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常见可燃物变热流辐射引燃特性实验研究
引言
火灾中的可燃物材料可分为可燃气体、可燃液体和可燃固体三种，其中固体燃料的燃烧占有主导地位，因此，固体可燃物的燃烧一直是火灾安全科学领域研究的重要课题[1]。着火是燃烧的初始阶段，是火灾的最主要过程之一。在对火灾的危险性进行分析时，可燃材料的着火时间是最重要的参数之一。从某种程度上讲，对可燃物的着火进行深入研究，是对随后发生的火灾发展和蔓延过程进行模拟的关键所在，也为接下来对火灾危险性的降低和火灾险情的控制提供了一定的理论基础。
固体可燃物的燃烧是一种复杂的化学物理过程，而火灾环境又是多变的，因此，要科学的认识火灾，评估各种建筑物的安全状况，预测火灾发生、发展、蔓延的情况，就必须研究在不同工况下固体可燃物主要性质的变化。尽管迄今为止，国内外学者对固体可燃物着火已经做了大量的研究，并取得了丰富的研究成果，但对于固体可燃物的许多实验和理论工作多是在外部热流为恒定值条件下进行的，而实际火灾均经过着火、蔓延，直至发生轰燃的过程，在这一过程中，可燃物受到的热辐射是不断变化的，因此，固体可燃物在变热流条件下的点燃更具有普遍性，研究在变热流条件下固体可燃物的着火特性对火灾安全科学具有重要意义[2 3]。R.Bilbao[4]曾对变化热流条件下木材的着火性能进行了研究，在他的实验中，变化的热流是随时间下降的热流，这与实际火灾情况存在很大的不同，本文实验采用更切合实际的线性上升辐射热流。基于上述原因，在本文中将对热厚性固体可燃物木材和热薄性固体可燃物窗帘以及棉布，在变热流条件下的着火进行实验研究，通过对实验现象、数据进行分析得出相应的结论。
1 实验方法
1.1 实验仪器
实验研究在我校的“变热流条件下材料着火实验台”上完成。实验系统如图1 所示：
1.2 实验原理
实验系统的工作原理如所示：
1.3 实验材料的处理
实验中将木材试样统一加工成78mm×78mm×24mm 的小方块，因为受热方向与纹理方向的关系会对木材的着火过程产生影响，二者之间的关系典型的有沿着纹理方向加热和沿垂直纹理方向加热[5]，Vyas[6]等人对木材的纹理方向对着火的影响进行了研究，他们指出由于木材在不同方向的导热性能不同，沿纹理方向加热时着火的发生早于垂直于纹理方向加热，在本文实验中，木块的受热方向都是垂直于纹理方向的。为了尽量保证实验中木块只有上表面受到热辐射，4 个侧面和底面基本处于绝热状态，从而可以简化为一维传热问题，在实验前需要对木材的侧面和底面用铝箔做绝热处理。测量木材内部温度时，垂直于受热表面方向每隔5mm 布置一个热电偶，两边各2 个，共布置4 个热电偶。
通常将实验材料——窗帘以及棉布做成100mm×100mm 的正方形试样，考虑到材料受热燃烧时燃烧表面可能会发生翘曲，使得燃烧表面积发生变化或者使受热表面受到额外的热辐射而影响实验结果，实验中需用一种不锈钢网栅进行压覆。
测量表面温度时，试样表面布置2 个热电偶，底面布置1 个。
1.4 选择辐射源的输出功率
根据辐射热流量的标定，可以选择15%、20%、30%、40%、50%、70%和90%的热流功率。为不同加热功率下的热流标定曲线的汇总。
2 实验结果及分析
实验中没有采用任何附加的导向点火装置，即实验材料是自然着火的。
2.1 着火时间与热流变化速率
材料在不同热流条件下的着火时间直接说明了其着火性能。实验中不同加热功率下的最大加热时间与热流通量标定实验的时间对应。若材料被加热至标定时间后着火还不能发生，则认为其在该热流条件下不能着火。
为不同热流条件下木材的着火时间，为不同热流条件下棉布与窗帘的着火时间。
实验发现，在不同热流变化速率下，木材、窗帘和棉布的着火时间变化趋势一致，它们的着火时间随着热流变化速率的降低而增加。对于木材，当热流变化速率为0.015kW（/ m2·s），加热持续1200s 着火没有发生，因此判断当热流变化率小于0.015kW/（m2·s）时，热自燃不能发生；对于窗帘和棉布，当热流变化速率为0.05325kW/（m2·s），加热持续700s 着火没有发生，因此判断当热流变化率小于0.0532 kW/（m2·s）时，材料热自燃不能发生；考虑到影响材料着火的不确定性因素很多，如辐射热流通量的标定划分的不够精密，要想精确确定材料着火的临界热流变化速率很困难。因此这里将0.015kW/（m2·s）和0.0532 kW/（m2·s）分别定义为木材和窗帘、棉布热自燃发生的临界热流变化速率。
将实验材料的着火时间与热流变化速率之间的关系进行分析，发现二者能够很好的符合幂函数关系，如表2。其中x 代表热流变化速率，y 代表着火时间。
2.2 质量损失与热流变化速率
实验发现，材料的质量损失与热流变化速率有关。不同热流条件下的质量变化不同。着火发生前，热流变化速率越高，质量损失速率越大，这是因为当热流变化速率较高时，温度上升迅速，同一时刻由于热解导致的质量损失较大；着火发生时，热流变化速率越高，总的质量损失越小，这主要是因为热流变化速率大时，着火需要的时间变短。但无论热流变化速率大小，着火发生时都会对应一个质量的突然减小。为热流变化速率为0.2366 和0.0532kW/（m2·s）时的木块质量变化。
2.3 着火时温度与热流变化速率
2.3.1 着火时表面温度
通过实验，热厚性与热薄性材料表面温度变化趋势一致。随着加热的进行，温度逐渐升高，然后会出现一个突变，此时对应着火发生。热流变化率越大，温度上升速率越快，峰值也越大。
实验还发现，随着热流变化速率的升高热厚性与热薄性材料的着火温度均降低，这主要是因为当热流变化速率较高时，着火时间变短，材料表面的受热时间变短；当热流变化速率较低时，着火时间变长，这主要是因为燃烧所需的条件之一——可燃气体的浓度达到燃烧条件后的很长一段时间里，温度还不能达到燃烧条件，此时可以观察到着火发生前有大量的烟产生。图8 为不同热流变化速率下木材着火的表面温度。
2.3.2 热厚性材料——木材的内部温度
木块内部温度的变化直接影响木材内部热解。随着加热时间的进行，热量由表面逐渐传递到内部。与表面的距离越大，受到加热的影响越晚。如图9 所示：
随着热流变化速率增大，着火时间变短，着火发生时，木块内部受到外加热流的影响的程度越小。
3 结论
本文对线性上升热流条件下固体可燃物的着火问题进行了实验研究。相比恒定热流条件，变热流条件更接近于实际火灾情况。通过实验观察分析，得到如下结论：
1）固体可燃物的着火时间随着加热功率的降低而增加；得出了木材、窗帘和棉布热自燃发生的临界热流变化速率；对木材、窗帘和棉布的着火时间与热流变化速率之间的关系进行分析，发现二者能够很好的符合幂函数关系。
2）固体可燃物的质量损失与热流变化速率有关，不同热流条件下固体可燃物的质量变化不同。着火发生前，热流变化速率越高，质量损失速率越大。着火发生时，热流变化速率越高，固体可燃物的总的质量损失越小。但无论热流变化速率大小，着火发生时都会对应一个失重速率的突变。
3）不同热流条件下，着火发生前表面温度上升速率不同。热流变化速率越高，表面温度升高越快。但随着热流变化速率的升高着火温度降低。
4）对于热厚性材料——木材，随着加热时间的进行，热量由表面逐渐传递到内部，与表面的距离越大，受到加热的影响越晚。随着热流变化速率增大，着火发生时间变短，着火发生时，内部受到外加热流的影响的程度越小，热量向内部传递的距离变短。
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[参考文献] (References)
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[2] CHENG Yuanping, LI Zenghua. Fire Control Engineering [M].Xuzhou: China University of Mining andTechnology press, 2002.
[3] 刘江虹，廖光煊，范维澄,等.典型固体可燃物燃烧特性的实验研究[J].中国科学技术大学学报,2002,12(6)
[4] LIU Jianghong, LIAO Guangxuan, FAN Weicheng, et al. An Experimental Study on Burning Properties ofTyhttps://p.9136.com/28bustibles [J]. Journal of University of Science and Technology of China, 2002, 12(6)
[5] 陈晓军，季经纬，杨立中,等.外加辐射热流作用下木材的热解与着火的预测模型[J].火灾科学,2002，11(3)：147～151.
[6] CHEN Xiaojun, JI Jingwei, YANG Lizhong, et al. Mathematical Model for Prediction of Pyrolysis andIgnition of Wood under External Heat Flux [J].Fire Safety Science, 2002，11(3)：147～151.
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[10] Vyas, R.J., Welker, J.R., End-Grain Ignition of Wood [J]. J. Fire & Flammability, 1975, 6: 355～361.
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