研究固體材料的著火及火蔓延過程對預防火災(zāi)、降低火災(zāi)損失具有重要意義。根據(jù)環(huán)境氣流與火蔓延方向之間的關(guān)系,火蔓延可分為順風火蔓延和逆風火蔓延兩大類。一般情況下,順風火蔓延由于火蔓延方向與氣流方向相同,其火焰發(fā)展速率比逆風條件下更快,火災(zāi)危險性更大,而順風火蔓延的研究卻相對較少,其控制機理有待研究。此外,由于實驗場地有限,研究燃燒和火蔓延問題時常常會采用有限寬度的固體材料開展小尺度燃燒實驗,在將小尺度實驗結(jié)果應(yīng)用到實際火災(zāi)場景中時需要考慮到尺度效應(yīng)。因此,本文在自然對流和強迫對流兩種模式下,研究氣體對流和樣品寬度對典型固體材料(紙和PMMA)著火及順風火蔓延現(xiàn)象的影響。在自然對流條件下,風速是由氣體本身所受浮力驅(qū)動的,當氣體氛圍發(fā)生變化時自然對流風速隨之變化。因此,在自然對流條件下,首先研究了氣體氛圍(氣壓、氧氣濃度)及點火能對熱薄紙質(zhì)材料引燃著火的影響。實驗發(fā)現(xiàn)隨著氣壓、氧氣濃度和點火能的變化,熱薄材料引燃著火最終可形成四種典型的著火情景;對熱薄材料正面(有點火源)和背面(無點火源)的著火延遲時間進行測量,發(fā)現(xiàn)所有的著火延遲時間均隨氣壓、氧氣濃度或點火能的升高而減小。實現(xiàn)著火后,緊接著向上火蔓延可能出現(xiàn)單面火蔓延現(xiàn)象,而向下火蔓延全部為雙面火蔓延現(xiàn)象。通過對比向上單面和雙面火蔓延,發(fā)現(xiàn)單面火蔓延的速率低,且可燃區(qū)域較小,因此單面火蔓延有較低的火災(zāi)危險性。在上述引燃著火研究的基礎(chǔ)上,研究了自然對流條件下氣壓、氧氣濃度以及樣品寬度對熱薄紙質(zhì)材料雙面向上火蔓延的影響,發(fā)現(xiàn)在氣壓和氧氣濃度較高時會出現(xiàn)火焰分離現(xiàn)象,該現(xiàn)象經(jīng)分析是由材料的多步熱解過程造成的。將壓力模擬方法應(yīng)用到向上火蔓延過程中,最終得到向上火蔓延的無量綱火蔓延速率正比于Grashof數(shù)的0.257次方,十分接近理論值1/4。由此推測,對于較窄的熱薄材料,在向上火蔓延過程中,火焰對材料表面的對流傳熱相對于輻射和化學反應(yīng)動力學來說更為重要,這一結(jié)論在臨近熄滅極限的區(qū)域依然成立。向上火蔓延的控制機制與向下火蔓延不同,在向下火蔓延中,臨近熄滅區(qū)域的火蔓延過程由氣相化學反應(yīng)主導。材料寬度對熱薄材料向上火蔓延的影響規(guī)律如下:火焰長度和火蔓延速率均與材料寬度的冪次方呈正比;寬度變窄時,材料的可燃區(qū)域變小。在強迫對流條件下,研究了風速和樣品寬度對熱厚PMMA材料火蔓延過程的影響。實驗發(fā)現(xiàn)當材料寬度小于6cm時,火蔓延速率和火焰長度隨材料寬度的增加而增大;當材料寬度大于6cm時,火蔓延現(xiàn)象幾乎與材料寬度無關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)隨著火蔓延的發(fā)展,有限材料寬度對順風火蔓延的影響機制經(jīng)歷了兩個階段:在火蔓延初期,有限寬度的影響主要是由材料寬度方向上的燃料和熱量損失造成的;隨著火蔓延的發(fā)展,有限材料寬度對火蔓延的影響主要由橫向空氣卷吸造成。上述兩種機制的轉(zhuǎn)折點發(fā)生在熱邊界層厚度與材料寬度相當時。本文提出建立一個與材料寬度和風速相關(guān)的B數(shù)。通過測量火焰駐離距離(standoff distance),結(jié)合火焰駐離距離與B數(shù)之間的理論關(guān)系,最終獲得在不同風速和材料寬度條件下質(zhì)量傳遞數(shù)隨時間、流場位置以及材料寬度的變化規(guī)律,結(jié)果表明:實驗中的強迫對流風速(2m/s和3m/s)對B數(shù)的影響很小,當材料寬度小于6cm時,B數(shù)隨材料寬度增加而增大,而當材料寬度大于6cm時,B數(shù)幾乎不隨材料寬度變化。結(jié)果表明,使用與材料寬度和風速相關(guān)的B數(shù)可以較好地預測火蔓延速率。本文通過氣體對流和樣品寬度對典型固體著火及順風火蔓延的影響研究,揭示了自然對流氣體環(huán)境對固體材料著火過程的影響、自然對流和強迫對流順風火蔓延的控制機制及有限材料寬度對順風火蔓延的影響機制。所得研究成果為高原、空間站等非常壓常氧環(huán)境條件以及有風條件下的火災(zāi)安全等提供了理論基礎(chǔ)。
【學位單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：X932
【部分圖文】：

洞后才能形成。材料背面的著火時間晚于正面，并且背面的著火可由兩種著火方逡逑式實現(xiàn)［２７］。第一種著火方式是在激光關(guān)閉后，火焰變小且顏色變淡，火焰逐漸靠逡逑近材料表面并能夠通過孔洞穿越到背面從而形成背面著火，如圖１．１所示，０．２ｍｍ逡逑厚的ＰＭＭＡ板在外加輻射（材料上方）條件下發(fā)生著火，氧氣濃度為０．２１，風逡逑速自右向左，大小為５ｃｍ／ＳＰ７］。然而實驗發(fā)現(xiàn)，當輻射能量持續(xù)時間較長時，正逡逑面的火焰可能不會從孔洞中穿過。這是由于火焰距離表面有一定的駐離距離，且逡逑火焰在接收輻射的過程中向上傳播進而使得火焰根部遠離孔洞。背面著火的第二逡逑種方式是在激光施加的過程中實現(xiàn)著火。在第二種方式中，背面的可燃氣體可能逡逑是由正面火焰穿過孔洞后點燃，也可能是其自身引起的點燃。Ｎａｋａｍｕｒａ等人［２７］逡逑４逡逑

逡逑對背面著火的第二種方式進行了數(shù)值模擬，典型結(jié)果在圖１．２中給出。圖中呈現(xiàn)逡逑的是微重強迫對流條件下厚度為０．２ｍｍ的ＰＭＭＡ薄板上表面在持續(xù)０．６４ｓ接收逡逑２８Ｗ的激光轄射且正面實現(xiàn)著火后，材料表面通孔附近的燃料質(zhì)量分數(shù)、氣逡逑相溫度７＼氧氣質(zhì)量分數(shù)｝＾及速度分布，實驗環(huán)境中氧氣體積分數(shù)為０．３５，風逡逑速從右向左，大小為５ｃｍ＾２７］。從圖１．２中可以看到正面的ＭＭＡ蒸氣濃度以及逡逑氣相溫度在通孔附近很高。在背面，雖然局部的可燃蒸氣濃度比較高，但是氣相逡逑溫度較低，因此，此時背面并沒有形成著火。值得注意的是在通孔處氧氣從背面逡逑流向正面，而該項研究的數(shù)值模擬結(jié)果表明背面著火的第二種方式是由新鮮空氣逡逑從背面流入正面后，在材料正面引發(fā)二次著火。二次著火的小火焰距離孔比較近，逡逑它能夠穿過孔且點燃材料背面的可燃氣體

逡逑對背面著火的第二種方式進行了數(shù)值模擬，典型結(jié)果在圖１．２中給出。圖中呈現(xiàn)逡逑的是微重強迫對流條件下厚度為０．２ｍｍ的ＰＭＭＡ薄板上表面在持續(xù)０．６４ｓ接收逡逑２８Ｗ的激光轄射且正面實現(xiàn)著火后，材料表面通孔附近的燃料質(zhì)量分數(shù)、氣逡逑相溫度７＼氧氣質(zhì)量分數(shù)｝＾及速度分布，實驗環(huán)境中氧氣體積分數(shù)為０．３５，風逡逑速從右向左，大小為５ｃｍ＾２７］。從圖１．２中可以看到正面的ＭＭＡ蒸氣濃度以及逡逑氣相溫度在通孔附近很高。在背面，雖然局部的可燃蒸氣濃度比較高，但是氣相逡逑溫度較低，因此，此時背面并沒有形成著火。值得注意的是在通孔處氧氣從背面逡逑流向正面，而該項研究的數(shù)值模擬結(jié)果表明背面著火的第二種方式是由新鮮空氣逡逑從背面流入正面后，在材料正面引發(fā)二次著火。二次著火的小火焰距離孔比較近，逡逑它能夠穿過孔且點燃材料背面的可燃氣體

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