低压条件下不同热导率内芯导线水平及倾斜火蔓延行为研究

发布时间：2020-06-06 23:45

【摘要】：发展载人航天技术,进一步开发和利用空间资源,是我国的重要战略目标之一。近年来,我国航空航天事业取得了突破性进展,为国民经济和国防建设做出了巨大贡献。航空导线在航空航天器内电子设备之间被广泛大量使用,预防导线因短路、过载等故障引发的电气火灾任重道远。因此,对航空导线的可燃性安全测试和火焰蔓延行为的研究近年来受到广泛关注。导线火蔓延有别于一般意义上的可燃固体表面火蔓延,主要体现在金属内芯的热导率远大于一般的普通可燃固体材料,因此通过金属内芯热传导输送到绝缘层预热区的热量作为一种额外的传热途径会极大地影响导线火焰蔓延特性,所以本文选用了不同热导率内芯的导线,重点关注高热导率铜芯导线的火蔓延特性。同时,调研前人研究还发现,导线放置的倾角在可燃性测试中非常重要,而航空导线实际场景中长期应用于低压环境下,较低的压强对火焰形态也有明显的影响,因此有必要开展低压条件下不同热导率内芯导线的水平及倾斜火蔓延研究。本文选用内芯直径分别为0.3 mm、0.5 mm、0.8 mm,绝缘层厚度分别为0.15 mm、0.2mm的四种聚乙烯绝缘铜芯导线(Cu-PE)和内芯直径分别为0.3 mm、0.5 mm,绝缘层厚度为0.15 mm的两种聚乙烯绝缘镍铬芯导线(NiCr-PE),利用自主设计的可改变倾角的导线点燃与火蔓延实验平台,在密闭低压舱内改变导线放置倾角(-75°~+75°),设置向上蔓延、向下蔓延、水平蔓延三种不同的蔓延方式,压强的范围是40 kPa-100 kPa。用摄像机拍摄,采用视频拆帧、MATLAB编程逐帧读取的方式获得相关数据。实验研究了水平放置的高热导率铜芯导线在低压下的火焰传播行为,并与相对低热导率的镍铬芯导线进行比较,发现随着压力的减小,两种导线的蓝色火焰高度(Flame standoff distance)以及火焰基部宽度均增大,但火焰蔓延速率却呈现出截然不同的规律。镍铬芯导线的火焰蔓延速率(FSR)呈上升趋势;而铜芯导线则先下降后上升,出现了一个转折点。随着铜芯导线内芯直径的减小,或者绝缘厚度的增大,前后两种趋势的转折点对应的临界压力也会增大。本文建立了基于特征长度的简化传热理论分析模型,较好地验证了“内芯驱动”和“火焰驱动”传热机理在控制导线火焰蔓延过程中的作用。随着环境压力的降低,“内芯驱动”传热机制产生的影响减小,而“火焰驱动”传热机制的重要性增加。镍铬芯导线是“火焰驱动”传热机制来主控的,所以其FSR随着压力的降低始终呈增加趋势;然而对于铜芯导线来说,FSR是“内芯驱动”和“火焰驱动”传热机制耦合控制的结果。并且通过与前人低热导率的铁芯和镍铬芯导线数据进行对比,进一步揭示和量化了“内芯驱动”和“火焰驱动”传热主控机制的演化过程。对低压条件下倾斜放置的铜芯导线的火蔓延行为进行研究发现,水平放置时火焰蔓延速率最小,在向上蔓延和向下蔓延时,导线倾斜程度越大,火焰蔓延速率也随之增大,变化规律大致呈字母“U”型;低角度倾斜蔓延的导线火焰形态和瞬时火焰基部宽度受熔融物分布的影响成周期性循环波动的状态,对火焰蔓延前锋与火焰尾端瞬态位移特征进行了量化,发现压强越大,火焰前锋(向下蔓延时)或者火焰尾端(向上蔓延时)时程曲线的波动幅度越小,火焰形态趋于稳定,而瞬时火焰基部宽度曲线周期性波动的振幅和频率也随之而减小。
【图文】：

２００７逦２００８逦２００９逦２０１０逦２０１１逦２０１２逦２０１３逦２０１４逦２０１５逡逑年份逡逑图１．１全国火灾情况以及电气火灾发生比例逡逑起火原因起数比例、起火原因损失比例（２０１５年）如图１．２和图１．３所示，逡逑以２０１５年为例，我国共发生火灾３３．８９万起，其中发生电气火灾１０．２万起，所逡逑占比例为３０．１％；全年因火灾造成的直接经济损失高达４８．８７亿元，其中电气火逡逑灾占比４０％，损失高达１９．３７亿元。２０１６年电气原因引发火灾的比例同样高达逡逑３０．４％。电气火灾仍然是影响我国消防安全的首要因素，，必须对其加以遏制。逡逑其他邋３０．７％逡逑｜｜｜＾逡逑不０ｓｒ因生产作业逡逑图１．２邋２０１５年全国各类火灾起数比例逡逑２逡逑

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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V443

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本文编号：2700461