1.1 团生产的红梅香烟,点燃方式为直接点燃,燃烧方 通过实验发现, 香烟的燃烧时间为 8分钟左右,每组实验重复 三次,实验 发现重复性较好 ,各个仪器测量误差均在 5%以内。每 次实验结束通风排烟一个小时 ,待室内 颗粒物浓度恢复 正常进行下一组实验 除每次实验残余烟颗粒浓度 对下一次实 扰。选择测量时间20分钟,实验布置如图1所示。 实验布置图Fig〃1 Schematicviewoftheexperimentdevice 结果分析2.1 烟颗粒粒谱分布模型 通过调查文献可知烟颗粒粒谱分布曲线粒谱符 特点[10] 电荷能动性进行测量,可以快速准确输出所测微粒 的尺寸大小、数量等参数.其 粒径测 1nm~1000nm ,响应时间200 ms ,可以获取粒谱的 动态 准确计算某一尺寸粒谱范围的总浓度 粒子尺寸 分布信息。仪器提供初级稀释,避免发生凝聚和结 DP DP-DP 器的响应时间不会降低,根据不同情况下的应用不 浓度即为粒谱分布曲线下方的面积: 同的稀释器,仪器会自动修正测量的微粒浓度。 了得到在室内不同风速下粒谱的分布及颗粒的沉降变化,实验改变输入电 usb风扇 因为烟颗粒的粒谱分布符合对数正态分布 么可以用GMD GeometricMeanDiameter 240火灾科学 FIRESAFETYSCIENCE 均直径)表示其分布特性,处GMD表征颗粒物的粒谱分布特征, 烟烟颗粒粒谱同样符合对数正态分布,但随时间变化,正态分布呈现 其特殊的规律,如对无风条件下某 1s内香烟粒谱动态分布Fig〃2 Particlesizedistributionwithin1s 2.2 无风条件烟颗粒动态粒谱分析 实验时间均为20分钟,实验开始之前先进行两 组无风实验以进行对比 为参考数据。两组实验 烟源数分别 10颗,探点距烟源距离均为 升至10 测得的尺寸、浓度进行处理,得到二十分钟内每分钟粒谱和 GMD 几何平均粒径的变化规律如图3和图4所示。 Fig〃3Dynamicsizedistributionoffivecigaretteswithoutwind 无风10颗烟源动态粒谱 Fi tencigaretteswithoutwind在无风条件下,颗 粒的运动主要由因烟气空气 温差产生的自然对流和自身无规则运动的分子扩散 主导。颗粒不断地做无规则运动 ,直径较大的颗粒 由于重力作用直接沉降。中间粒径的颗粒物主要因 颗粒之间的相互碰撞 、结合、扩散运动而改变运动规 律。粒径较小的颗粒物通过不断地扩散 附形成中间粒径的颗粒物,而中间粒径颗粒物可能因为碰 撞分散成小颗粒或凝并成大颗粒沉降。 、10颗香烟 GMD 随时间变化 Fig〃5 GMDoffivecigarettesandtencigaretteswithoutwind 由实验数据可知 ,随着时间的增加,粒谱分布发 生很大的变化。 正态分布曲线的峰值显著上升,之后峰值增加速度 变缓。可知随着时间的变化小粒径和大粒径的颗粒 物浓度逐渐降低,中间粒 径颗粒物浓度升高。 通过 图5两组实验 据,可以推断出烟颗粒的总体粒谱变化,计Vol.23No.4张铖铖,等:室内多因素条件下香烟颗粒粒谱动态分布特征 241 大于之后12分 钟的斜率。 这是由于前 分钟香烟持续在燃烧,不断产生新的烟颗粒 ,源源不断产生的 烟颗粒经历着沉积、撞击、凝聚等过程。燃烧结束之 后的12分钟则是剩余烟颗粒的粒谱变化过程 ,由于 不再产生新的烟颗粒 ,所以之后粒谱的变化程度较 之前明显降低。 2.3 不同风速的烟颗粒动态粒谱 在3.5 全实验过程GMD 进行分析。(无 特殊说明,后 时的粒谱分布。显然,对5颗香烟和10颗香烟的颗粒谱分布来说,有 风条件下的粒谱分布峰值远远高 于无风条件下 略高于3.5 的趋势。由颗粒物的尺寸分布可以推断出空气中颗粒的 运动 通过分析可以知道通风条件对颗粒的运动有很大的影响,多数情况下风的影响是不可避免的 ,且受环境 影响较大。例如人们的走动,门窗的开关及空调的 使用等,这些因素都会导致室内气流流动 ,从而影响 颗粒的运动规律。无风条件下粒径较小的烟颗粒更 易吸附形成大颗粒 谱分布更为平稳。而有风条 件下,风速扰动了室内的气流运动 ,增加了粒子之间 相互碰撞几率,大颗粒不易沉降,易碰撞分散从而粒 径减小、浓GMD随着风速增加减小。 可以看出,有风条件下中间粒径的颗粒 数目急剧增 钟。通过分析可以知道这是由于香烟燃烧时不断产生新的烟颗粒,这时风对烟颗粒的运动影响更大 动更强,烟颗粒的碰撞几率增大 易形成大颗粒。当香烟燃烧结束后 ,随着时间的推移,烟颗粒随风有 一定的运动规律,容易形成大颗粒。 由上述两种情况的单独全程粒谱来看,有风时的 粒谱分布图较为尖锐,无风时分布较为平缓,这是由于 风破坏了颗粒的无规则运动,使颗粒分布更为集中。 不同风速下的粒谱分布Fig〃6 Particlesspectrumunderdifferentwindspeeds 不同风速下的GMD Fi GMDunderdifferentwindspeeds2.4 不同位置的烟颗粒动态粒谱 为分析烟颗粒在有风条件下的运动规律 验采集了距烟源不同位置的烟颗粒粒谱分布 可以看出在有风条件下,烟颗粒 随风流而迁 门、书柜等地方)无法在水平方向继续随风流扩散而积聚下来,此 时受壁面阻碍作用 GMD变大。 242 火灾科学 FIRESAFETYSCIENCE 的粒谱分布Fig〃8 Particlesspectrumof10cigaretteunder3〃5 GMDFig〃9 Particlesspectrumof10cigarettesunder4〃5 2.5不同烟源数的烟颗粒粒动态谱 为了分 1m处粒谱分布 Fig〃10 Particlesspectrumof5and10cigarettesin1m 2m处粒谱分布 Fig〃11 Particlesspectrumof5and10cigarettesin2m 3m处粒谱分布 Fig〃12 Particlesspectrumof5and10cigarettesin3m 13不同位置 GMDFig〃13 GMDofdifferentlocationsanddifferentamounts GMD变大。这 随着浓度的增加,颗粒碰撞吸附能力也提高 Vol.23No.4张铖铖,等:室内多因素条件下香烟颗粒粒谱动态分布特征 243 粒径颗粒形成大颗粒几率增加 GMD值变大。 径分布都受通风条件、颗粒浓度、凝结、吸附、碰撞和自身重力的影响。这些因素对颗粒的形成有着不同 的影响。如由于布朗作用,粒径很 小的颗粒几乎被 消除,而在重力作 粒越大,沉降越容易。 因此室内烟颗粒的运动和形 成主要受室内气流和自身浓度的影响。 )实验所得所有数据均证实烟颗粒的粒谱分 布符合对数正态分布 ,可以用对数正态分布公式进 行拟合。计算得到的 GMD 数据可以更好地表征烟 颗粒的粒谱分布特征。 )从时间对粒谱分布的影响可知,在没有外界 条件的干扰下,随着时间的增加,烟颗粒浓度不断进 行累积,浓度增加, GMD 不断变大。可以看出随着 时间的推移,粒谱的粒径分布和 GMD )室内气流对香烟颗粒的形成与粒谱分布有 很大影响,由于风速增大,颗粒自由扩散造成的碰撞 和凝聚机会减少,烟颗粒随风速运动速率加快 ,大颗 粒碰撞形成小颗粒 ,不易进行凝聚沉积,因此数量浓 度增加,而中间粒径颗粒的增多造成 GMD 减小。 )不同位置下烟颗粒粒谱分析是在有风条件 下进行的,得到的 粒谱分布是在沿着风流方向上的 粒谱分布和迁移规律。烟颗粒沿着气流方向进行迁 移,离烟源越远,烟颗粒的浓度和 GMD 均增大。 )由烟源数对粒谱的分布的影响可知,由于烟 源数的增加,产生烟颗粒浓度也增加 ,即烟颗粒的初 始浓度变大。研究表明,烟气的初始浓度也影响粒 谱的分布。烟源数越多,产生烟颗粒浓度越大,碰撞 吸附几率增加, GMD 越大。 参考文献 春:吉林科学技术出版社,1999. 大学出版社,1995. 出版社,1994. [4]KlepeisNE,etal.Real-timemeasurementofoutdoorto- accosmokeparticles[J].JournaloftheAir anagementAssociation,2007,57(5):522-534.[5]Xu M,etal.Depositionoftobaccosmokeparticlesina lowventilationroom[J].AerosolScienceandTechnolo- ,1994,20(2):194-206.[6]Sohn MD,etal.Predictingsize-resolvedparticlebehav- orinmultizone buildings[J]. Atmospheric Environ- ment,2007,41(7):1473-1482. 进军,等.棉垛早期阴燃火灾特性及棉花仓库主动吸气式复合探测研究[J].安全与环境学报 ,2012,12(2): 科学进展,2007,17(8):1150-1155. [10]方俊,等.火灾烟雾碳黑分形凝并自保 自然科学进展,2003,11(6):441-444,467. [11]涂 建新.香烟火接触织物的实验现象及燃 83-85.[12]刘 万福,等.香烟引燃特性的实验研究 研究,2010,9(29):773-774. 244 火灾科学 FIRESAFETYSCIENCE Dynamicdistributioncharacteristicsoftobaccosmokeparticlesunderi ndoorconditions ZHANG Cheng-cheng JIANGCheng SHANGRui (StateKeyLaboratoryofFireScience,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,China) Abstract:Particlesizeandsizevariationareimportantparametersfordetectingcigarettecombustionprocess,smokeparticlesize dist ributionisofimportancetostudy.Inordertoanalyzetheeffectofwindspeed,location,timeandcigarettenumbersonthe sizedi stributionandproductionlaw ofthetobaccosmokeparticles,asetofexperimentwascarriedoutunder multi-factor indoorc onditions.Resultsshow Withtheincrease oftime,the Geometric Mean Diameter (GMD)andthe concentrati onofnumberincrease,buttheparticledistributiontendsstablegradually.2)Theeffectof windspeedonthe particlespectr umismorecomplex,asthewindspeedincreases,theairflowdisturbanceintensifies,theparticleconcentration increaseandGM Dreduces.3)Indifferentlocations,smokeparticlesmovealong windflow,andfinallyaccumulatenearthe wall.Theconcentrat ionandGMDincreasealongwinddirectioninfartherlocationawayfromthesmokesource.4)Theinitial concentrationofsmoke particlesaffectsthesmokeparticledistributionandmovementcharacteristics.Tobaccosmokeparticles concentrationandGMDinc reasewiththeincreasinginitialconcentration. Keyword Dynamicdistribution