气体对流和样品宽度对典型固体着火及顺风火蔓延的影响

发布时间：2020-10-01 17:07

　　研究固体材料的着火及火蔓延过程对预防火灾、降低火灾损失具有重要意义。根据环境气流与火蔓延方向之间的关系,火蔓延可分为顺风火蔓延和逆风火蔓延两大类。一般情况下,顺风火蔓延由于火蔓延方向与气流方向相同,其火焰发展速率比逆风条件下更快,火灾危险性更大,而顺风火蔓延的研究却相对较少,其控制机理有待研究。此外,由于实验场地有限,研究燃烧和火蔓延问题时常常会采用有限宽度的固体材料开展小尺度燃烧实验,在将小尺度实验结果应用到实际火灾场景中时需要考虑到尺度效应。因此,本文在自然对流和强迫对流两种模式下,研究气体对流和样品宽度对典型固体材料(纸和PMMA)着火及顺风火蔓延现象的影响。在自然对流条件下,风速是由气体本身所受浮力驱动的,当气体氛围发生变化时自然对流风速随之变化。因此,在自然对流条件下,首先研究了气体氛围(气压、氧气浓度)及点火能对热薄纸质材料引燃着火的影响。实验发现随着气压、氧气浓度和点火能的变化,热薄材料引燃着火最终可形成四种典型的着火情景;对热薄材料正面(有点火源)和背面(无点火源)的着火延迟时间进行测量,发现所有的着火延迟时间均随气压、氧气浓度或点火能的升高而减小。实现着火后,紧接着向上火蔓延可能出现单面火蔓延现象,而向下火蔓延全部为双面火蔓延现象。通过对比向上单面和双面火蔓延,发现单面火蔓延的速率低,且可燃区域较小,因此单面火蔓延有较低的火灾危险性。在上述引燃着火研究的基础上,研究了自然对流条件下气压、氧气浓度以及样品宽度对热薄纸质材料双面向上火蔓延的影响,发现在气压和氧气浓度较高时会出现火焰分离现象,该现象经分析是由材料的多步热解过程造成的。将压力模拟方法应用到向上火蔓延过程中,最终得到向上火蔓延的无量纲火蔓延速率正比于Grashof数的0.257次方,十分接近理论值1/4。由此推测,对于较窄的热薄材料,在向上火蔓延过程中,火焰对材料表面的对流传热相对于辐射和化学反应动力学来说更为重要,这一结论在临近熄灭极限的区域依然成立。向上火蔓延的控制机制与向下火蔓延不同,在向下火蔓延中,临近熄灭区域的火蔓延过程由气相化学反应主导。材料宽度对热薄材料向上火蔓延的影响规律如下:火焰长度和火蔓延速率均与材料宽度的幂次方呈正比;宽度变窄时,材料的可燃区域变小。在强迫对流条件下,研究了风速和样品宽度对热厚PMMA材料火蔓延过程的影响。实验发现当材料宽度小于6cm时,火蔓延速率和火焰长度随材料宽度的增加而增大;当材料宽度大于6cm时,火蔓延现象几乎与材料宽度无关。研究发现随着火蔓延的发展,有限材料宽度对顺风火蔓延的影响机制经历了两个阶段:在火蔓延初期,有限宽度的影响主要是由材料宽度方向上的燃料和热量损失造成的;随着火蔓延的发展,有限材料宽度对火蔓延的影响主要由横向空气卷吸造成。上述两种机制的转折点发生在热边界层厚度与材料宽度相当时。本文提出建立一个与材料宽度和风速相关的B数。通过测量火焰驻离距离(standoff distance),结合火焰驻离距离与B数之间的理论关系,最终获得在不同风速和材料宽度条件下质量传递数随时间、流场位置以及材料宽度的变化规律,结果表明:实验中的强迫对流风速(2m/s和3m/s)对B数的影响很小,当材料宽度小于6cm时,B数随材料宽度增加而增大,而当材料宽度大于6cm时,B数几乎不随材料宽度变化。结果表明,使用与材料宽度和风速相关的B数可以较好地预测火蔓延速率。本文通过气体对流和样品宽度对典型固体着火及顺风火蔓延的影响研究,揭示了自然对流气体环境对固体材料着火过程的影响、自然对流和强迫对流顺风火蔓延的控制机制及有限材料宽度对顺风火蔓延的影响机制。所得研究成果为高原、空间站等非常压常氧环境条件以及有风条件下的火灾安全等提供了理论基础。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X932
【部分图文】：

火焰,薄材,微重,气相条件

洞后才能形成。材料背面的着火时间晚于正面，并且背面的着火可由两种着火方逡逑式实现［２７］。第一种着火方式是在激光关闭后，火焰变小且颜色变淡，火焰逐渐靠逡逑近材料表面并能够通过孔洞穿越到背面从而形成背面着火，如图１．１所示，０．２ｍｍ逡逑厚的ＰＭＭＡ板在外加辐射（材料上方）条件下发生着火，氧气浓度为０．２１，风逡逑速自右向左，大小为５ｃｍ／ＳＰ７］。然而实验发现，当辐射能量持续时间较长时，正逡逑面的火焰可能不会从孔洞中穿过。这是由于火焰距离表面有一定的驻离距离，且逡逑火焰在接收辐射的过程中向上传播进而使得火焰根部远离孔洞。背面着火的第二逡逑种方式是在激光施加的过程中实现着火。在第二种方式中，背面的可燃气体可能逡逑是由正面火焰穿过孔洞后点燃，也可能是其自身引起的点燃。Ｎａｋａｍｕｒａ等人［２７］逡逑４逡逑

速度分布,氧气,气相,薄板

逡逑对背面着火的第二种方式进行了数值模拟，典型结果在图１．２中给出。图中呈现逡逑的是微重强迫对流条件下厚度为０．２ｍｍ的ＰＭＭＡ薄板上表面在持续０．６４ｓ接收逡逑２８Ｗ的激光辖射且正面实现着火后，材料表面通孔附近的燃料质量分数、气逡逑相温度７＼氧气质量分数｝＾及速度分布，实验环境中氧气体积分数为０．３５，风逡逑速从右向左，大小为５ｃｍ＾２７］。从图１．２中可以看到正面的ＭＭＡ蒸气浓度以及逡逑气相温度在通孔附近很高。在背面，虽然局部的可燃蒸气浓度比较高，但是气相逡逑温度较低，因此，此时背面并没有形成着火。值得注意的是在通孔处氧气从背面逡逑流向正面，而该项研究的数值模拟结果表明背面着火的第二种方式是由新鲜空气逡逑从背面流入正面后，在材料正面引发二次着火。二次着火的小火焰距离孔比较近，逡逑它能够穿过孔且点燃材料背面的可燃气体

速度分布,墙面,热流,无量纲

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