建筑外立面非對稱U型結(jié)構(gòu)火災(zāi)特性研究

基金項目：火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室開放課題(No.HZ2017-KF07)，上海高校青年教師培養(yǎng)資助計劃（ZZslg16007）。中國工程熱物理學(xué)會燃燒學(xué)學(xué)術(shù)會議論文編號：184112建筑外立面非對稱U型結(jié)構(gòu)火災(zāi)特性研究閆維綱1，王坤1，周洋2，安偉光3.1SchoolofEnergyandPowerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai,200093,PRChina.2.DepartmentofFireProtectionEngineering,Schoolofcivilengineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,PRChina3.KeyLaboratoryofGasandFireControlforCoalMines,SchoolofSafetyEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou,Jiangsu,221008,PRChinaEmail:ywg@摘要本文對建筑外立面非對稱U型結(jié)構(gòu)的火災(zāi)特性進(jìn)行了實驗研究。選取三種不對稱程度的U型結(jié)構(gòu)，得到了對應(yīng)的火蔓延速度、火焰高度和質(zhì)量損失速率隨結(jié)構(gòu)因子和不對稱程度的變化趨勢。研究發(fā)現(xiàn)，不對稱程度相同的情況下，火蔓延速度、火焰高度及質(zhì)量損失速率均隨結(jié)構(gòu)因子整體的增大而增大，且隨著結(jié)構(gòu)因子的增大，三者逐漸趨于穩(wěn)定。對于平均結(jié)構(gòu)因子相同的情況，隨著不對稱程度的增大，三者均呈現(xiàn)減小趨勢。理論分析與實驗結(jié)果相符。關(guān)鍵詞火蔓延；非對稱U型結(jié)構(gòu)；外立面火災(zāi)0前言建筑加裝外保溫系統(tǒng)是諸多建筑節(jié)能技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一，考慮到其高保溫性、輕便和廉價，建筑外保溫材料的主體多使用泡沫類有機外保溫材料。盡管在許多實際工程中使用了高阻燃等級的有機保溫材料，但近年來國內(nèi)外建筑外墻保溫系統(tǒng)火災(zāi)案例仍多有發(fā)生。而隨著建筑物功能需求的變化，其外立面結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜。許多建筑外立面存在不同尺寸的U形槽，L形拐角等。圖1所示為典型的外立面U型結(jié)構(gòu)火災(zāi)案例（烏魯木齊，神華城火災(zāi)，2010）。實際案例顯示，火災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展會受到外立面結(jié)構(gòu)形狀的影響，其火災(zāi)特性會和普通的平面保溫系統(tǒng)的有很大的不同。因此，研究外立面結(jié)構(gòu)的影響很有必要。圖1典型的建筑外立面U型結(jié)構(gòu)火災(zāi)案例（烏魯木齊，神華城火災(zāi)，2010）對于保溫系統(tǒng)中使用的典型保溫材料國內(nèi)外研究人員進(jìn)行了相當(dāng)廣泛的研究，而關(guān)于外立面結(jié)構(gòu)對火災(zāi)特性的影響，前人也取得了一些很有價值的研究成果。Tsai等ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[1-5]以及Shih和WuADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Shih</Author><Year>2008</Year><RecNum>85</RecNum><DisplayText>[6]</DisplayText><record><rec-number>85</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="fwdevv054v9pdqedeaux9za622adps592wvs"timestamp="1361888837">85</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Shih,Hsin-Yi</author><author>Wu,Hong-Chih</author></authors></contributors><auth-address>DepartmentofMechanicalEngineering,ChangGungUniversity,Taoyuan333,Taiwan</auth-address><titles><title>Anexperimentalstudyofupwardflamespreadandinteractionsovermultiplesolidfuels</title><secondary-title>JournalofFireSciences</secondary-title></titles><periodical><full-title>JournalofFireSciences</full-title></periodical><pages>435-453</pages><volume>26</volume><number>5</number><keywords><keyword>Flameresistance</keyword><keyword>Flamespraying</keyword><keyword>Flammability</keyword><keyword>Flowinteractions</keyword><keyword>Fuels</keyword><keyword>Isomers</keyword><keyword>Separation</keyword><keyword>Thermalexpansion</keyword></keywords><dates><year>2008</year></dates><pub-location>55CityRoad,London,EC1Y1SP,UnitedKingdom</pub-location><publisher>SAGEPublicationsLtd</publisher><isbn>07349041</isbn><urls><related-urls><url>/10.1177/0734904108092547</url><url>/content/26/5/435</url><url>/content/26/5/435.full.pdf</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1177/0734904108092547</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[6]都研究了可燃物的不同幾何結(jié)構(gòu)對火蔓延過程的影響。在Tsai的實驗中，研究了平面、拐角和平行三種結(jié)構(gòu)的火蔓延。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，火焰高度是影響火蔓延的主要因素。Tsai的實驗中L-型結(jié)構(gòu)是火蔓延最快的幾何結(jié)構(gòu)。Shih和Wu的實驗中，火蔓延速度最大的是封閉結(jié)構(gòu)、之后是U-型、四平行平面型、二平行平面型、L-型以及單平面型結(jié)構(gòu)。梁參軍等ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Liang</Author><Year>2014</Year><RecNum>143</RecNum><DisplayText>[7]</DisplayText><record><rec-number>143</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="fwdevv054v9pdqedeaux9za622adps592wvs"timestamp="1393663204">143</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Liang,C.J.</author><author>Cheng,X.D.</author><author>Li,K.Y.</author><author>Yang,H.</author><author>Zhang,H.P.</author><author>Yuen,K.K.</author></authors></contributors><titles><title>Experimentalstudyonflamespreadbehavioralongpoly(methylmethacrylate)cornerwallsatdifferentaltitudes</title><secondary-title>JournalofFireSciences</secondary-title></titles><periodical><full-title>JournalofFireSciences</full-title></periodical><pages>84-96</pages><volume>32</volume><number>1</number><dates><year>2014</year><pub-dates><date>Jan</date></pub-dates></dates><isbn>0734-9041</isbn><accession-num>WOS:000328829900006</accession-num><urls><related-urls><url><GotoISI>://WOS:000328829900006</url><url>/content/32/1/84.full</url><url>/content/32/1/84.full.pdf</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1177/0734904113498848</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[7]研究了不同海拔下拐角型結(jié)構(gòu)PMMA的火蔓延特性，研究顯示火蔓延速度隨拐角結(jié)構(gòu)夾角的減小而增大。唐飛等ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Tang</Author><Year>2015</Year><RecNum>377</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>377</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="fwdevv054v9pdqedeaux9za622adps592wvs"timestamp="1467795152">377</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Tang,F.</author><author>Hu,L.H.</author><author>Qiu,Z.W.</author><author>Zhang,X.C.</author><author>Lu,K.H.</author></authors></contributors><titles><title>Windowejectedflameheightandheatfluxalongfacadewithairentrainmentconstraintbyaslopingfacingwall</title><secondary-title>FireSafetyJournal</secondary-title></titles><periodical><full-title>FireSafetyJournal</full-title></periodical><pages>248-256</pages><volume>71</volume><dates><year>2015</year><pub-dates><date>Jan</date></pub-dates></dates><isbn>0379-7112</isbn><accession-num>WOS:000349728000022</accession-num><urls><related-urls><url><GotoISI>://WOS:000349728000022</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1016/j.firesaf.2014.11.023</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[8]研究了傾斜外墻限制卷吸條件下溢流火的火焰高度和輻射強度特性，研究發(fā)現(xiàn)火焰高度及輻射強度隨傾斜外墻水平夾角的增加而增大。ShihADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Hsin-Yi</Author><Year>2009</Year><RecNum>70</RecNum><DisplayText>[9]</DisplayText><record><rec-number>70</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="fwdevv054v9pdqedeaux9za622adps592wvs"timestamp="1361887175">70</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Hsin-Yi,Shih</author></authors></contributors><titles><title>Flamespreadandinteractionsinanarrayofthinsolidsinlow-speedconcurrentflows</title><secondary-title>Combustion,TheoryandModelling</secondary-title></titles><periodical><full-title>Combustion,TheoryandModelling</full-title></periodical><pages>443-59</pages><volume>13</volume><number>3</number><dates><year>2009</year><pub-dates><date>June</date></pub-dates></dates><isbn>1364-7830</isbn><accession-num>INSPEC:10812092</accession-num><urls><related-urls><url><GotoISI>://INSPEC:10812092</url><url>/doi/pdf/10.1080/13647830902807314</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1080/13647830902807314</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[9]利用耦合輻射的二維火蔓延模型對低速逆流條件下一組薄固體材料火蔓延的相互作用進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并研究了隧道效應(yīng)和輻射的相互作用。Avinash等ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Avinash</Author><Year>2016</Year><RecNum>438</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>438</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="fwdevv054v9pdqedeaux9za622adps592wvs"timestamp="1484377393">438</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Avinash,Govindaraju</author><author>Kumar,Amit</author><author>Raghavan,Vasudevan</author></authors></contributors><titles><title>Experimentalanalysisofdiffusionflamespreadalongthinparallelsolidfuelsurfacesinanaturalconvectiveenvironment</title><secondary-title>CombustionandFlame</secondary-title></titles><periodical><full-title>CombustionandFlame</full-title></periodical><pages>321-333</pages><volume>165</volume><dates><year>2016</year><pub-dates><date>Mar</date></pub-dates></dates><isbn>0010-2180</isbn><accession-num>WOS:000371561400024</accession-num><urls><related-urls><url><GotoISI>://WOS:000371561400024</url><url>/S0010218015004587/1-s2.0-S0010218015004587-main.pdf?_tid=a8ff8ec0-da27-11e6-8b1d-00000aacb360&acdnat=1484377635_91a7eb4b103126acf340ee87d999b3bd</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1016/bustflame.2015.12.015</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[10]實驗研究了自然對流條件下平行的薄固體材料的擴散火焰蔓延特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)距離較近時火蔓延速度小于單表面的情況，而當(dāng)距離適中時火蔓延速度高于單表面，當(dāng)距離足夠大時，火蔓延速度與單表面相同。胡隆華等ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Hu</Author><Year>2014</Year><RecNum>234</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>234</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="fwdevv054v9pdqedeaux9za622adps592wvs"timestamp="1453707772">234</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Hu,L.H.</author><author>Lu,K.H.</author><author>Tang,F.</author><author>Delichatsios,M.</author><author>He,L.H.</author></authors></contributors><titles><title>Aglobalnon-dimensionalfactorcharacterizingsidewallconstrainteffectonfacadeflameentrainmentandflameheightfromopeningofcompartmentfires</title><secondary-title>InternationalJournalofHeatandMassTransfer</secondary-title></titles><periodical><full-title>InternationalJournalofHeatandMassTransfer</full-title></periodical><pages>122-129</pages><volume>75</volume><keywords><keyword>Compartmentfire</keyword><keyword>Facadeflame</keyword><keyword>Sidewall</keyword><keyword>Meanflameheight</keyword><keyword>Globalnon-dimensionalfactor</keyword></keywords><dates><year>2014</year><pub-dates><date>8//</date></pub-dates></dates><isbn>0017-9310</isbn><urls><related-urls><url>/science/article/pii/S0017931014002658</url><url>/S0017931014002658/1-s2.0-S0017931014002658-main.pdf?_tid=4685841e-c337-11e5-876f-00000aacb361&acdnat=1453707967_e3cb05ae1c1477e8222d814e7c1d6323</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.03.059</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[11]與陸凱華等ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[12,13]共同研究了側(cè)墻對開口艙室火溢流特性的影響，結(jié)果表明側(cè)墻的影響存在兩種模式，對于較小的火焰?zhèn)葔﹂g距對無量綱火焰高度及無量綱輻射強度幾乎沒有影響，而對于較大的火焰，兩者隨側(cè)墻間距減小而增大。安偉光等ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[14-16]建立了試樣寬度、氣壓及U形槽影響的XPS豎向火蔓延模型。閆維綱等ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[17-19]通過理論分析發(fā)現(xiàn)火蔓延速度正比U形槽誘導(dǎo)的向上卷吸氣流速度，而U形槽深度的增大促使向上卷吸氣流速度增大，并建立了U形槽結(jié)構(gòu)對PU材料火蔓延速度影響的模型。同時通過中大尺度實驗進(jìn)行了驗證。李建濤等ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Li</Author><Year>2012</Year><RecNum>239</RecNum><DisplayText>[20,21]</DisplayText><record><rec-number>239</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="fwdevv054v9pdqedeaux9za622adps592wvs"timestamp="1453709484">239</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Li,Jiantao</author><author>Yan,Weigang</author><author>Zhu,Hongya</author><author>Wang,Qingsong</author><author>Sun,Jinhua</author></authors></contributors><titles><title>Experimentalstudyonthefirespreadinhigh-risebuildingswithU-shapedoutside-facadestructure</title><secondary-title>FireSafetyScience</secondary-title></titles><periodical><full-title>FireSafetyScience</full-title></periodical><pages>167-173</pages><volume>21</volume><number>04</number><dates><year>2012</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Li</Author><Year>2012</Year><RecNum>240</RecNum><record><rec-number>240</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="fwdevv054v9pdqedeaux9za622adps592wvs"timestamp="1453709570">240</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Li,Jiantao</author><author>Yan,Weigang</author><author>Zhu,Hongya</author><author>Wang,Qingsong</author><author>Sun,Jinhua</author></authors></contributors><titles><title>Numericalsimulationonthefirespreadinhigh-risebuildingswithU-shapedoutside-facadestructure</title><secondary-title>FireSafetyScience</secondary-title></titles><periodical><full-title>FireSafetyScience</full-title></periodical><pages>174-180</pages><volume>21</volume><number>04</number><dates><year>2012</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[20,21]則通過實驗和數(shù)值模擬研究，得出了與閆維綱等接近的結(jié)論。上述研究多數(shù)關(guān)注于不同的幾何結(jié)構(gòu)的對比上，對幾何結(jié)構(gòu)自身特征影響的研究與分析相對較少，同時對幾何結(jié)構(gòu)影響機制的深入研究與探索也較為缺乏。本文將針對建筑外立面的非對稱U型結(jié)構(gòu)，研究不同特征參數(shù)下的非對稱U型結(jié)構(gòu)對火災(zāi)蔓延特性的影響，并分析其作用機制。1實驗材料與方法1.1U型結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)因子為了更好地表征不同的非對稱U型結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點，本文引入（平均）結(jié)構(gòu)因子與不對稱程度兩個特征參數(shù)。其含義如圖2所示。圖2（平均）結(jié)構(gòu)因子與不對稱程度示意圖以及實驗臺簡圖圖2中，為背墻寬度，、為不對稱的兩個側(cè)墻寬度，則（平均）結(jié)構(gòu)因子的代表了非對稱U型結(jié)構(gòu)整體的進(jìn)深程度，其值越大，代表整體的進(jìn)深程度越深。而不對稱程度則代表了兩側(cè)側(cè)墻寬度的差異，其值越大，代表兩側(cè)側(cè)墻寬度的差距越大。1.2實驗裝置實驗裝置如圖2所示。實驗臺使用鋁型材搭建框架，放置在電子天平上，用于采集質(zhì)量數(shù)據(jù)，正前方使用DV采集實驗視頻。其中，U型結(jié)構(gòu)的背板材質(zhì)為可燃的PMMA板材，寬度，厚度為5mm，高度為30cm。PMMA板材嵌入在厚2cm的陶瓷纖維耐火板上。而側(cè)墻材質(zhì)為陶瓷纖維板，厚度2cm。側(cè)墻寬度隨實驗工況不同進(jìn)行調(diào)節(jié)。實驗中使用丙烷噴槍點火，點火時通過人工控制使得PMMA板材上邊緣受熱均勻，點火后火焰前鋒保持直線蔓延。1.3實驗工況本文實驗選取三種不同的不對稱程度：（普通對稱情況），以及。其中，時，選取的結(jié)構(gòu)因子分別為，而當(dāng)和時，選取的結(jié)構(gòu)因子分別為。每種工況均重復(fù)實驗兩次。之所以普通對稱情況下結(jié)構(gòu)因子選取0-1.6的情況，而非對稱情況下結(jié)構(gòu)因子選取0.4-1.2的情況，一是因為對稱情況下更寬泛的結(jié)構(gòu)因子更有利于研究結(jié)構(gòu)因子的影響趨勢，二是當(dāng)結(jié)構(gòu)因子時對應(yīng)平面結(jié)構(gòu)，此時無意義。具體工況如表1所示。表1實驗工況表結(jié)構(gòu)因子不對稱程度00.10.20√N/AN/A0.4√√√N/A√√√√√1.0N/A√√1.2√√√1.6√N/AN/A2實驗結(jié)果與討論2.1火蔓延速度對于固體材料的火災(zāi)特性而言，其火蔓延速度是眾多表征參數(shù)中最重要的表征參數(shù)之一。而對于建筑外立面結(jié)構(gòu)的整體火災(zāi)特性，火蔓延速度則可以反應(yīng)結(jié)構(gòu)對火蔓延的影響程度，并可在設(shè)計階段對相應(yīng)的火災(zāi)危害進(jìn)行評估。因此，有必要對非對稱U型結(jié)構(gòu)的火蔓延速度進(jìn)行研究。點火前0s(點火)300s600s900s1200s1500s1800s2100s2400s2700s3000s3300s3600s圖3典型的實驗過程視頻截圖（，）圖3所示為典型的實驗過程截圖。通過一定的火焰圖像處理方法ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Yan</Author><Year>2012</Year><RecNum>139</RecNum><DisplayText>[22]</DisplayText><record><rec-number>139</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="fwdevv054v9pdqedeaux9za622adps592wvs"timestamp="1379394353">139</key></foreign-keys><ref-typename="BookSection">5</ref-type><contributors><authors><author>Yan,Weigang</author><author>Wang,ChangJian</author><author>Guo,Jin</author></authors><secondary-authors><author>Sun,D.</author><author>Sung,W.P.</author><author>Chen,R.</author></secondary-authors></contributors><auth-address>[Yan,Weigang;Wang,Changjiang;Guo,Jin]UnivSci&TechnolChina,StateKeyLabFireSci,Hefei230026,Anhui,PeoplesRChina. Wang,CJ(reprintauthor),UnivSci&TechnolChina,StateKeyLabFireSci,Hefei230026,Anhui,PeoplesRChina. ywg@;chjwang@;Guojin@</auth-address><titles><title>OneExtendedOTSUflameImagerecognitionMethodUsingRGBLandStripesegmentation</title><secondary-title>FrontiersofManufacturingandDesignScienceIi,Pts1-6</secondary-title><tertiary-title>AppliedMechanicsandMaterials</tertiary-title></titles><pages>2141-2145</pages><volume>121-126</volume><keywords><keyword>Flame</keyword><keyword>Imagesegmentation</keyword><keyword>OTSUmethod</keyword><keyword>Stripesegmentation</keyword><keyword>RGBLmethod</keyword></keywords><dates><year>2012</year></dates><pub-location>Stafa-Zurich</pub-location><publisher>TransTechPublicationsLtd</publisher><isbn>1660-9336 978-3-03785-282-8</isbn><accession-num>WOS:000307425401091</accession-num><urls><related-urls><url><GotoISI>://WOS:000307425401091</url><url>/AMM.121-126.2141</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.4028//AMM.121-126.2141</electronic-resource-num><language>English</language></record></Cite></EndNote>[22]對實驗視頻進(jìn)行處理可以得到火焰的形狀以及位置信息，其中就包括每一幀中熱解前鋒位置和火焰高度的像素位置和距離數(shù)據(jù)。由于攝像機鏡頭與材料表面平行，鏡頭變型可以忽略，故可利用已知的參考長度（材料長度等）將像素坐標(biāo)等比換算為實際坐標(biāo)。結(jié)合視頻的幀速率則可以得到熱解前鋒位置隨時間的變化曲線。對火焰穩(wěn)定蔓延階段的熱解前鋒位置進(jìn)行線性擬合，擬合曲線的斜率即為火蔓延速度，其截距由于選擇參考系坐標(biāo)原點的不同而無意義。在本文中，由于PMMA材料火蔓延速度較慢，且點火后不穩(wěn)定階段與穩(wěn)定階段之間的轉(zhuǎn)變不明顯，為了盡可能選擇穩(wěn)定階段進(jìn)行研究，選擇點火后2000s之后的階段，認(rèn)為此階段中火蔓延一定處于穩(wěn)定階段。對于每種工而言，取對應(yīng)的實驗的平均值作為該工況平均火蔓延速度，圖4所示為火蔓延速度隨結(jié)構(gòu)因子的變化情況。圖4各工況平均火蔓延速度隨結(jié)構(gòu)因子及不對稱程度的變化可以發(fā)現(xiàn)，火蔓延速度在整體上會隨結(jié)構(gòu)因子的增大而增大，但增大的趨勢則逐漸減小，當(dāng)結(jié)構(gòu)因子增大到一定程度時，火蔓延速度將趨于一個穩(wěn)定值。對于具體的火蔓延速度的數(shù)值而言，在時，火蔓延速度最低，隨著的增大，火蔓延速度相比于時的有最大約23%的增長。而當(dāng)結(jié)構(gòu)因子相同時，火蔓延速度則隨著不對稱程度的增大而降低。實驗的結(jié)果在整體上與作者在之前的研究結(jié)果ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[17,18]基本一致。對于對稱的情況，之前的研究結(jié)果中也有所解釋：火焰的卷吸作用受到兩側(cè)壁面的限制，進(jìn)而增大誘導(dǎo)氣流速度。U型結(jié)構(gòu)加深（增大），限制作用越大，最終導(dǎo)致誘導(dǎo)氣流增大。而火焰對熱解區(qū)的熱反饋為，邊界層厚度近似為ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Quintiere</Author><Year>2006</Year><RecNum>118</RecNum><DisplayText>[23]</DisplayText><record><rec-number>118</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="fwdevv054v9pdqedeaux9za622adps592wvs"timestamp="1362713721">118</key></foreign-keys><ref-typename="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>Quintiere,J.G.</author></authors></contributors><titles><title>Fundamentalsoffirephenomena</title></titles><dates><year>2006</year></dates><pub-location>UK</pub-location><publisher>JohnWiley&Sons</publisher><isbn>9780470091135</isbn><urls><related-urls><url>.hk/books?id=otFSAAAAMAAJ</url></related-urls></urls></record></Cite></EndNote>[23],其中、、、、、和分別是氣相導(dǎo)熱系數(shù)、火焰溫度、點燃溫度、氣體密度、氣體定壓比熱、誘導(dǎo)氣流速度和邊界層厚度。邊界層厚度隨誘導(dǎo)氣流速度的增加而減小，進(jìn)而導(dǎo)致熱流密度增大。最終增大火蔓延速度。因此火蔓延速度隨結(jié)構(gòu)因子的增大而增大。對于不對稱情況，隨著不對稱程度的增大，一側(cè)側(cè)壁對卷吸的限制作用減小，而另一側(cè)的限制作用則增大。但是，兩側(cè)的改變對卷吸限制作用的變化程度不同。因此，不對稱的結(jié)構(gòu)的對卷吸的整體限制作用與對稱結(jié)構(gòu)有差距。相對而言，較短的一側(cè)的影響程度較大，導(dǎo)致整體上限制卷吸的程度隨不對稱程度的增大而減小。因此，對應(yīng)的火蔓延速度則隨的增大而減小。2.2平均火焰高度本文中，對火焰瞬時高度的定義是火焰尖端與火焰前鋒之間的距離。與熱解前鋒類似的，通過對視頻進(jìn)行處理可以得到火焰瞬時高度隨時間的變化規(guī)律。由于火焰的脈動，導(dǎo)致火焰瞬時高度隨時間的波動較大。而經(jīng)典的平均火焰高度的定義則為50%概率火焰高度ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Heskestad</Author><Year>1983</Year><RecNum>168</RecNum><DisplayText>[24]</DisplayText><record><rec-number>168</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="fwdevv054v9pdqedeaux9za622adps592wvs"timestamp="1430289166">168</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Heskestad,Gunnar</author></authors></contributors><titles><title>Luminousheightsofturbulentdiffusionflames</title><secondary-title>FireSafetyJournal</secondary-title></titles><periodical><full-title>FireSafetyJournal</full-title></periodical><pages>103-108</pages><volume>5</volume><number>2</number><dates><year>1983</year><pub-dates><date>//</date></pub-dates></dates><isbn>0379-7112</isbn><urls><related-urls><url>/science/article/pii/0379711283900024</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>/10.1016/0379-7112(83)90002-4</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[24]，平均火焰高度是穩(wěn)定階段火焰瞬時高度的中位數(shù)。本文使用統(tǒng)計平均值作為平均火焰高度。需要說明的是，兩者在數(shù)學(xué)定義上是不同的。然而，對于穩(wěn)態(tài)火焰而言，兩者的數(shù)值差別極?。s1mm），可以忽略。圖5所示為平均火焰高度和結(jié)構(gòu)因子及不對稱程度的關(guān)系。可以看出，火焰高度也隨著結(jié)構(gòu)因子的增大而增大，且增大的趨勢逐漸減小。層流火焰的無量綱火焰高度與Froude數(shù)有關(guān)，ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Williams</Author><Year>1985</Year><RecNum>158</RecNum><DisplayText>[25]</DisplayText><record><rec-number>158</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="fwdevv054v9pdqedeaux9za622adps592wvs"timestamp="1414844538">158</key></foreign-keys><ref-typename="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>Williams,F.A.</author></authors></contributors><titles><title>CombustionTheory:TheFundamentalTheoryofChemicallyReactingFlowSystems</title></titles><dates><year>1985</year></dates><publisher>PerseusBooksGroup</publisher><isbn>9780201407778</isbn><urls><related-urls><url>.hk/books?id=VpaLYFjt_tUC</url></related-urls></urls></record></Cite></EndNote>[25]，而Froude數(shù)為與誘導(dǎo)氣流速度的平方成正比。又由于誘導(dǎo)氣流速度隨結(jié)構(gòu)因子增大而增大并逐漸趨于穩(wěn)定，故火焰高度也有相似的規(guī)律。而對于不對稱程度的改變，與火蔓延速度類似的，由于誘導(dǎo)氣流速度隨不對稱程度的增大而逐漸減小，因此對應(yīng)的火焰高度也隨不對稱程度的增大而減小。圖5各工況平均火焰高度隨結(jié)構(gòu)因子及不對稱程度的變化2.3質(zhì)量損失速率圖6所示為質(zhì)量損失速率隨結(jié)構(gòu)因子及不對稱程度的變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，與前述類似的，質(zhì)量損失速率在整體上也隨結(jié)構(gòu)因子的增大而增大并逐漸趨于平穩(wěn)。并且隨不對稱程度的增大而減小。對于結(jié)構(gòu)因子且不對稱程度時，質(zhì)量損失速率高于結(jié)構(gòu)因子且不對稱程度時的值，這與上文總結(jié)的趨勢不符。通過對數(shù)據(jù)的檢查發(fā)現(xiàn)，該工況的一組數(shù)據(jù)明顯偏高，這可能是由于其他因素導(dǎo)致的實驗數(shù)據(jù)的不正常，例如材料厚度偏厚導(dǎo)致質(zhì)量損失速率偏大。對于穩(wěn)態(tài)火蔓延的質(zhì)量損失速率而言，，其中、、和分別為材料密度、火蔓延速度、材料寬度和厚度。因此質(zhì)量損失速率與火蔓延速率有相同的變化趨勢。圖6各工況平均質(zhì)量損失速率隨結(jié)構(gòu)因子及不對稱程度的變化2.1非對稱U型結(jié)構(gòu)對火災(zāi)特性的影響對于對稱U型結(jié)構(gòu)條件下結(jié)構(gòu)因子對火蔓延的影響而言，之前的研究成果已經(jīng)有了較為深入的研究分析。而對于非對稱U型結(jié)構(gòu)的影響特性，其整體的影響機制與對稱情形類似。當(dāng)不對稱程度相同時，邊墻整體的增大會限制火焰從兩側(cè)的卷吸行為，只能從前方和下方卷吸空氣。也就是說，有邊墻時，火焰需要從正面和下面卷吸更多的空氣，這將會使向上的誘導(dǎo)氣流速度增大，進(jìn)而導(dǎo)致火蔓延速度的增大。當(dāng)邊墻寬度整體增加時，火焰從正前方的卷吸變得更加困難，因此從下部的卷吸會不斷增強，直接導(dǎo)致誘導(dǎo)氣流速度的增大，并最終導(dǎo)致火蔓延速度增大。對于平均結(jié)構(gòu)因子相同的情況，隨著不對稱程度的增大，意味著一側(cè)對卷吸的限制作用減小，而另一側(cè)的限制作用則增大。從之前建立的模型來看，結(jié)構(gòu)因子對誘導(dǎo)氣流速度的影響的趨勢可以用函數(shù)表示：ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Yan</Author><Year>2015</Year><RecNum>174</RecNum><DisplayText>[18]</DisplayText><record><rec-number>174</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="fwdevv054v9pdqedeaux9za622adps592wvs"timestamp="1441959025">174</key></foreign-keys><ref-typename="ConferencePaper">47</ref-type><contributors><authors><author>Yan,Weigang</author><author>Shen,Yang</author><author>Jiang,Lin</author><author>an,Weiguang</author><author>Zhou,Yang</author><author>Li,Zhen</author><author>Sun,Jinhua</author></authors></contributors><titles><title>Experimentalstudyofsidewallandpressureeffectonverticaldownwardflamespreadoverinsulationmaterial</title><secondary-title>The10thAsia-OceaniaSymposiumonFireScienceandTechnology</secondary-title></titles><volume>Accepted</volume><dates><year>2015</year></dates><pub-location>Tsukuba,Japan</pub-location><urls></urls></record></Cite></EndNote>[18]，不難發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)因子對誘導(dǎo)氣流速度影響程度隨自身的增大而減小，也就是說，當(dāng)結(jié)構(gòu)因子較小時，一定的改變將導(dǎo)致誘導(dǎo)氣流速度產(chǎn)生較大的變化，而當(dāng)結(jié)構(gòu)因子較大時，對誘導(dǎo)氣流速度的改變將顯著減小。而對于不對稱程度而言，一側(cè)邊墻的減小意味著對卷吸限制作用的減小，另一側(cè)的增加則意味著限制作用的增加。結(jié)合函數(shù)來看，減小帶來的影響比增大帶來的影響要大，因此，不對稱情況下，一側(cè)邊墻減小的影響占主導(dǎo)地位。也就是說，隨著不對稱程度的增大，整體的效果與邊墻不斷減小類似，因而其誘導(dǎo)氣流速度隨的增大而減小，最終導(dǎo)致對應(yīng)的火蔓延速度則隨的增大而減小。3結(jié)論本文對建筑外立面非對稱U型結(jié)構(gòu)的火災(zāi)特性進(jìn)行了實驗研究。研究發(fā)現(xiàn)，不對稱程度相同的情況下，火蔓延速度、火焰高度及質(zhì)量損失速率均隨結(jié)構(gòu)因子整體的增大而增大，且隨著結(jié)構(gòu)因子的增大，三者增大的趨勢逐漸減小，趨于穩(wěn)定。對于平均結(jié)構(gòu)因子相同的情況下，隨著不對稱程度的增大，三者均呈現(xiàn)減小趨勢。理論分析與實驗結(jié)果相一致。參考文獻(xiàn)ADDINEN.REFLIST[1]AnW.,InvestigationofCombustionandFlameSpreadBehaviorsofPSInsulationMaterialsApplyingtoBuildingExteriorWall,in,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei,China,2015.[2]TsaiK.-C.,Upwardflamespreadonaflatsurface,inacornerandbetweentwoparallelsurfaces,JournaloftheChineseSocietyofMechanicalEngineers,28(2007)341-348.[3]TsaiK.-C.,Widtheffectonupwardflamespread,FireSafetyJournal,44(2009)962-967.[4]TsaiK.-C.,Influenceofsidewallsonwidtheffectsofupwardflamespread,FireSafetyJournal,46(2011)294-304.[5]TsaiK.-C.,WanF.-S.,Upwardflamespread:Thewidtheffect,in:8thInternationalSymposiumonFireSafetyScience,September18,2005-September23,2005,InterscienceCommunicationsLtd,Beijing,China,2005,pp.409-419.[6]ShihH.-Y.,WuH.-C.,Anexperimentalstudyofupwardflamespreadandinteractionsovermultiplesolidfuels,JournalofFireSciences,26(2008)435-453.[7]LiangC.J.,ChengX.D.,LiK.Y.,YangH.,ZhangH.P.,YuenK.K.,Experimentalstudyonflamespreadbehavioralongpoly(methylmethacrylate)cornerwallsatdifferentaltitudes,JournalofFireSciences,32(2014)84-96.[8]TangF.,HuL.H.,QiuZ.W.,ZhangX.C.,LuK.H.,Windowejectedflameheightandheatfluxalongfacadewithairentrainmentconstraintbyaslopingfacingwall,FireSafetyJournal,71(2015)248-256.[9]Hsin-YiS.,Flamespreadandinteractionsinanarrayofthinsolidsinlow-speedconcurrentflows,Combustion,TheoryandModelling,13(2009)443-459.[10]AvinashG.,KumarA.,RaghavanV.,Experimentalanalysisofdiffusionflamespreadalongthinparallelsolidfuelsurfacesinanaturalconvectiveenvironment,CombustionandFlame,165(2016)321-333.[11]HuL.H.,LuK.H.,TangF.,DelichatsiosM.,HeL.H.,Aglobalnon-dimensionalfactorcharacterizingsidewallconstrainteffectonfacadeflameentrainmentandflameheightfromopeningofcompartmentfires,InternationalJournalofHeatandMassTransfer,75(2014)122-129.[12]LuK.H.,HuL.H.,TangF.,HeL.H.,ZhangX.C.,QiuZ.W.,Experimentalinvestigationonwindowejectedfacadeflameheightswithdifferentconstraintsidewalllengthsandglobalcorrelation,InternationalJournalof