2. 中国民用航空飞行学院 民航飞行技术与飞行安全重点实验室, 四川 广汉 618307
, 并通过实验结果拟合得到经验式。在60 kPa时, 随着氧浓度从21%提升到33%时, 热释放速率增大63.56%, 总产热量增大8%, 火焰最高温度提升19%, 火焰形状由细高型变为宽低型, 颜色由蓝黄色逐渐转为明亮色。通过富氧能明显减弱低压对纸箱燃烧的抑制作用, 火灾危险性也随之增大。在高氧浓度下, 压力与质量损失和产热量呈弱相关。我国存在着大面积的高高原地区且拥有世界上数量最多的高高原机场。近些年, 高高原地区的经济活动日益频繁, 进入高海拔地区后环境气压降低导致氧分压较低, 人们容易出现高原反应, 严重时甚至可致人死亡。通过室内富氧可以提升血氧饱和度, 有效解决高原地区人体缺氧问题[1-3]。在高达4 500 m的海拔, 每增加1%的氧气会使等效高度降低300 m以上。因此, 高高原地区的酒店、医院等场所都设有人工增氧设施, 机场急救室、贵宾室、交通管制室等场所甚至要求强制增氧[4-5]。但研究表明, 可燃材料的燃烧速度随氧浓度增加呈指数增长, 当氧浓度超过25%后燃烧速度显著上升, 富氧环境无疑会增加室内火灾的发生概率[6]。
20世纪70年代, Lastrina等[7]通过实验发现火焰传播与环境压力有关。De Ris[8]也建立了稳态燃烧模型, 推出质量燃烧速率与格拉晓夫数和压力之间的关系。Wieser等[9]首次在不同海拔地区开展现场实验研究, 发现材料平均燃烧速率与p1.3呈正比关系。王伟刚等[10]研究了热薄型固体燃料的表面火焰传播, 发现在(10~50) kPa下火焰传播速率与压力近似呈线性关系。Wei等[11]在拉萨对纸板箱的火灾行为进行了无量纲分析, 发现低压低氧抑制了固体热解, 阻碍了完全燃烧。贾旭宏等[12]对比航空地毯在低压和常压下的火行为, 发现低压环境下航空地毯的烟密度大幅升高, 点燃时间更短。Tian等[13]发现随着压力的降低, 纸板火焰对燃料表面的热反馈减少, 质量损失率降低。冯瑞和毛莹[14-15]在低压舱中进行纸箱实验, 发现最大燃烧速率、火焰温度均与压力成正比。Wang等[16]通过纸箱火实验, 发现降低压力可以消除火焰, 但不能完全消除阴燃和减少闪络发生的概率。Ma等[17]通过对2种火灾载荷下的纸箱在高压舱内开展实验, 发现质量燃烧速率与格拉晓夫数和压力之间呈正比例关系, 这与De Ris研究结果一致。Niu等[18]引入新的时间尺度——燃烧一半的时间t1/2, 发现其与p-3/4呈正比, 并对无量纲质量损失进行理论分析, 其经验公式达到良好的拟合效果。
随着近些年对消防安全的重视, 低压环境下火行为研究逐渐增多, 但低压富氧空间下火行为的研究起步较晚。对于平原地区的富氧问题可以参照医用氧舱的标准进行设计, 但对高海拔富氧环境下的火灾危险还缺乏一定的研究。研究初期的学者大都是以标准燃料滤纸为对象[3, 19-20], 研究压力和氧浓度对滤纸燃烧速率的影响。Hirsch等[21-22]通过测试不同材料的可燃性, 判断材料的可燃性风险, 发现材料的极限氧浓度(LOC)与总压呈反比，与氧分压呈正相关。Osorio等[23]在(13~100) kPa压力及21%~75%氧浓度的条件下对阻燃织物进行燃烧实验, 发现随着压力的减小维持有焰燃烧所需的氧浓度增加, 且增加明显。一些机构和学者[2, 24]基于滤纸在富氧环境下燃烧速度的变化, 通过分析其火灾危险性, 给出了不同压力下室内氧气体积分数上限。Thomsen等[25]发现环境压力和氧浓度的降低, 导致火焰到固体表面的换热减少, 进而使火焰传播过程中的表面退化速率减小。朱凤等[26]确定了PMMA火焰向下传播速度与压力和氧浓度的关系: Vf∝p2/3YO22，而对于向上传播火焰, 则存在与氧气浓度有关的临界环境压力, 并据此划分2种模式。
本文通过低压富氧舱模拟高高原室内环境, 在不同压力和氧浓度(压力/kPa: 50, 60, 70, 氧浓度为21%, 24%, 27%, 30%, 33%)下, 对典型室内材料纸箱的燃烧特性进行研究, 提出了纸箱的燃烧速率与环境压力和氧浓度之间的定量关系。从理论和实验两方面揭示了低压环境下不同氧浓度与纸箱火行为之间的关系, 为高高原室内消防安全提供一定的依据。
1 压力和氧浓度对固体燃烧速率影响的理论模型构建燃烧速率严格定义为燃料在化学反应时的质量损失速率, 对于固体和液体的明火燃烧, 燃烧速率是泛指凝固相燃料的质量损失率。在稳定燃烧下[27], 净表面热通量等于燃料气化的能量通量, 稳态燃烧时的能量守恒可简化为公式
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(1) |
式中: 
B-number理论的基本表达式
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(2) |
修正B-number理论的公式
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(3) |
式中: h为对流换热系数；Cp为气相比热容；Lh为燃料的汽化热；YO2, ∞为氧体积浓度；(Δhc/γ)为单位质量氧的燃烧热(13 kJ/g)；Tv为燃料表面汽化温度；T∞为环境温度。
为了简化计算, 可近似
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(4) |
燃料的燃烧速率主要由火焰向热解区的对流和火焰的辐射热反馈决定, 所以燃料的质量燃烧速率可写为
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(5) |
根据牛顿冷却定律, (5)式右边第一项可表示为
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(6) |
式中
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(7) |
火焰温度Tf根据Quintiere可得
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(8) |
式中: CNu为经验常数；A为比例系数；Kg为热解区导热率；L为特征长度；g为重力加速度；ug为动力黏度; Cp为气相比热容(1.0 kJ/g); Tf为火焰温度; Tg为平均气相温度; Xr为火焰辐射分数(对于同种材料，辐射分数Xr可以简化为一个常数)。
根据经典羽流理论火焰(8)式知[27]，火焰温度Tf∝YO2, ∞，故对流热通量可表示为
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(9) |
第二项是火焰辐射热反馈，根据Stefan-Boltzmann定律和De Ris的相关研究[29]，当κlm≤0.3时，(1-e-κlm)可简化为κlm[30]:
同时，压力也会影响De Ris等确定的火焰吸收系数。火焰吸收系数κ由气态化合物κg和烟灰化合物κs决定，其中烟灰是典型火灾中辐射的主要贡献者[31]，可近似为
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(10) |
式中：κg为气态化合物; κs为烟灰化合物。故，火焰辐射热通量可表示为
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(11) |
燃料质量燃烧速率表示为压力和氧气的函数：
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(12) |
式中：n值选取决定于流体类型是湍流还是层流[32]，层流情况下n=1/4，湍流情况下n=1/3。常数C1和C2与压力无关，本研究中进行的实验是湍流固体燃烧实验(即n=1/3)，则(12)式可改写为
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(13) |
所有测试均在低压富氧燃烧舱内进行，该低压舱可以模拟不同海拔高度(0~15 000 m)。实验舱简化示意图如图 1所示。实验系统包括一个1 m3的低压舱舱体、氧气调节装置、空气压缩机和真空泵。在测试期间，通过真空泵、空气压缩机和氧气调节装置保持恒定的压力和特定的氧浓度，从而满足实验所需环境。
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| 图 1 低压富氧舱实验装置图 |
燃烧测试选取的是装有A4条状碎纸的单层瓦楞纸箱(尺寸：15 cm×15 cm×15 cm)，A4纸的单位面积质量为70 g/m2，且在纸箱两侧分别设置9个孔，以确保纸箱火不会自行熄灭，如图 2所示。将干燥处理后的纸箱放置在隔热板的上面，隔热板下面是奥豪斯公司生产的Explorer天平，称量上限可达35 kg，使用内置RS-232端口通过标准串口线连接天平到电脑。加热器位置放置纸箱内部，通过外部开关进行操作，以使加热均匀，减少实验误差。
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| 图 2 纸箱实物图 |
5个K型镍镉热电偶沿着火羽流的中心轴垂直安装，最低的热电偶与纸箱的上表面齐平，每2个热电偶之间距离为5 cm，以测量火焰中心线上的温度。无纸记录仪可以实时记录不同高度的火焰温度，将测量的电流信号转化为可读取的温度数据。此外，摄像头记录的火焰视频用来观察实验现象。
每组环境下的实验重复5次以尽量使误差最小化。初始空气温度为25℃，相对湿度为35%。在本次调查中，假设碎纸都是均匀放置，燃烧特性不受瓦楞纸箱中碎纸蓬松度的影响。
3 实验结果分析及讨论 3.1 火焰形态通过摄像可以记录纸箱从引燃到熄灭的全过程。Feng等[33]详细介绍了瓦楞纸箱在75 kPa下的燃烧现象，并将其燃烧分为3个阶段：热解阶段、向上火蔓延阶段、向下火蔓延阶段。图 3所示为压力60 kPa，氧浓度33%环境下纸箱的燃烧形态。对记录视频进行处理后，可将纸箱燃烧过程分为3个阶段：阶段1是在富氧状态下加热器持续升温很快使内部碎纸屑着火，同时通过通风孔排出烟气，进而引燃纸箱；阶段2是纸箱的剧烈燃烧阶段，被引燃后，纸箱四侧向上发生火蔓延，纸箱形状发生变化，燃烧逐渐剧烈，直至大部分纸箱燃烧完毕；阶段3是剩余少量可燃物仍继续燃烧，有很小的火焰及光亮，接着发生最后的阴燃，最终导致熄灭。
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| 图 3 纸箱燃烧阶段 |
压力和氧浓度都会影响火焰的形状和颜色，在低压环境下，自然对流减弱，氧气的供应相应地减缓，同时，压力降低也影响化学反应速率，造成了火焰颜色的差异。由于环境压力和氧气浓度的变化，火焰外观的变化可能与烟生成过程和火焰温度的变化有关。从录像上截取在稳定燃烧阶段不同环境下纸箱的燃烧情况，图 4为60 kPa不同氧气浓度下的燃烧样品的火焰形态。随着氧浓度的增加，火焰高度有降低趋势，形状由细高型变为宽低型。主要由于纸箱在受热后产生可燃性气体，要维持持续燃烧，必须与足够的氧气混合，在氧气含量少的条件下，就要求火焰高度增大，才能与更多的氧气接触继续燃烧。在60 kPa低氧浓度时，纸箱即使能燃烧，但也产生大量烟雾。同时，火焰颜色随着氧含量的增多由蓝黄色逐渐转为明亮色，在充足的氧气下纸箱得以充分燃烧。
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| 图 4 60 kPa不同氧浓度下稳定燃烧阶段的火焰形态 |
质量损失速率能反映材料在一定热辐射强度下的热解、挥发及燃烧程度，决定材料的燃烧速率，是评价燃料燃烧特性的重要参数，常用于表征火灾的规模，评估材料火灾危险性。
采用电子天平记录质量变化数据，取质量变化曲线的一阶导数得到质量损失速率。图 5a)显示了在不同压力和氧气浓度下稳定燃烧阶段最大失重率的变化趋势。压力越低，燃烧越慢，质量损失速率随着氧气浓度的增加而增加。在较低压力下，质量损失速率变化最为明显，随着氧浓度的增加，3个压力下最大质量损失速率的差异不断减小。当氧气浓度增加到33%时，差异基本不显著。压力对固体燃烧的影响，主要体现在火焰的热量反馈，低压明显抑制了火焰热量的传递，导致燃烧缓慢，质量损失速率降低。根据经典羽流理论，火焰温度受氧气浓度的影响，对传导、对流和辐射热通量产生正反馈，加速固体燃料的燃烧。可以看出，当房间过度富氧时，即使环境压力相对较低，纸箱材料也会迅速燃烧，存在较大的火灾隐患。
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| 图 5 最大质量燃烧速率与压力和氧浓度之间的关系 |
前文中从理论上推导了质量燃烧速率与压力和氧浓度之间的表达式，通过对纸箱燃烧时的质量变化数据进行拟合(如图 5b)所示)，得到纸箱质量燃烧速率与压力和氧浓度之间的关系式：
热释放速率不仅对火灾发展起决定性作用，而且会直接影响其他火灾灾害因素，因此研究材料的热释放特性有助于分析火灾的危险性，在火灾研究中，一般认为热释放速率正比于质量损失速率，如(14)式所示
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(14) |
式中：rHRR为热释放速率; ΔHc为可燃物的有效燃烧热值，在燃烧过程中一般可假定为常数; ϕ为燃烧效率因子，反映不完全燃烧的程度[34]，一般取0.8。对(14)式进行积分可得
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(15) |
式中：Q为燃料释放的总热值; Δm为可燃物质量。纸箱作为典型的纤维素材料，一般由淀粉胶组成，因此取纤维素材料主要成分淀粉的燃烧热作为纸箱的燃烧热[35]; ΔHc取17 MJ/kg。
在低压环境下，随着氧浓度的增大，纸箱燃烧剧烈，热释放速率和总热释放量随之增大。由(8)式可知，火焰温度和氧浓度呈正相关，在富氧环境下火焰温度较高，纸箱燃烧比较快，热释放速率变化趋势也比较快。从图 6a)可知，随着氧浓度从21%增大到33%，热释放速率增大了63.56%，主要是由于在60 kPa氧浓度21%环境时, 较低的氧含量会降低火焰温度，从而降低返回样品表面的净热通量，导致纸箱不充分燃烧，残余量较多。从图 6b)可知，在低氧浓度下，压力对燃烧的影响较大，但氧浓度增大到33%时，不同压力间的总释热量相差不大，在高氧浓度下，压力对释热量呈弱相关。随着氧浓度从21%增大到33%，当压力为50 kPa时，产热量增加了16%，当压力为70 kPa时，产热量只增加了7.1%，可见在低压力下，氧浓度对产热量影响较大，因此在高高原地区室内富氧后，危险性明显增大。
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| 图 6 不同氧浓度下的产热特性 |
火羽流是火的初始基本形态，在垂直方向上，火羽流可分为3个比较明显的区域，连续火焰区、间歇性火焰区和浮力羽流区。羽流中心线温度是火羽的基本特征参数，下面主要分析60 kPa时氧浓度对火羽温度的影响。
从图 7可以看出，随着氧气浓度的增加，纸箱的火焰温度不断升高，与经典火羽流公式吻合。60 kPa时，氧浓度从21%增大到33%，火焰最高温度提升19%。5种环境下火焰的最高温度大都发生在纸箱上方第三个热电偶(图 7中热电偶高度为10 cm时)附近，位于火焰的连续区域，因此通过热电偶测得的最高温度可近似为火焰温度。
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| 图 7 60 kPa纸箱中心线上火焰温度随热电偶高度的变化曲线图 |
本文在低压/kPa(50, 60, 70)不同氧浓度(21%, 24%, 27%, 30%, 33%)对室内常见瓦楞纸箱材料的燃烧特性进行理论和实验研究，主要结论如下：
1) 在低压富氧环境下，纸箱燃烧也可分为3个阶段，但相对常压常氧环境，第二阶段燃烧较为剧烈，时间明显缩短。随着氧浓度增大，火焰形状由细高型变为宽低型，颜色由蓝黄色逐渐转为明亮色。
2) 建立了压力和氧浓度与纸箱燃烧速率的理论模型，得出针对湍流固体燃料的理论表达式为
3) 随着氧浓度的增大，质量损失、热释放速率、产热量和火焰温度有增大趋势。60 kPa时，氧浓度从21%提升到33%时，热释放速率增大了63.56%，总产热量增大了8%，火焰最高温度提升19%。在高氧浓度环境下，压力与质量损失和产热量呈弱相关，通过富氧能明显减弱低压对固体燃烧的抑制作用，一旦室内发生火灾，富氧环境下的危险性明显提高。
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2. Key Laboratory of Civil Aviation Flight Technology and Flight Safety, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, China
, and the empirical formula is obtained through experimental results. At 60 kPa, as the oxygen concentration increased from 21% to 33%, the heat release rate grew by 63.56%, the total heat production increased by 8%, and the maximum flame temperature increased by 19%. Furthermore, flame shape had a thin high type into a wide low type, the color had a blue-yellow gradually turned into a bright color. The inhibition of carton combustion by low pressure can be significantly weakened by oxygen enrichment and the fire hazard increases. In addition, pressure was weakly correlated with mass loss and heat production at high oxygen concentration.