环境风速和导线间距对火蔓延行为的影响研究

发布时间：2020-05-01 02:25

【摘要】：火灾安全是载人航天任务中最为敏感性的问题之一,意外的电弧、短路或过热都可能点燃导线绝缘层而引起火灾,从而对人造航天器构成严重安全隐患。特别是,在一个封闭的环境,如载人飞船,没有逃生的空间,以前的太空任务中已有数起由于导线短路或者导线局部过热引起的事故。在国家战略层面,我国目前正大力发展航空航天技术,诸如“实践”系列返回式卫星,空间站和大型运输机等;从国内国外航天航空实践来看,也的确发生了由于电线短路导致的航天航空事故,1998年的瑞士航空111航班空难和美国阿波罗1号航天事故。在航空航天火灾研究方面,我国基础理论、防控技术以及产品性能均落后,而欧美国家对我国实行技术封锁。因此,我们要大力发展航空航天火灾研究,扭转我国技术落后局面。导线一旦被点燃,若存在外部顺风气流,可能促使火灾延导线迅速蔓延,产生更多的烟雾和毒性气体,造成更大的破坏;现实生活中,导线的大量使用且导线的安装布置也千变万化,不同导线安装方式对导线火灾的发生和蔓延都具有重要影响。基于外界风速和导线间距对导线火灾影响的研究目前还比较少,本文关于导线火灾的研究主要有四个方面:(1)环境风作用下导线点燃温度和点火延迟时间演化特征:(2)环境风作用下水平导线火蔓延及吹熄行为的研究;(3)环境风作用下倾斜导线火蔓延及吹熄行为的研究;(4)不同导线间距平行双导线火蔓延的相互作用及传热机制的研究。具体研究内容如下:(1)研究了不同环境风速下导线点燃温度和点火延迟时间演化特征。建立了环境风作用下导线点燃实验装置,通过对导线点燃过程的特征参数(导线点燃温度和导线点火延迟时间)进行测量,分析了环境风速对导线点燃行为的影响,结合传热传质相关知识,揭示了不同环境风速下的导线点燃温度演化规律,建立了点火延迟时间的预测模型,并分析了导线内芯在环境风中点燃过程热量传递规律。(2)研究了水平环境风条件下水平导线火蔓延和吹熄行为。分析了导线几何结构对不同顺风风速中的导线火蔓延和吹熄行为的影响,建立了基于传热分析的火蔓延模型,分析了最大火蔓延速率和佛罗德数(Fr)关系,研究发现,顺流风速对导线火蔓延速率有明显的促进作用,揭示了水平顺风作用下导线火蔓延传热规律,运用达姆科勒数(Damkohler number)和固相的热量损失分析了火焰吹熄机制。(3)研究了不同水平风速下倾斜导线火蔓延和吹熄行为。基于前人发现顺流风速对火焰的蔓延行为有显著的影响,但不同水平风速下倾斜导线火蔓延行为仍未得到很好的理解。开展了不同水平风速作用下倾斜导线导线火蔓延和吹熄实验。揭示了火蔓延速率和火焰几何长度、水平风速和导线倾角的关系。结果表明,随着水平风速的增大,各倾角下沿导线的火蔓延速率先增大到最大值,然后略有减小,直至吹灭。揭示了水平风速和火焰加速临界倾角的变化规律以及最大火蔓延速率时火焰形态。利用佛罗德数量化了燃料倾角与风速之间的相互作用。此外,随着燃料倾角的增大,吹熄风速减小,并基于临界应变率(strain rate),揭示了倾斜导线上火焰吹熄的物理机制。(4)研究了水平双导线上的火蔓延行为特征。开展了不同导线间距下火蔓延行为实验,通过量化火焰特征长度(火焰高度、火焰基部宽度),揭示了火蔓延相互作用随导线间距的演化规律,同时,比较导线火蔓延速率和平均质量损失速率,基于质量和能量角度分析导线的物理特性对火蔓延的影响。结合双导线上火蔓延过程中的火焰特征长度,火蔓延过程中对流和辐射反馈,将双平行导线火焰相互作用随导线间距演化过程分为五个阶段,揭示了不同间距导线火蔓延过程中火焰的相互作用及其热量传递规律。
【图文】：

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都不同程度添加了阻燃物质，但在导线内芯热量迅速释放时会快速点燃绝缘层并逡逑延导线蔓延，其火灾危害性非常大。逡逑图１．３邋（１）高压电缆；（２）家用导线（３）信号线缆（来自百度图片）逡逑２逡逑

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Ｈｈｉｋ逡逑２００４逦２００６逦２００８逦２０１０逦２０１２逦２０１４逦２０１６逡逑年份逡逑图１．２电气火灾数量和占总火灾数量的比例（数据来自于消防年鉴）逡逑１．１．２邋导线火灾的研究意义逡逑自从人类发现电流的存在，导线就伴随而出现，现如今社会，导线己经深入逡逑到我们生活的方方面面。导线通常是用作传输能量，如电力系统的主干供导线路逡逑上的高压电缆，市民用电导线以及各种信号传递的导线，，电话线、网线、各种数逡逑据线等。在一般的高层建筑中，导线用量可能会超过１００公里，导线的使用已经逡逑无处不在，大到飞机、高铁和航天飞船，小到收音机、耳机等，导线在给我们带逡逑来方便和高水平的生活质量，但同时也给我们的生产和生活带来的巨大的火灾隐逡逑患。导线总的来说都是有金属内芯和绝缘层组成的。目前使用的无论是高压电缆逡逑还是信号线，绝缘层都采用高聚物材料，常见的有聚乙烯、聚氯乙烯等，虽然，逡逑都不同程度添加了阻燃物质
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V528

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