微重强迫对流环境下高温导线燃烧特性及烟颗粒特征

发布时间：2017-08-30 01:00

  本文关键词：微重强迫对流环境下高温导线燃烧特性及烟颗粒特征

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【摘要】：太空舱中导线密布,有的直接暴露在舱室中,有的隐藏在各种仪器内部。这些导线一旦出现短路情况,导线绝缘皮就可能着火。在过去,太空舱中已经发生过多起由导线着火引发的火灾。不同于地面火灾,在太空中发生的导线火灾有其自身的特点。首先,与地面上常用的PVC、PE等材料不同,太空中的导线绝缘皮主要使用含氟聚合物,例如特氟龙等,这些材料在200℃以下基本不能燃烧；其次,由于太空中没有重力,太空中的火灾没有浮力羽流。再次,太空舱中存在强迫通风,其流速大约为0.2-0.3m/s,暴露在舱室中的导线燃烧时会受到影响。环境的不同使得太空舱中的燃烧行为与产烟特征都与地面有所不同,而现在太空飞船上主要安装的感烟火灾探测器大都是基于地面环境研制的,在以往的使用过程中误报、漏报问题较为突出。为了保证航天员及太空飞船的安全,使其免于火灾,有必要对太空舱环境产生的烟颗粒进行研究,从而为改进太空舱感烟探测器,进而保证航天器的安全,提供基础数据支撑。在此背景下,本文采用实验与模拟相结合的方法,实验采集典型太空舱环境下产生的烟颗粒,然后对其进行光散射模拟分析。首先自行研制强迫对流环境下高温导线燃烧与产、采烟实验平台,并借助北京微重力实验室的落塔提供微重力环境,从而模拟典型的太空舱环境进行实验。在此过程中,本文特别关注重力水平与环境气体流速对导线燃烧过程造成的影响,因为燃烧过程的变化会直接影响产生的烟颗粒的形谱特征。对高温导线的破裂时间、着火时间、燃烧时间、火焰高度、火焰温度与亮度、碳黑体积分数等特征量随重力与空气流速的变化规律进行了分析。实验结果表明除导线破裂时间和燃烧时间主要与内部导体温度和绝缘皮材料性质相关,受重力与空气流速的影响较小外,其它参量均不同程度的受到重力与空气流速的影响。然后,对采集到的烟颗粒样本进行电镜与能谱分析,从主粒子粒径、凝团回转半径、分形特征、化学成分等多个角度研究环境对烟颗粒造成的影响,并借助燃烧学与气溶胶动力学的相关理论对烟颗粒形谱随环境的变化规律给以合理的解释。结果表明,无强迫对流时,微重下的烟颗粒相较常重环境主粒子粒径与回转半径都有明显的增大;重力水平对大部分烟颗粒的分形维数没有影响,在微重条件下,烟颗粒的分形维数保持1.79不变,但前置因子明显降低。值得注意的是,在微重静止环境中导线会产生另一种分形维数达到2.6的较大颗粒。另外,烟颗粒的主粒子粒径与回转半径随空气流速的升高而减小,当空气流速达到0.3m/s时,回转半径与常重无风情况下的几乎相等,而主粒子粒径甚至会小于常重无风情况下的主粒子粒径;分形维数受空气流速的影响会比静止时小,同时前置因子会升高并大于常重静止环境下的对应量。最后,基于获得的具有代表性的烟颗粒样本,利用光散射模型对典型太空舱环境下产生的烟颗粒的光散射特征进行模拟,分析典型太空舱环境下产生的烟颗粒的光散射特性与地面普通环境产生的烟颗粒的区别。结果显示在前向散射区某些位置,微重静止环境下的烟颗粒散射光强度可较常重环境增长300%以上,但随着空气流速的增加,散射光强逐渐减弱。另外F33/F11与F34/F11在不同散射角度区间内也有明显变化。
【关键词】：微重力环境 强迫对流 感烟探测 烟颗粒 分形维数 光散射Mueller矩阵
【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】：2016
【分类号】：V442
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-17
• 第1章 绪论17-37
• 1.1 研究背景17-21
• 1.1.1 导线着火对载人航天器的危害17-19
• 1.1.2 航天器火灾探测技术19-21
• 1.2 研究现状21-33
• 1.2.1 微重环境导线着火及火蔓延研究22-25
• 1.2.2 微重力环境导线烟颗粒研究25-30
• 1.2.3 其他相关研究30-33
• 1.3 研究目标与内容33-34
• 1.4 技术路线34
• 1.5 本文章节安排34-37
• 第2章 实验设计37-53
• 引言37
• 2.1 落塔实验平台37-40
• 2.2 实验台架设计40-46
• 2.2.1 设计思路40-41
• 2.2.2 导线绝缘皮的选取41-42
• 2.2.3 导线产、采烟模块42-43
• 2.2.4 强迫对流模块43-44
• 2.2.5 测量模块44-45
• 2.2.6 时序控制器模块45-46
• 2.3 测量方法46-53
• 2.3.1 火焰形貌46-47
• 2.3.2 火焰温度47-49
• 2.3.3 碳黑体积分数49-50
• 2.3.4 烟颗粒采样分析50-53
• 第3章 导线燃烧过程及火焰参数特征53-79
• 引言53
• 3.1 微重环境气体射流火理论53-57
• 3.1.1 火焰高度53-55
• 3.1.2 重力对射流扩散火焰碳黑的影响55-57
• 3.1.3 空气伴流速度对射流扩散火焰碳黑的影响57
• 3.2 微重与空气伴流对导线燃烧的影响57-77
• 3.2.1 高温导线燃烧过程57-67
• 3.2.2 火焰高度67-71
• 3.2.3 碳黑停留时间71-72
• 3.2.4 火焰温度及亮度分析72-77
• 3.3 本章小结77-79
• 第4章 碳黑体积分数及烟颗粒形谱特征79-105
• 引言79
• 4.1 烟颗粒演化过程相关理论79-83
• 4.1.1 碳黑生成理论81-82
• 4.1.2 烟颗粒生长82-83
• 4.1.3 烟颗粒凝并理论83
• 4.2 碳黑体积分数83-86
• 4.3 烟颗粒形貌与粒径分布86-102
• 4.3.1 烟颗粒SEM图像86-88
• 4.3.2 主粒子粒径88-92
• 4.3.3 烟颗粒凝团92-100
• 4.3.4 烟颗粒分形形貌模拟100-101
• 4.3.5 超聚体及其分形维数分析101-102
• 4.4 本章小结102-105
• 第5章 导线烟颗粒的光散射分析105-115
• 引言105
• 5.1 烟颗粒变化对感烟探测的影响105-106
• 5.2 烟颗粒光散射相关理论106-111
• 5.2.1 光散射特征矩阵106-108
• 5.2.2 Mie散射理论108-110
• 5.2.3 颗粒光散射计算条件110-111
• 5.3 烟颗粒光散射模拟分析111-114
• 5.3.1 基于Mie散射的烟颗粒光散射模拟111-113
• 5.3.2 烟颗粒光散射模拟结果分析113-114
• 5.4 本章小结114-115
• 第6章 导线填充物类烟颗粒115-123
• 引言115
• 6.1 类烟颗粒成分分析115-116
• 6.2 类烟颗粒形貌分析116-117
• 6.3 类烟颗粒对烟颗粒光散射的影响117-121
• 6.4 本章小结121-123
• 第7章 结论与展望123-127
• 7.1 全文总结123-125
• 7.2 论文创新点125-126
• 7.3 未来工作展望126-127
• 参考文献127-135
• 致谢135-137
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果137

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 王建立;孙建锋;;我国氢氧化铝阻燃剂现状及发展[J];轻金属;2011年09期

2 马绥华;张永明;方俊;祝玉泉;蒋亚龙;王进军;袁宏永;;凝并作用下火灾烟颗粒粒径分布及变化[J];燃烧科学与技术;2007年02期

3 吴朝亮;电缆线路的防火安全问题[J];测控技术;2004年08期

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本文编号：756377