趙恒澤，李 曄，齊藝裴，董軒萌，溫志超

(華北理工大學 礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063210)

0 引言

高層建筑外立面保溫材料存在火災隱患。噴淋滅火技術(shù)是目前抑制高層建筑火災最有效的技術(shù)手段之一，受目前消防滅火技術(shù)的限制，高層建筑發(fā)生火災主要在于主動預防。一旦發(fā)生火災，保護未燃區(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濕行為對外立面保溫材料燃燒抑制機理對設(shè)計、建立、優(yōu)化高效的水噴淋滅火系統(tǒng)具有重要意義。

噴淋對豎向材料熱解燃燒抑制影響實驗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，研究噴淋對其燃燒的抑制特性。Magee等[2]對外加輻射強度作用下的豎向塑料火進行噴淋抑制實驗，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]對豎直放置的卷紙火進行抑制實驗，發(fā)現(xiàn)對于光滑卷紙表面，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熱區(qū)，但是并沒有考慮噴淋預濕形成的水膜對豎向膠合板和聚氨酯海綿熱解的抑制作用。隨后，周勇[5]對側(cè)向水噴霧抑制不同厚度豎向杉木板熱解燃燒進行研究，得到不同厚度杉木板的臨界噴淋流率。趙蘭明[6-7]研究噴淋角度對豎向有機玻璃燃燒抑制的影響規(guī)律，并對水幕噴頭形成的水膜狀態(tài)在外墻上分布進行研究。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，噴淋流率、角度對其燃燒的抑制規(guī)律，并開展外加輻射強度下水噴淋對硬質(zhì)聚氨酯材料燃燒抑制作用實驗。而針對水膜高效率傳熱影響多集中于水膜對金屬板或玻璃的降溫。Zhu等[10]對不同溫度水膜冷卻鋁合金板進行實驗研究。Costa等[11]研究不同環(huán)境壓力下水噴淋對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與傳熱實驗臺,開展不同水膜入口流量與不同加熱溫度工況下的降膜流動與傳熱實驗。官鈺希等[13]認為玻璃表面能否形成連續(xù)穩(wěn)定的水膜是玻璃不會破裂的關(guān)鍵。Meredith等[14]對外加輻射作用下光滑不銹鋼表面的水膜流動狀態(tài)開展實驗研究，得到不銹鋼表面水膜完全蒸發(fā)時外加輻射強度與臨界水膜流率的對應關(guān)系。

通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行分析可以發(fā)現(xiàn)，水噴淋對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)時噴淋抑制作用和水膜對金屬板或玻璃的降溫作用研究，對噴淋形成水膜的預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區(qū)域[14]，如圖1所示。水膜預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，在原來水膜連續(xù)區(qū)域會出現(xiàn)干斑、溝流及孤立濕潤區(qū)域。本文以典型外保溫材料聚苯乙烯(PS)為研究對象，實驗研究不同外加輻射強度下，水膜流率對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到PS材料熔融熱解溫度是水膜預濕行為成敗的關(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 實驗平臺

水膜預濕抑制保溫材料燃燒實驗裝置，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。為了實驗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水容器，液箱中下部設(shè)有進水管口。進水流率通過微型計量泵(德國SERA隔膜式計量泵，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 水膜預濕抑制保溫材料燃燒實驗裝置Fig.2 Experimental device for combustion suppression of thermal insulation material by water film pre-wetting

圖3 實驗裝置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臺單相調(diào)壓器及2臺電壓數(shù)字顯示器連接組成。通過調(diào)節(jié)電壓控制輻射板內(nèi)部溫度，從而控制外加輻射強度，內(nèi)部溫度通過K型熱電偶(直徑為0.5 mm)測得，采用高精度熱流傳感器(GARDON GTT-25-50-RWF)來測定輻射強度。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，記錄實驗過程，2塊熱輻射板呈90°放置，具體位置及實驗分別如圖3(c)～(d)所示。水膜預濕抑制保溫材料燃燒實驗過程中，僅對PS材料中部熱電偶放置區(qū)域采集數(shù)據(jù)進行分析。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 輻射強度

2.1.1 輻射強度均勻性

在水膜預濕抑制豎向保溫材料燃燒實驗中，為保證保溫材料表面接收到的輻射強度具有均勻性，對保溫材料中部區(qū)域，即內(nèi)部熱電偶所在位置處輻射強度的均勻性進行探究。當輻射板控制電壓分別為50，80，110 V，內(nèi)部溫度達到276，439，570 ℃時，用小型長臂夾將輻射熱流計放于12個熱電偶位置分別測定實時輻射強度。計算不同電壓下12個點位的輻射強度均值分別為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。可見，12個點位處的輻射強度方差值均遠小于0.01，因此，在12個點位處，輻射強度分布均勻。所以材料中心處的輻射強度可表征輻射板中間區(qū)域范圍內(nèi)的輻射強度。

2.1.2 輻射強度標定

分別采集控制電壓下的熱輻射板內(nèi)部最高溫度及對應的材料表面最大輻射強度(中心處輻射強度)進行標定實驗，結(jié)果如圖4所示。輻射板內(nèi)部最高溫度和最大輻射強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，而最大輻射強度上升速率逐漸增大。后續(xù)實驗中，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度。

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

2.2 水膜預濕抑制豎向保溫材料燃燒實驗

2.2.1 形成水膜的最小流率

當無外加輻射、無水膜存在時，保溫材料表面溫度分布均勻，如圖5(a)所示。當水膜流率分別為25，20，15，10 L/h時，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，符合實驗條件，如圖5(b)～(e)所示。當水膜流率為5 L/h時，中部區(qū)域已經(jīng)很難形成水膜，如圖5(j)所示。當水膜流率小于10L/h時發(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)溫度范圍不斷擴大，中部溝流明顯，不符合實驗條件，如圖5(f)～(i)所示。因此，本實驗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 最小外加輻射強度

為保證實驗數(shù)據(jù)的真實性和有效性，在實驗前需要找出最小水膜流率為10 L/h時，能使PS材料表面發(fā)生狀態(tài)變化的最小輻射強度。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)各組實驗情況分別設(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)生相應狀態(tài)改變的溫度，超過該最大刻度值紅外圖中顯示白色；最后根據(jù)紅外圖中白色斑點來確定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。實驗結(jié)果表明：當外加輻射電壓為40 V時，即使施加最小水膜流率10 L/h，PS材料表面水膜亦無出現(xiàn)干斑。當外加輻射電壓為50 V時，實驗過程中材料表面水膜可形成干斑，測試結(jié)束時部分區(qū)域溫度甚至超過PS材料的熔融溫度。因此，實驗從控制電壓50 V開始逐漸升壓測試，每組電壓下，水膜流率(10～25 L/h)從大到小依次進行實驗。當外加輻射控制電壓為90 V時，即PS材料表面的輻射強度達到2.93 kW/m2時，即使水膜流率為25 L/h，材料表面亦立即發(fā)生熔融，可見外加輻射控制電壓90 V不再符合實驗條件。所以，本實驗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對實驗結(jié)束時的紅外圖像中部水膜區(qū)域進行像素計算。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提取目標區(qū)域內(nèi)的白色像素點與總像素點的個數(shù)，即可計算出不同工況下該PS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)域的面積占比與無量綱輻射強度的關(guān)系如圖7所示。當控制電壓為50 V，只有水膜流率小于16 L/h時PS材料表面才會出現(xiàn)干斑。當控制電壓為60 V，水膜流率為24，25 L/h時PS材料表面只出現(xiàn)干斑；水膜流率處于19～23 L/h范圍，實驗結(jié)束時PS材料表面均出現(xiàn)變形；水膜流率位于10～18 L/h范圍，實驗結(jié)束時PS材料表面均形成熔融。同時可得出，材料表面水膜出現(xiàn)干斑、材料發(fā)生變形和熔融區(qū)域的面積占比與無量綱輻射強度呈正相關(guān)，無量綱輻射強度與2 min相應面積占比的散點圖在類似三角形范圍內(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

在整個實驗過程中，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，會有很高的火災危險性。根據(jù)材料表面發(fā)生狀態(tài)變化的時刻及此刻材料內(nèi)部熱電偶所測的溫度，得出待測PS材料表面出現(xiàn)干斑、發(fā)生變形和熔融時，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 ℃。

實驗結(jié)束時不同控制電壓、不同水膜流率下的12點位溫度曲面和12點位最高溫度云圖分別如圖8(a)～(b)所示。在相應外加輻射強度和水膜流率下測得的12點位溫度基本在很小的范圍內(nèi)波動，說明PS材料表面接收熱輻射強度均勻，從而驗證了實驗結(jié)果的有效性。當控制電壓為50 V，水膜流率較大時，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，溫度發(fā)生突然上升，說明此區(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，PS材料表面最終出現(xiàn)熔融相對應。當外加輻射強度不變時，水膜流率越小，實驗結(jié)束時溫度上升越快越高。外加輻射強度越大，水膜流率越小，實驗結(jié)束時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)變化所需時間分析

為研究水膜流率對保溫材料表面發(fā)生狀態(tài)改變的影響規(guī)律，將每個控制電壓下的PS材料狀態(tài)發(fā)生變化所需時間依次統(tǒng)計。并采用無量綱時間t/t0與無量綱輻射強度進行分析。其中，t表示PS材料表面發(fā)生形態(tài)變化所需的時間；t0表示實驗開始到結(jié)束的時間，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，即外界熱輻射強度越大，或水膜流率越小時，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。本實驗條件下，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量綱輻射強度分別為0.002 0，0.002 6，0.003 3。

保溫材料表面發(fā)生形態(tài)變化時的臨界水膜流率和對應的輻射強度見表1。Meredith等[14]得出無量綱輻射強度=1時，光滑不銹鋼表面的水膜完全蒸發(fā)。而事實上，可燃保溫材料表面一旦出現(xiàn)干斑，意味著水膜保護失敗，無需完全蒸發(fā)。由表1可知，無量綱輻射強度遠小于1時，PS材料表面水膜會出現(xiàn)干斑、材料會發(fā)生變形和熔融。

表1 臨界水膜流率、臨界輻射強度及臨界無量綱輻射強度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)域的面積占比隨無量綱輻射強度增大而增大，且散點圖基本聚集在三角形范圍內(nèi)。

2)通過分析材料表面內(nèi)部熱電偶測得的溫度，得到當外加輻射強度不變時，水膜流率越小，實驗結(jié)束時溫度上升越快越高。外加輻射強度越大，水膜流率越小，實驗結(jié)束時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。