徐曉楠，余瑩瑩，施照成

（中國人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院消防工程系，河北 廊坊065000）

0 前言

PVC是繼鋼材、木材、水泥之后的第四大類建筑材料，在建筑、裝飾領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但是，PVC燃燒時(shí)產(chǎn)生濃煙及其毒性，給火災(zāi)的撲救、人員疏散帶來極大的困難。PVC受到火場作用后，外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成一些特殊痕跡，表現(xiàn)為顏色和燒損破壞程度的區(qū)別。這些特殊變化痕跡與火災(zāi)溫度、燃燒持續(xù)時(shí)間、起火部位位置存在著對(duì)應(yīng)變化的規(guī)律和聯(lián)系[1-2]。這些燃燒留下的圖痕是火災(zāi)過程中客觀記錄火源、起火點(diǎn)、蔓延方向、燃燒速率的一種符號(hào)語，研究這些痕跡的形成規(guī)律及機(jī)理能更客觀、準(zhǔn)確地認(rèn)定起火原因[3]。由于火災(zāi)現(xiàn)場具有破壞性、復(fù)雜性和因果關(guān)系的隱蔽性，給火災(zāi)調(diào)查工作帶來了極大的困難，而數(shù)值模擬技術(shù)可以還原火災(zāi)場景，再現(xiàn)火災(zāi)中最真實(shí)的發(fā)生發(fā)展過程，成為火災(zāi)調(diào)查工作中的一種新興技術(shù)。李一涵[4]對(duì)FDS源代碼進(jìn)行了改進(jìn)，利用改進(jìn)后的程序計(jì)算火災(zāi)過程中壁面熱解形成的圖痕，并通過數(shù)值重構(gòu)方法計(jì)算驗(yàn)證了河北唐山“2·18電子游戲廳特大火災(zāi)”的火災(zāi)燃燒痕跡的形成。姜蓬[5]通過分析火災(zāi)煙氣在壁面黏附的機(jī)理，研究火場中煙氣顆粒的受力模型，建立了煙熏圖痕預(yù)測模型，并通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性。但是，目前國內(nèi)外利用數(shù)值重構(gòu)技術(shù)研究PVC板熱蝕痕跡的鮮見報(bào)道。

本文結(jié)合熱蝕痕跡的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了在不同的火源熱釋放速率、燃燒時(shí)間、火源位置的工況下PVC板熱蝕痕跡的實(shí)驗(yàn)，并將PVC板熱蝕痕跡的半物理預(yù)測模型與FDS源程序耦合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)的重構(gòu)，驗(yàn)證了模型的有效性，說明該技術(shù)可以對(duì)火場中PVC板熱蝕痕跡進(jìn)行還原，與其他人證、物證相結(jié)合，對(duì)證據(jù)鏈的形成起到支持作用。

1 PVC板熱蝕痕跡預(yù)測模型

1.1 模型的建立

由量綱分析法，利用影響壁面熱蝕痕跡的4個(gè)重要因素[6]:壁面接收的凈熱通量（q·″net）、壁面附近溫差（ΔT）、火源的幾何位置（包括火源距壁面的水平距離（l）及壁面內(nèi)各點(diǎn)與火源在壁面內(nèi)投影點(diǎn)的斜線距離（h）、材料的熱分解溫度（Td）建立半物理模型，得到單位面積壁面材料表面在單位時(shí)間內(nèi)接收到的熱量q·″，如式（1）所示：

式中 K:材料因子，表征材料本身的性質(zhì)，如可燃性、阻燃性等，對(duì)于同種材料K為常數(shù)

Tg:壁面附近熱煙氣溫度，K

Tw:壁面溫度，K

ΔT:壁面附近熱煙氣溫度與壁面溫度之差，K

Td:壁面材料的熱分解溫度，K

q·″net:壁面接收的凈熱通量，W/m2

X、Y、Z:網(wǎng)格的坐標(biāo)，m

Xfire、Yfire、Zfire:火源中心的坐標(biāo)，m

τ、γ:待定系數(shù)，需根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果調(diào)整確定

對(duì)式（1）進(jìn)行時(shí)間的積分，得到t時(shí)刻單位面積壁面材料表面的熱負(fù)荷（熱負(fù)荷的大小用以表征痕跡的深淺程度[6]）隨時(shí)間的變化，如式（2）所示：

PVC板常用作壁面材料，其熱蝕痕跡預(yù)測模型可采用式（2）。

1.2 模型的嵌入

FDS源程序中共包含26個(gè)文件，將式（2）在Visual Studio 2005操作環(huán)境下嵌入FDS源程序中，經(jīng)過不斷調(diào)試，PVC塑料板熱蝕痕跡半物理預(yù)測模型與FDS源程序耦合，編譯出新的FDS程序，使該程序能夠計(jì)算并顯示PVC塑料板熱蝕痕跡的功能。

2 PVC板熱蝕痕跡實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

PVC板（壁面材料），尺寸為2440 mm×1220 mm×5 mm，通過切割機(jī)裁成實(shí)驗(yàn)所用尺寸1200 mm×800 mm×5 mm，鄭州統(tǒng)一廣告材料有限公司；

紙面石膏板（壁面載體材料），尺寸為2440 mm×1220 mm×8 mm，裁成實(shí)驗(yàn)所用尺寸1200 mm×1200 mm×8 mm，泰山石膏股份有限公司。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

為了防止木板受熱損壞影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)中先將1200 mm×1200 mm×8 mm的紙面石膏板固定在事先用木板搭建好的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，再將1200 mm×800 mm×5 mm的PVC塑料板固定在紙面石膏板上；在實(shí)驗(yàn)臺(tái)底部放置油盤盛放汽油，用計(jì)時(shí)器記錄火源燃燒的時(shí)間，并在正對(duì)PVC板的方向上放置型號(hào)為佳能600D的相機(jī)記錄下最終形成的熱蝕痕跡。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

由式（2）發(fā)現(xiàn)，在PVC板上形成的熱蝕痕跡受壁面接收的凈熱通量、壁面附近溫差、火源的幾何位置和燃燒時(shí)間4個(gè)因子的影響，其中壁面接收的凈熱通量和壁面附近溫差由火源熱釋放速率決定。因此，實(shí)驗(yàn)分別從不同火源熱釋放速率、燃燒時(shí)間、火源位置3種工況設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，設(shè)為工況1、2、3。

（1）工況1共進(jìn)行5組實(shí)驗(yàn)，分別編號(hào)為1＃～5＃，PVC板尺寸為1200 mm×800 mm×5 mm，油盤分別采用直徑為 160、200、230、280、320 mm，高度均為50 mm，油量均為充足油量，待燃燒時(shí)間到150 s時(shí)，人為將火熄滅，以保持燃燒時(shí)間的一致性，并將油盤統(tǒng)一放置在PVC塑料板的底部正中央處，與PVC板距離為零；通過經(jīng)驗(yàn)公式[7]計(jì)算得出1?！?＃實(shí)驗(yàn)所用火源穩(wěn)定燃燒時(shí)的熱釋放速率分別為3.6、6.4、10.1、17.4、25 k W；

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimentalinstallation diagram

（2）工況2共進(jìn)行5組實(shí)驗(yàn)，分別編號(hào)為6?！?0＃，PVC塑料板尺寸為1200 mm×800 mm×5 mm，為了確保形成的熱蝕痕跡便于觀察和火源熱釋放速率一致性，油盤統(tǒng)一采用直徑為230 mm，高度為50 mm，并將油盤統(tǒng)一放置在PVC板的底部正中央處，與PVC塑料板距離為零；為了得到任意燃燒時(shí)間的熱蝕痕跡，實(shí)驗(yàn)中采用適當(dāng)油量，得到6?！?0＃實(shí)驗(yàn)燃燒時(shí)間分別為103、110、125、141、150 s；

（3）工況3共進(jìn)行5組實(shí)驗(yàn)，分別編號(hào)為11?！?5＃，PVC板尺寸為1200 mm×800 mm×5 mm，考慮到墻角墻壁對(duì)火源的交叉輻射效應(yīng)，并為確?；鹪礋後尫潘俾屎腿紵龝r(shí)間一致性，油盤統(tǒng)一采用直徑為200 mm，高度為50 mm，油量均為80 m L；分別將油盤放置在PVC板的緊貼底部的正中央處、距底部正中央50 mm、距底部正中央100 mm、緊貼墻角、距墻角100 mm 5種位置。

3 PVC板熱蝕痕跡數(shù)值重構(gòu)

按照實(shí)驗(yàn)所設(shè)置的工況，重構(gòu)PVC板熱蝕痕跡的實(shí)體實(shí)驗(yàn)。模擬計(jì)算空間大小為1.2 m×1.0 m×1.2 m，將網(wǎng)格大小設(shè)為24×20×24，經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立性測試及時(shí)間步長的調(diào)整，該網(wǎng)格方案能夠保證計(jì)算效率和精度[8-11]。計(jì)算空間有2個(gè)面全部敞開，與實(shí)體實(shí)驗(yàn)的設(shè)置保持一致。圖2為進(jìn)行PVC板熱蝕痕跡實(shí)驗(yàn)裝置的模擬圖。

4 結(jié)果與討論

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置模擬圖Fig.2 Simulated diagram of the experimentalinstallation

PVC板熱蝕痕跡受很多因素影響，本文選擇對(duì)火源熱釋放速率、燃燒時(shí)間和火源位置這3個(gè)影響因子分別進(jìn)行研究，并對(duì)比分析了實(shí)驗(yàn)和重構(gòu)得到的PVC板熱蝕痕跡。

4.1 火源熱釋放速率的影響

工況1實(shí)驗(yàn)結(jié)果與重構(gòu)結(jié)果見表1，1＃～5＃實(shí)驗(yàn)得到的PVC板熱蝕痕跡寬度分別為19.0、22.2、28.9、31.4、33.7 mm，高度分別為32.3、42.5、54.4，60.0、60.5 mm。1?！?＃重構(gòu)得到的PVC塑料板熱蝕痕跡寬度分別為14.8、17.8、23.7、29.6、32.6 mm，高度分別為33.1、44.9、54.8、62.9、63.3 mm。利用 Matlab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，實(shí)驗(yàn)和重構(gòu)得到的PVC板熱蝕痕跡寬度和高度均與火源熱釋放速率呈阻滯增長關(guān)系，相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（3）～（6）所示。結(jié)果表明，由于實(shí)驗(yàn)過程中受風(fēng)速、風(fēng)壓等因素的影響，得到的熱蝕痕跡與重構(gòu)得到的相比寬度略大、高度略小，但變化趨勢(shì)基本相同：寬度和高度均隨火源熱釋放速率的增大而增加，但增加速率逐漸減慢；隨著火源熱釋放速率的增加，熱蝕痕跡高度的增加速率快于寬度的增加速率，因而，在PVC板上形成的熱蝕痕跡錐形形狀越來越明顯。

式中 y寬度、y高度:實(shí)驗(yàn)得到的PVC板熱蝕痕跡寬度和高度，mm

y′寬度、y′高度:重構(gòu)得到的PVC板熱蝕痕跡寬度和高度，mm

Q:火源熱釋放速率，k W/m2

?

4.2 燃燒時(shí)間的影響

工況2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與重構(gòu)結(jié)果見表2，6＃～10＃實(shí)驗(yàn)得到的PVC板熱蝕痕跡寬度分別為17.3、19.3、25.0、27.0、28.9 mm，高度分別為28.5、31.7、41.3，53.3、54.4 mm。6?！?0＃重構(gòu)得到的PVC板熱蝕痕跡寬度分別為13.4、16.3、19.6、25.2、28.1 mm，高度分別為30.6、33.4、43.7、54.8、61.7 mm。式（7）～（10）為實(shí)驗(yàn)和重構(gòu)得到的PVC板熱蝕痕跡最大寬度和高度均與燃燒時(shí)間呈線性增長關(guān)系表達(dá)式。由于同樣受風(fēng)速、風(fēng)壓等因素的影響，實(shí)驗(yàn)熱蝕痕跡寬度略大、高度略小于重構(gòu)熱蝕痕跡，變化趨勢(shì)基本相同，熱蝕痕跡高度的增加速率明顯快于寬度的增加速率，在PVC板上形成的錐形熱蝕痕跡愈加明顯。對(duì)比工況一，熱蝕痕跡寬度和高度隨燃燒時(shí)間的增加速率快于隨火源熱釋放速率的增加速率。

?

式中 t:燃燒時(shí)間，s

4.3 火源位置的影響

工況3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和重構(gòu)結(jié)果見表3，11?！?5＃實(shí)驗(yàn)得到的PVC板熱蝕痕跡跡寬度分別為22.2、21.2、7.6、17.0、0 mm，高度分別為42.5、32.3、9.1，49.3、0 mm。11?！?5＃重構(gòu)得到的PVC板熱蝕痕跡寬度分別為17.8、11.8、2.7、16.4、0 mm，高度分別為44.9、33.1、10.1、52.9、0 mm。比較11＃～13＃結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著火源與壁面的距離增大，火源熱釋放速率相當(dāng)于減小，在PVC、板上形成的熱蝕痕跡寬度和高度逐漸減小、顏色逐漸變淺、下邊緣距離底部逐漸增大；比較11＃和14＃結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)火源位于墻角時(shí)，由于墻角壁面的交叉輻射作用，在PVC板上累積了更多的熱量，形成的熱蝕痕跡的高度、1/2寬度明顯增加，顏色加深，呈半個(gè)錐形的形狀；比較14＃和15＃結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著火源與墻角的距離增大，PVC板接收到火源的熱量減少，顏色變得不明顯，幾乎沒有形成明顯的熱蝕痕跡。

?

5 結(jié)論

（1）PVC板熱蝕痕跡寬度和高度均與火源熱釋放速率呈阻滯增長的關(guān)系，隨著火源熱釋放速率的增大，寬度和高度的增加，但增加速率逐漸減慢，且高度的增加速率快于寬度的增加速率；PVC板熱蝕痕跡寬度和高度均隨燃燒時(shí)間呈線性增加，高度的增加速率快于寬度的增加速率，且隨燃燒時(shí)間的增加速率快于隨火源熱釋放速率的增加速率；

（2）當(dāng)油盤位于PVC板中間時(shí)，隨著火源與壁面的距離增大，形成的熱蝕痕跡顏色逐漸變淺、范圍逐漸減小、下邊緣距離底部逐漸增大；火源位于墻角，在PVC板上形成的熱蝕痕跡高度增加、顏色加深、呈半個(gè)錐形的形狀；當(dāng)油盤位于墻角時(shí)，隨著火源與墻角的距離增大，在PVC板上形成的熱蝕痕跡的寬度和高度減小、顏色變得不明顯；

（3）將PVC板熱蝕痕跡半物理預(yù)測模型與FDS源程序耦合，編譯改進(jìn)了FDS程序并模擬得到數(shù)值重構(gòu)熱痕跡，盡管熱蝕痕跡較實(shí)驗(yàn)得到的寬度略小、高度略大，但變化趨勢(shì)基本相同，反映出兩者具有較好的一致性，將該技術(shù)應(yīng)用于火災(zāi)調(diào)查，可以起到分析火災(zāi)原因，支持證據(jù)鏈形成的作用。

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