建筑室内木材火灾特性参数规律性研究

摘要

受限空间内火灾发展与蔓延的控制是消防领域的热点问题。因此研究受限空间内材料及组件的燃烧性能参数对火灾发展的影响具有重要的意义。 本文综述了国内外火灾科学的研究背景及现状，介绍了国外基于受限空间火灾在烟气层温度、热释放速率以及轰燃的预测方面的研究成果；基于质量守恒、能量守恒以及火灾动力学、传热学的基本理论，推导出了室内烟气层温度的预测公式；依据ISO 9705《表面材料的实体房间火试验方法》进行了木垛火试验，研究了不同火灾荷载下木垛火的热释放速率变化、烟气层温度分布、CO/CO2的浓度变化、门口温度分布以及门口压差的变化规律，同时将ISO 9705 全尺寸房间木垛火的试验结果与木材的小尺度锥形量热仪试验数据进行了比较，得出了以下结论： (1) 通过在ISO 9705 标准试验房间进行不同火灾荷载的木垛火试验发现：随着火灾荷载的增大，木垛的燃烧表现为从燃料控制型向通风控制型燃烧的过渡。在燃料控制阶段，木垛的热释放速率表现为随燃料的增加而增大的趋势；在通风控制阶段，木垛的热释放速率随燃料的增加并没有明显增大的趋势。这说明在有限的空间内，当燃料的数量增加到一定的程度后，火灾由开始的燃料控制型转变为通风控制型，此时有限空间内的热释放速率基本上不再随火灾荷载的增大而增加。 (2) 本文还对燃料控制阶段，木垛的热释放速率随火灾荷载变化的规律性进行了研究，研究结果表明：随着火灾荷载的增加，木垛燃烧的热释放速率峰值以及平均值均成线性递增的趋势。 (3) 经过阻燃处理的木材，其燃烧热释放速率与普通木材相比明显降低，阻燃处理的效果越好，其燃烧热释放速率降低的幅度越大。因此，采用阻燃效果好的木材，可以显著降低有限空间内的总热释放速率，这对防止轰燃的发生是非常有利的。 (4) 在ISO 9705 标准试验房间的试验研究中还发现：木垛的燃烧热释放速率曲线会出现两个波峰，这与小规模锥形量热仪试验的结果是一致的。在燃料控制阶段，第一个波峰的峰值随燃料的增加而增大，第二个波峰的峰值也随着火灾荷载的增大而增大；在通风控制阶段，第一个波峰的峰值基本上是一个恒定值，该值的大小取决于通风因素，即有限空间及门窗开口尺寸的大小，第二个波峰的峰值随着火灾荷载的增大而增大。 (5) 通过对房间火试验中获取的温度试验数据进行分析发现：试验房间内的温度表现为自下而上温度逐渐升高，即温度随着水平高度的增加逐渐升高；对于不同的火灾荷载，随着火灾荷载的增加，各个层面的温度均呈上升趋势。 (6) 中性层面的高度随火灾荷载的增加而呈逐渐降低的趋势。中性面的高度可以利用线性插值的方法，即在靠近门口顶部的正压差和门口下部的负压差之间通过线性插值，确定压差为零的位置。 此外，通过对锥形量热仪试验数据的分析和比较，还讨论了不同的辐射通量对热释放速率峰值、热释放速率平均值、点燃时间、到达峰值的时间、火焰熄灭时间的影响，并得出了下列一些结论： (1) 不同热辐射水平下同种材料的热释放速率曲线的形状是相似的，并且热释放总量是恒定的； (2) 同种材料的热释放速率峰值和平均值随着辐射通量的升高呈线性递增的趋势； (3) 同种材料的点燃时间随着辐射通量的提高呈指数衰减的趋势递减，但 与辐射通量呈线性关系；到达热释放速率峰值的时间、火焰熄灭时间随辐射通量的增加呈线性递减的趋势。 (4) 在通过试验研究掌握了某种材料的相关燃烧特性参数（如：热释放速率峰值、平均值、点燃时间、火焰熄灭时间等）随辐射水平变化的规律后，可以根据材料在某一辐射通量下的热释放速率曲线及相关燃烧特性参数，通过计算机编程的方法计算出该材料在其它热辐射水平下的相关燃烧特性参数，并进而采用计算机模拟技术得出该材料在另一热辐射水平下的热释放速率曲线。