)溫度分布模型。另外，前人還研究了環(huán)境風(fēng)對(duì)于室內(nèi)溫度的影響[13-15]。

綜上所述，前人對(duì)腔室內(nèi)部溫度分布的研究，僅考慮完全打開(kāi)的自由窗口，即墻壁上的豎直開(kāi)口。但是上懸窗在城市中普遍存在，如圖1所示。此類(lèi)窗口與完全打開(kāi)的自由窗口的通風(fēng)機(jī)制明顯不同，會(huì)明顯影響燃燒室的通風(fēng)狀況，室內(nèi)溫度的變化會(huì)受到上懸窗的尺寸和打開(kāi)角度的復(fù)雜耦合影響。本文利用1∶8的縮尺寸腔室火災(zāi)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究了上懸窗條件下發(fā)生火災(zāi)時(shí)室內(nèi)的溫度發(fā)展，分析不同上懸窗尺寸和開(kāi)窗角度情況下，“通風(fēng)控制”腔室內(nèi)部溫度的變化規(guī)律，建立適用于上懸窗的腔室火災(zāi)室內(nèi)溫度模型。

圖1 上懸窗圖Fig. 1 The top-hung window used in the urban

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖2為1∶8的縮尺寸腔室火災(zāi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[12]，燃燒室的尺寸為0.5 m×0.5 m×0.5 m，燃燒室的內(nèi)壁附有3 mm厚的陶瓷纖維板，其密度、導(dǎo)熱率、比熱分別為285 kg/m3、0.18 W/(m·K)和1 390 J/(kg·K)，熱慣性約為267 J/(m2· K·s0.5)。腔室由四個(gè)高0.5 m的支架架起，在腔室的一側(cè)墻中央設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有上懸窗的開(kāi)口，上懸窗的尺寸與開(kāi)口相同，由鋼板制成并覆蓋有3 mm厚的防火板。上懸窗的開(kāi)窗角度可通過(guò)上部鋼絲控制和調(diào)整。方形多孔氣體燃燒器(邊長(zhǎng)為0.2 m)放置在燃燒室中央作為火源，其頂部上表面與燃燒室底部齊平。用質(zhì)量流量計(jì)(精度：0.01 SLPM(每分鐘標(biāo)準(zhǔn)升))控制燃?xì)獾墓?yīng)速率，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的熱釋放速率，本實(shí)驗(yàn)采用的質(zhì)量流量計(jì)為Alicat LZB-15F，量程為250 SLPM。腔室內(nèi)布置了三個(gè)熱電偶樹(shù)，分別放置在燃燒室的內(nèi)角、中央和外角處來(lái)測(cè)量燃燒室內(nèi)部溫度，每個(gè)熱電偶樹(shù)有六個(gè)直徑為0.5 mm的K型熱電偶，六個(gè)熱電偶與燃燒室底部的距離分別為2 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm和48 cm，由上到下分別編號(hào)為1、2、3、4、5、6。位于內(nèi)角和外角的熱電偶樹(shù)距離相鄰壁面5 cm。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖Fig. 2 Experimental setup

實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。選用了三種不同尺寸的開(kāi)口，每個(gè)開(kāi)口設(shè)置四個(gè)開(kāi)窗角度θ，分別為10°、20°、30°和40°(如圖2)。表1中同時(shí)給出了實(shí)驗(yàn)所用的火源功率，由于不同開(kāi)口和不同角度的實(shí)驗(yàn)達(dá)到“通風(fēng)控制”的功率不同，因此不同窗口條件下的火源功率范圍有所差異，以保證有較多的實(shí)驗(yàn)工況處于“通風(fēng)控制”條件下。在測(cè)量數(shù)據(jù)之前每組工況維持15 min燃燒，以保證達(dá)到燃燒穩(wěn)定狀態(tài)，溫度分析采用的是15 min后穩(wěn)定燃燒的時(shí)間段。所有實(shí)驗(yàn)工況重復(fù)三次，平均值用于數(shù)據(jù)分析，其相對(duì)不確定度(2σ/平均值)在95%置信度下均小于7%，σ為三次實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差。

表1 實(shí)驗(yàn)工況表

2 結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)溫度的發(fā)展

圖3給出了上懸窗典型工況(開(kāi)口尺寸為25 cm×25 cm、角度40°、火源功率為73.92 kW)燃燒穩(wěn)定階段室內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。從圖3可以看出，瞬態(tài)室內(nèi)溫度基本保持不變，達(dá)到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)。中心位置最下端的熱電偶距離燃燒器上表面非常近，從燃燒器出來(lái)的燃料溫度相對(duì)較低，同時(shí)，該區(qū)域燃料相對(duì)富足(“fuel-rich”)，燃燒強(qiáng)度偏低，導(dǎo)致該位置的溫度相對(duì)略低[16]。本文主要研究室內(nèi)燃燒穩(wěn)定階段的溫度發(fā)展。

圖3 穩(wěn)定階段室內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化Fig. 3 Gas temperature inside the fire compartment versus time at steady state

圖4給出了三種不同開(kāi)口尺寸，開(kāi)窗角度為10°、20°、30°和40°時(shí)室內(nèi)溫度隨總火源功率的變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn)：

(2)通過(guò)比較同一開(kāi)口在不同開(kāi)窗角度下的室內(nèi)溫度隨功率變化圖，可以發(fā)現(xiàn)隨著開(kāi)窗角度的增大，室內(nèi)火災(zāi)處于“燃料控制”階段的火源功率越大。這是因?yàn)?，開(kāi)窗角度影響著腔室的通風(fēng)條件，開(kāi)窗角度越大，通風(fēng)條件越好，進(jìn)入腔室的氧氣越多，從而使在室內(nèi)燃燒的燃料越多，達(dá)到“通風(fēng)控制”的火源功率則越大。

從圖4中可以看出，“通風(fēng)控制”條件下不同位置熱電偶測(cè)量的室內(nèi)溫度整體趨于一致，測(cè)量數(shù)值基本趨于穩(wěn)定，這種趨勢(shì)與前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[12,17]。因此，以“通風(fēng)控制”條件下熱電偶測(cè)量溫度數(shù)據(jù)的平均值，作為“通風(fēng)控制”條件下室內(nèi)溫度值，其隨開(kāi)窗角度的變化如圖5所示，從圖5中可以發(fā)現(xiàn)：(1)“通風(fēng)控制”下，同一尺寸開(kāi)口情況下室內(nèi)溫度隨開(kāi)窗角度的增大而升高；(2)“通風(fēng)控制”下，同一開(kāi)窗角度，室內(nèi)溫度隨開(kāi)口尺寸的增大而升高。

圖4 室內(nèi)溫度隨總火源功率的變化Fig. 4 Temperature inside the compartment versus total heat release rate

2.2 考慮上懸窗開(kāi)口尺寸和開(kāi)窗角度的通風(fēng)控制腔室火災(zāi)溫度模型

經(jīng)過(guò)前面分析我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，上懸窗條件下室內(nèi)溫度依賴(lài)于開(kāi)口的尺寸和開(kāi)窗角度。Tang等[17]曾開(kāi)展自由開(kāi)口條件下室內(nèi)溫度的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)燃燒室內(nèi)部的溫升量ΔTg由燃燒室內(nèi)的熱釋放和有效熱損失控制的能量平衡決定，并給出了以下方程：

圖5 不同尺寸開(kāi)口在通風(fēng)控制條件下室內(nèi)溫度隨開(kāi)窗角度的變化Fig. 5 Variation of temperature inside the under-ventilated fire compartment with a top-hung window for various window dimensions with opening angles

(1)

上懸窗“通風(fēng)控制”條件下，燃燒室內(nèi)的溫升也由燃燒室內(nèi)的熱釋放和有效熱損失控制的能量平衡決定，且在上懸窗條件下，由于上懸窗的阻擋，腔室的煙氣從上懸窗與腔室壁面形成的兩側(cè)三角形通道中流出(圖2)，因此結(jié)合自由開(kāi)口下的溫升方程給出以下方程：

(2)

圖6 通風(fēng)控制條件下不同尺寸開(kāi)口在不同開(kāi)窗角度下室內(nèi)溫升模型Fig. 6 A model on temperature rise inside the under-ventilated fire compartment with a top-hung window for various window dimensions with opening angles

3 結(jié)論

本文利用1∶8的縮尺寸腔室火災(zāi)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，開(kāi)展了上懸窗不同尺寸、不同開(kāi)窗角度條件下，通風(fēng)控制腔室火災(zāi)室內(nèi)溫度發(fā)展的實(shí)驗(yàn)研究，主要的研究發(fā)現(xiàn)和結(jié)論包括：

(1)通風(fēng)控制條件下腔室火災(zāi)室內(nèi)溫度隨上懸窗開(kāi)窗角度的增大而增加，同一開(kāi)窗角度下，腔室內(nèi)的溫度隨開(kāi)口尺寸的增大而增大。

(2)分析了上懸窗開(kāi)口尺寸和開(kāi)窗角度對(duì)通風(fēng)條件的影響，耦合這兩個(gè)因素，提出了上懸窗條件下通風(fēng)控制腔室火災(zāi)溫度的模型。