建筑外立面非对称U型结构火灾特性研究

中国工程热物理学会燃烧学学术会议论文编号：184112 建筑外立面非对称U型结构火灾特性研究闫维纲1，王坤1，周洋2，安伟光3.1 School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai, 200093, PR China.2. Department of Fire Protection Engineering, School of civilengineering, Central SouthUniversity, Changsha 410075, PR China3. Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines, School of Safety Engineering, ChinaUniversity of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu, 221008, PR ChinaEmail: ywg@摘要本文对建筑外立面非对称U型结构的火灾特性进行了实验研究。

选取三种不对称程度的U型结构，得到了对应的火蔓延速度、火焰高度和质量损失速率随结构因子和不对称程度的变化趋势。

研究发现，不对称程度相同的情况下，火蔓延速度、火焰高度及质量损失速率均随结构因子整体的增大而增大，且随着结构因子的增大，三者逐渐趋于稳定。

对于平均结构因子相同的情况，随着不对称程度的增大，三者均呈现减小趋势。

理论分析与实验结果相符。

关键词火蔓延；非对称U型结构；外立面火灾0 前言建筑加装外保温系统是诸多建筑节能技术中应用最为广泛的技术之一，考虑到其高保温性、轻便和廉价，建筑外保温材料的主体多使用泡沫类有机外保温材料。

尽管在许多实际工程中使用了高阻燃等级的有机保温材料，但近年来国内外建筑外墙保温系统火灾案例仍多有发生。

而随着建筑物功能需求的变化，其外立面结构越发复杂。

许多建筑外立面存在不同尺寸的U形槽，L形拐角等。

图1所示为典型的外立面U型结构火灾案例（乌鲁木齐，神华城火灾，2010）。

实际案例显示，火灾的发生和发展会受到外立面结构形状的影响，其火灾特性会和普通的平面保温系统的有很大的不同。

因此，研究外立面结构的影响很有必要。

基金项目：火灾科学国家重点实验室开放课题(No. HZ2017-KF07)，上海高校青年教师培养资助计划（ZZslg16007）。

图1 典型的建筑外立面U型结构火灾案例（乌鲁木齐，神华城火灾，2010）对于保温系统中使用的典型保温材料国内外研究人员进行了相当广泛的研究，而关于外立面结构对火灾特性的影响，前人也取得了一些很有价值的研究成果。

Tsai等[1-5] 以及Shih和Wu[6]都研究了可燃物的不同几何结构对火蔓延过程的影响。

在Tsai的实验中，研究了平面、拐角和平行三种结构的火蔓延。

结果发现，火焰高度是影响火蔓延的主要因素。

Tsai的实验中L-型结构是火蔓延最快的几何结构。

Shih和Wu的实验中，火蔓延速度最大的是封闭结构、之后是U-型、四平行平面型、二平行平面型、L-型以及单平面型结构。

梁参军等[7]研究了不同海拔下拐角型结构PMMA的火蔓延特性，研究显示火蔓延速度随拐角结构夹角的减小而增大。

唐飞等[8]研究了倾斜外墙限制卷吸条件下溢流火的火焰高度和辐射强度特性，研究发现火焰高度及辐射强度随倾斜外墙水平夹角的增加而增大。

Shih[9]利用耦合辐射的二维火蔓延模型对低速逆流条件下一组薄固体材料火蔓延的相互作用进行了数值模拟研究，并研究了隧道效应和辐射的相互作用。

Avinash等[10]实验研究了自然对流条件下平行的薄固体材料的扩散火焰蔓延特性，结果发现当距离较近时火蔓延速度小于单表面的情况，而当距离适中时火蔓延速度高于单表面，当距离足够大时，火蔓延速度与单表面相同。

胡隆华等[11]与陆凯华等[12, 13]共同研究了侧墙对开口舱室火溢流特性的影响，结果表明侧墙的影响存在两种模式，对于较小的火焰侧墙间距对无量纲火焰高度及无量纲辐射强度几乎没有影响，而对于较大的火焰，两者随侧墙间距减小而增大。

安伟光等[14-16]建立了试样宽度、气压及U形槽影响的XPS 竖向火蔓延模型。

闫维纲等[17-19]通过理论分析发现火蔓延速度正比U形槽诱导的向上卷吸气流速度，而U形槽深度的增大促使向上卷吸气流速度增大，并建立了U形槽结构对PU材料火蔓延速度影响的模型。

同时通过中大尺度实验进行了验证。

李建涛等[20, 21]则通过实验和数值模拟研究，得出了与闫维纲等接近的结论。

上述研究多数关注于不同的几何结构的对比上，对几何结构自身特征影响的研究与分析相对较少，同时对几何结构影响机制的深入研究与探索也较为缺乏。

本文将针对建筑外立面的非对称U 型结构，研究不同特征参数下的非对称U 型结构对火灾蔓延特性的影响，并分析其作用机制。

1 实验材料与方法1.1 U 型结构的结构因子为了更好地表征不同的非对称U 型结构的结构特点，本文引入（平均）结构因子α与不对称程度α∆两个特征参数。

其含义如图2所示。

图2 （平均）结构因子α与不对称程度α∆示意图以及实验台简图图2中，B 为背墙宽度，1A 、2A 为不对称的两个侧墙宽度，则（平均）结构因子的代表了非对称U 型结构整体的进深程度，其值越大，代表整体的进深程度越深。

而不对称程度则代表了两侧侧墙宽度的差异，其值越大，代表两侧侧墙宽度的差距越大。

1.2 实验装置实验装置如图2所示。

实验台使用铝型材搭建框架，放置在电子天平上，用于采集质量数据，正前方使用DV 采集实验视频。

其中，U 型结构的背板材质为可燃的PMMA 板材，宽度10B cm =，厚度为5mm ，高度为30cm 。

PMMA 板材嵌入在厚2cm 的陶瓷纤维耐火板上。

而侧墙材质为陶瓷纤维板，厚度2cm 。

侧墙宽度随实验工况不同进行调节。

实验中使用丙烷喷枪点火，点火时通过人工控制使得PMMA 板材上边缘受热均匀，点火后火焰前锋保持直线蔓延。

1.3 实验工况本文实验选取三种不同的不对称程度：0α∆=（普通对称情况），0.1α∆=以及0.2α∆=。

其中，0α∆=时，选取的结构因子分别为0,0.4,0.8,1.2,1.6α=，而当0.1α∆=和0.2α∆=时，选取的结构因子分别为0.4,0.6,0.8,1.0,1.2α=。

每种工况均重复实验两次。

之所以普通对称情况下结构因子选取0-1.6的情况，而非对称情况下结构因子选取0.4-1.2的情况，一是因为对称情况下更宽泛的结构因子更有利于研究结构因子的影响趋势，二是当结构因子0α=时对应平面结构，此时α∆无意义。

具体工况如表1所示。

表1 实验工况表结构因子α不对称程度α∆ 0 0.1 0.2 0√ N/A N/A 0.4√ √ √ 0.6N/A √ √ 0.8√ √ √ 1.0N/A √ √ 1.2√ √ √ 1.6√ N/A N/A2 实验结果与讨论2.1 火蔓延速度对于固体材料的火灾特性而言，其火蔓延速度是众多表征参数中最重要的表征参数之一。

而对于建筑外立面结构的整体火灾特性，火蔓延速度则可以反应结构对火蔓延的影响程度，并可在设计阶段对相应的火灾危害进行评估。

因此，有必要对非对称U 型结构的火蔓延速度进行研究。

点火前 0s(点火) 300s 600s 900s 1200s 1500s1800s 2100s 2400s 2700s 3000s 3300s 3600s图3 典型的实验过程视频截图（=0.4α，=0.2α∆）图3所示为典型的实验过程截图。

通过一定的火焰图像处理方法[22]对实验视频进行处理可以得到火焰的形状以及位置信息，其中就包括每一帧中热解前锋位置和火焰高度的像素位置和距离数据。

由于摄像机镜头与材料表面平行，镜头变型可以忽略，故可利用已知的参考长度（材料长度等）将像素坐标等比换算为实际坐标。

结合视频的帧速率则可以得到热解前锋位置随时间的变化曲线。

对火焰稳定蔓延阶段的热解前锋位置进行线性拟合，拟合曲线的斜率即为火蔓延速度，其截距由于选择参考系坐标原点的不同而无意义。

在本文中，由于PMMA 材料火蔓延速度较慢，且点火后不稳定阶段与稳定阶段之间的转变不明显，为了尽可能选择稳定阶段进行研究，选择点火后2000s 之后的阶段，认为此阶段中火蔓延一定处于稳定阶段。

对于每种工而言，取对应的实验的平均值作为该工况平均火蔓延速度，图4所示为火蔓延速度随结构因子的变化情况。

F l a m e S p r e a d S p e e d (m m /s )Alpha图4 各工况平均火蔓延速度随结构因子α及不对称程度α∆的变化可以发现，火蔓延速度在整体上会随结构因子α的增大而增大，但增大的趋势则逐渐减小，当结构因子增大到一定程度时，火蔓延速度将趋于一个稳定值。

对于具体的火蔓延速度的数值而言，在0α= 时，火蔓延速度最低，随着α 的增大，火蔓延速度相比于0α=时的有最大约23%的增长。

而当结构因子α相同时，火蔓延速度则随着不对称程度α∆的增大而降低。

实验的结果在整体上与作者在之前的研究结果[17, 18]基本一致。

对于对称的情况，之前的研究结果中也有所解释：火焰的卷吸作用受到两侧壁面的限制，进而增大诱导气流速度。

U 型结构加深（α增大），限制作用越大，最终导致诱导气流增大。

而火焰对热解区的热反馈为()/f g f ig g q k T T δ''=-，边界层厚度近似为,/()g g g p g k c u δρ∞=[23],其中g k 、f T 、ig T 、g ρ、,p g c 、u ∞和g δ分别是气相导热系数、火焰温度、点燃温度、气体密度、气体定压比热、诱导气流速度和边界层厚度。

边界层厚度随诱导气流速度的增加而减小，进而导致热流密度增大。

最终增大火蔓延速度。

因此火蔓延速度随结构因子α的增大而增大。

对于不对称情况，随着不对称程度α∆的增大，一侧侧壁对卷吸的限制作用减小，而另一侧的限制作用则增大。

但是，两侧的改变对卷吸限制作用的变化程度不同。

因此，不对称的结构的对卷吸的整体限制作用与对称结构有差距。

相对而言，较短的一侧的影响程度较大，导致整体上限制卷吸的程度随不对称程度α∆的增大而减小。

因此，对应的火蔓延速度则随α∆的增大而减小。

2.2 平均火焰高度本文中，对火焰瞬时高度的定义是火焰尖端与火焰前锋之间的距离。

与热解前锋类似的，通过对视频进行处理可以得到火焰瞬时高度随时间的变化规律。

由于火焰的脉动，导致火焰瞬时高度随时间的波动较大。

而经典的平均火焰高度的定义则为50%概率火焰高度[24]，平均火焰高度是稳定阶段火焰瞬时高度的中位数。