挤塑聚苯乙烯泡沫板向下火蔓延过程中火焰前锋熔融层演化特性研究

发布时间：2020-05-31 17:06

【摘要】：热塑性材料XPS向下火蔓延过程中,在火焰前锋区域将形成灼热熔融液相层。熔融液相层在一定条件下可能发生滴落,提前引燃未燃区,导致火灾迅速扩大。因此,熔融层的引入增加了此类材料火灾的复杂性和危险性。本文针对热塑性材料向下火蔓延过程中熔流液火焰的形成机制、熔融层形态演化和传热机制,分析熔融液火焰的累积与滴落过程对向下火蔓延的影响,从而揭示熔融层对塑性材料向下火蔓延的影响机理。本文开展的研究工作主要包括以下几个方面:针对典型热塑性XPS材料向下火焰蔓延过程中伴随的熔融液化与向下移动,将其抽象为“固体燃料顶部窄条形熔融油池火的向下发展与移动”模型,建立了熔融液相层和火焰蔓延速率及燃烧质量消耗速率的关系。结合“火焰前锋位置测量”与“材料燃烧质量损失”测量综合分析,获得了不同厚度XPS向下火蔓延过程中熔融液累积质量与熔融层厚度的演化特征。结果表明,对于某一段蔓延时间期间,固体XPS材料向下火蔓延过程中所熔融生成的熔液质量,其中仅20%在该期间通过燃烧消耗,即,剩余约80%的生成液体燃料将驻留于火焰前锋区域的熔融油池内;此外,基于图像亮度统计分析得到的熔融液火焰的形态与高度,结果表明,在熔融液相层稳定增长阶段,火焰高度与质量损失速率呈幂函数关系。开发了基于视频图像分析算法,通过动态剥离火焰前锋曲线的视频图像,获得了 XPS材料向下火蔓延过程中火焰前锋运动的动态图像,研究了不规则火焰前锋曲线的动态特征。此外,通过对一定宽度的向下火蔓延视频图像进行纵向切分,研究了熔融滴落火焰的形成与滴落对热塑性材料向下火蔓延的影响规律。结果表明,火焰前锋曲线的运动存在一些固定的特征,即,滞后的次级火焰可能突然迅速向前蔓延而赶上与它们相邻的子火焰,从而使火焰前锋曲线拉回近似水平的曲线;由于熔融液的累积与滴落过程交替发展,导致火焰高度与火蔓延速率交替震荡增加,且子火焰的火蔓延速率峰值明显滞后于火焰高度峰值。此外,建立了倾斜火焰前锋的向下火蔓延速率模型,揭示了局部位置的向下火蔓延速率随局部火焰前锋曲线的倾斜角度θ增加的特征。通过引入无量纲局部峰值子火焰蔓延速度与相应的无量纲峰值子火焰高度,揭示了两者之间幂函数相关关系。通过合理优化热电偶阵列,并通过坐标变换,将热电偶测量的随时间变化的温度转化为沿着火焰蔓延方向与空间相关的温度,并重构火焰前锋区域的固液相温度场,获得了火焰前锋区域熔融层的厚度、形态、凝聚相温度场分布以及传热特征。结果表明,熔融层的“固-液”界面具有“前低后高”的倾斜特征,且凝聚相区域的热传递更集中于材料外表面。对于各厚度XPS样品,表面附近熔融层的厚度均小于5mm,熔融层在火焰前缘附近最薄,并且离火焰前锋越远熔融层越厚。材料越厚,熔融液体对后壁的粘附越明显。而重构的火焰前锋区域内部温度场表明,厚度越大,靠近材料表面火焰前锋区域的“固-液”界面越平坦,靠近内侧倾斜面越大,这造成内侧生成的熔融液体易向靠近外表面的相对平坦区流动,在其向下火焰蔓延过程中,易形成熔流液火焰溢出并诱发火灾迅速扩大。
【图文】：

保温材料,挤塑聚苯乙烯,苯乙稀,营业额

料提供良好的未来机遇。根据ＩＡＬＣｏｎｓｕｌｔａｎｔｓ的研宄报告［２］，仅２０１２年，中国逡逑保温材料的消耗总量超过１．７３亿立方米或近６００万吨，营业额达到１０６３．７３亿元逡逑人民币。如图１．１，常见的建筑隔热有机保温材料有挤塑聚苯乙烯ＸＰＳ、模塑聚逡逑苯乙稀ＥＰＳ、聚氨酯ＰＵ，此外还Ｐｈｅｎｏｌｉｃ酷酸、Ｇｌａｓｓｗｏｏｌ玻璃棉和Ｓｔｏｎｅｗｏｏｌ逡逑石棉等。逡逑１％逡逑｜Ｂ［｜邋Ｇｌａｓｓｗｏｏｌ逡逑Ｓｔｏｎｅｗｏｏｌ逡逑ＨＢ邋ＰＵ／Ｐｏｌｙｉｓｏｃｙａｎｕｒａｔｅ逡逑＾邋Ｐｈｅｎｏｌｉｃ逡逑图１．１常见各类保温材料的使用比例逡逑１逡逑

热塑性材料,升温过程,演化过程,状态

第１章绪论逡逑条件下发生流淌熔液火的特殊行为，深入分析其向下火蔓延过程中的传热与传质逡逑机理，是实现此类材料在实际工程应用中的科学设计与有效防控的重要途径。逡逑１．１．２热塑性材料着火和向下火蔓延特性逡逑热塑性材料在加热时硬度下降，当热塑性材料被持续加热时，它们熔化为粘逡逑流态，冷却时可固化，且固化过程是可逆的。这种特性使热塑性塑料可以重塑和逡逑再循环，而不会对材料的物理性能产生负面影响。而热固性塑料一旦硬化就保持逡逑永久固态。热塑性材料可提供各种性能优势，大多数材料通常具有较高的强度，逡逑抗收缩性和易弯曲性。热塑性塑料可以用于低应力场景下的应用，如塑料袋或应逡逑力机械部件。常见的热塑性聚合物有聚乙烯，，ＰＶＣ，ＰＭＭＡ，和ＰＳ等。此外，逡逑热性材料具有良好的隔热与绝缘特性，常用于工业隔热与绝缘体。对于建筑外保逡逑温材料ＸＰＳ邋（Ｅｘｔｒｕｄｅｄ邋Ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ），因其比较低的导热系数，具有良好的保温隔逡逑热性能，被广泛使用。然而作为热塑性材料，其具有较高的易燃性，引起的建筑逡逑火灾事故发生频率较高。逡逑？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】：2019
【分类号】：TQ328.0

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