表面朝向对典型固体可燃物着火特性及侧向火蔓延的影响研究

发布时间：2020-03-01 09:19

【摘要】：固体可燃物的热解着火过程决定了火灾的初始阶段,而火蔓延过程则决定了火灾的发展阶段。这两方面是火灾科学中的重点课题,一直受到众多学者的关注和研究。固体可燃物在受到外界辐射的作用下,温度将持续上升,当达到一定温度时,固体将发生热解并释放出小分子热解气体。热解气体将不断从固体表面析出,并与周围空气混合形成预混可燃气体。当可燃气体浓度与温度达到临界条件时,气相化学反应放热量将不可逆转的超过对流散热量,局部气相温度发生跃升,从而产生了宏观上的着火现象。当固体可燃物的着火发生之后,由于火焰对燃烧区域表面的传热作用,表面热流和表面温度将迅速升高,从而产生更多的热解气体,继续参与到气相燃烧反应中,使得燃烧强度持续增加,直到燃料达到热平衡状态。火焰在对燃烧区域传输热量的同时,也会对未燃区域传输热量,使得未燃区域温度上升,热解过程加速,进一步产生更多的热解气体以维持燃烧过程。这在宏观上就表现为热解前锋位置的移动,即火焰发生蔓延。固体可燃物的着火与火蔓延本质上都与固体表面上方的热解气体流动相关。当固体表面朝向发生改变时,热解气体流场势必发生改变,从而使得着火与火蔓延行为发生变化。然而以往的研究者们对此关注不多,关于着火过程大多研究的是水平放置的材料,对于其他朝向下的材料着火研究较少。对于火蔓延过程,大多也是研究的水平、向上(包括倾斜向上)和向下(包括倾斜向下)情形,很少有学者研究过坡面上的侧向火蔓延过程。针对前人对此的研究不足,本文主要就热解着火过程和火蔓延过程两方面展开实验研究和理论研究工作。具体内容如下：热解着火方面,利用辐射加热锥,在不同辐射热流下测量三种放置形式下(受热面向上、垂直放置和受热面向下)泡桐木材的热解着火特性。实验证实了材料表面朝向会对热解着火过程产生影响。同时,我们还建立了木材的一维热解模型,并引入表面朝向对对流传热的影响作为边界条件,利用数值计算的方法考察材料的表面温度。模型计算结果表明,材料表面朝向主要通过对流传热和热解气体辐射阻碍作用两个方面来影响材料的热解着火过程。火蔓延方面,在可调角度的实验台上进行了PMMA板的侧向火蔓延过程的实验研究。通过结合对流传热主控假设,推导出侧向火蔓延的理论模型,并预测在材料宽度较小的情况下,侧向火蔓延速率会随着倾角的增加而增加,且随着宽度增加而略微减小,这一结论在实验中得到了证实。在此基础上,我们还对侧向火蔓延中的火焰形态进行了研究。结果表明,热解区长度与宽度和倾角正弦成幂指数关系,而火焰长度只与宽度成幂指数关系。另外,在拉萨和合肥均进行了倾斜PMMA板的燃烧行为实验,包括稳态燃烧和火蔓延两方面。文中建立了一个倾斜表面上的稳态燃烧速率预测模型,模型与实验结果均显示燃烧速率随压力和倾角的增大而增大。在低压环境下,气相化学反应速率会对火蔓延速率产生显著影响。
【图文】：

火蔓延,火焰,化学反应速率,模型

Ｗｍｉａｒｎｓ的模型无疑是正确的，但是无法确定火焰对未燃区域传热量的数值，因逡逑此很难进行应用。ｄｅＲｉｓ［Ｗ在热输运模型上推导出了邋一个更完整的理论解。化Ｒｉｓ逡逑的逆流火蔓延模型如图１．１，他对逆流火蔓延做出了一些假设和简化，认为火焰逡逑与未燃区交界面附近的流动近似符合Ｏｓｅｅｎ流环境，且火焰是很薄的火焰面Ｗ及逡逑化学反应速率非常大等。ｄｅＲｉｓ的逆流火蔓延模型在大部分情况下都得到了较为逡逑准确的验证，直到现在都是应用较多的逆流火蔓延理论模型。此后，逡逑Ｂｈａｔｔａｃｈａｊｅｅｔ６６—６９巧Ｑｕｉｎｔｉｅｒｅｆ６’邋Ｗ都用各自的方法推导出各自的逆流火蔓延模型，逡逑都与ｄｅ邋Ｒｉｓ的模型具有一致的形式。逡逑图１．１邋ｄｅ邋Ｒｉｓ的逆流火赛延模型逡逑尽管在大部分情况下，ｄｅＲｉｓ的火蔓延模型都能够预测出较好的结果，仍有逡逑一些情形下，ｄｅＲｉｓ的模型预测与实验结果偏差较大。Ｓｅｒｇ巧仔细研巧了这一问逡逑题，发现ｄｅＲｉｓ的模型做出的化学反应速率无限大的假设，导致了在特定条件下逡逑火蔓延预测结果与实际发现偏差。这些特定条件包括低氧浓度、低环境压力、外逡逑界高气流速度等，随着这些条件变得更加极端，逆流火蔓延将进入临近媳灭条件逡逑状态

纤维板,速率,厚度,材料厚度

发现在巧维板厚度小于１．５ｍｍ的情况下，火莲延速率与材料厚度成反比，如图逡逑１．２。Ｆｅｍａｎｄｅｚ－Ｐｅｌｌｏ和Ｗｉｌｌａｍｓｔ＂硕巧■了邋ＰＭＭＡ板的向下火蔓延行为，发现随逡逑着材料厚度的增加，火蔓延速率逐渐减小，直至趋于一个定值，如图１．３。逡逑王０邋？逡逑Ｓ＇＂：邋＼逡逑０．１邋？逡逑一邋Ｉ逦Ｉ邋ＩＩＩ逦Ｉ逡逑０．１逦（Ｕ邋Ｑ４邋０Ａ邋Ｗ逦２．０逡逑ＴＭｃｆｃｎｅｕ（ｍ。，逡逑图１．２纤维板的厚度对向下火董延速率的影响（Ｍａｇｅｅ和ＭｃＡｌｅｖｙ）逡逑１１逡逑
【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】：TQ038

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