【摘要】：固體可燃物的熱解著火過(guò)程決定了火災(zāi)的初始階段,而火蔓延過(guò)程則決定了火災(zāi)的發(fā)展階段。這兩方面是火災(zāi)科學(xué)中的重點(diǎn)課題,一直受到眾多學(xué)者的關(guān)注和研究。固體可燃物在受到外界輻射的作用下,溫度將持續(xù)上升,當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí),固體將發(fā)生熱解并釋放出小分子熱解氣體。熱解氣體將不斷從固體表面析出,并與周圍空氣混合形成預(yù)混可燃?xì)怏w。當(dāng)可燃?xì)怏w濃度與溫度達(dá)到臨界條件時(shí),氣相化學(xué)反應(yīng)放熱量將不可逆轉(zhuǎn)的超過(guò)對(duì)流散熱量,局部氣相溫度發(fā)生躍升,從而產(chǎn)生了宏觀上的著火現(xiàn)象。當(dāng)固體可燃物的著火發(fā)生之后,由于火焰對(duì)燃燒區(qū)域表面的傳熱作用,表面熱流和表面溫度將迅速升高,從而產(chǎn)生更多的熱解氣體,繼續(xù)參與到氣相燃燒反應(yīng)中,使得燃燒強(qiáng)度持續(xù)增加,直到燃料達(dá)到熱平衡狀態(tài)�；鹧嬖趯�(duì)燃燒區(qū)域傳輸熱量的同時(shí),也會(huì)對(duì)未燃區(qū)域傳輸熱量,使得未燃區(qū)域溫度上升,熱解過(guò)程加速,進(jìn)一步產(chǎn)生更多的熱解氣體以維持燃燒過(guò)程。這在宏觀上就表現(xiàn)為熱解前鋒位置的移動(dòng),即火焰發(fā)生蔓延。固體可燃物的著火與火蔓延本質(zhì)上都與固體表面上方的熱解氣體流動(dòng)相關(guān)。當(dāng)固體表面朝向發(fā)生改變時(shí),熱解氣體流場(chǎng)勢(shì)必發(fā)生改變,從而使得著火與火蔓延行為發(fā)生變化。然而以往的研究者們對(duì)此關(guān)注不多,關(guān)于著火過(guò)程大多研究的是水平放置的材料,對(duì)于其他朝向下的材料著火研究較少。對(duì)于火蔓延過(guò)程,大多也是研究的水平、向上(包括傾斜向上)和向下(包括傾斜向下)情形,很少有學(xué)者研究過(guò)坡面上的側(cè)向火蔓延過(guò)程。針對(duì)前人對(duì)此的研究不足,本文主要就熱解著火過(guò)程和火蔓延過(guò)程兩方面展開實(shí)驗(yàn)研究和理論研究工作。具體內(nèi)容如下：熱解著火方面,利用輻射加熱錐,在不同輻射熱流下測(cè)量三種放置形式下(受熱面向上、垂直放置和受熱面向下)泡桐木材的熱解著火特性。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了材料表面朝向會(huì)對(duì)熱解著火過(guò)程產(chǎn)生影響。同時(shí),我們還建立了木材的一維熱解模型,并引入表面朝向?qū)?duì)流傳熱的影響作為邊界條件,利用數(shù)值計(jì)算的方法考察材料的表面溫度。模型計(jì)算結(jié)果表明,材料表面朝向主要通過(guò)對(duì)流傳熱和熱解氣體輻射阻礙作用兩個(gè)方面來(lái)影響材料的熱解著火過(guò)程�；鹇臃矫�,在可調(diào)角度的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了PMMA板的側(cè)向火蔓延過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)結(jié)合對(duì)流傳熱主控假設(shè),推導(dǎo)出側(cè)向火蔓延的理論模型,并預(yù)測(cè)在材料寬度較小的情況下,側(cè)向火蔓延速率會(huì)隨著傾角的增加而增加,且隨著寬度增加而略微減小,這一結(jié)論在實(shí)驗(yàn)中得到了證實(shí)。在此基礎(chǔ)上,我們還對(duì)側(cè)向火蔓延中的火焰形態(tài)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,熱解區(qū)長(zhǎng)度與寬度和傾角正弦成冪指數(shù)關(guān)系,而火焰長(zhǎng)度只與寬度成冪指數(shù)關(guān)系。另外,在拉薩和合肥均進(jìn)行了傾斜PMMA板的燃燒行為實(shí)驗(yàn),包括穩(wěn)態(tài)燃燒和火蔓延兩方面。文中建立了一個(gè)傾斜表面上的穩(wěn)態(tài)燃燒速率預(yù)測(cè)模型,模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均顯示燃燒速率隨壓力和傾角的增大而增大。在低壓環(huán)境下,氣相化學(xué)反應(yīng)速率會(huì)對(duì)火蔓延速率產(chǎn)生顯著影響。
【圖文】：

Ｗｍｉａｒｎｓ的模型無(wú)疑是正確的，但是無(wú)法確定火焰對(duì)未燃區(qū)域傳熱量的數(shù)值，因逡逑此很難進(jìn)行應(yīng)用。ｄｅＲｉｓ［Ｗ在熱輸運(yùn)模型上推導(dǎo)出了邋一個(gè)更完整的理論解�；遥椋箦义系哪媪骰鹇幽Ｐ腿鐖D１．１，他對(duì)逆流火蔓延做出了一些假設(shè)和簡(jiǎn)化，認(rèn)為火焰逡逑與未燃區(qū)交界面附近的流動(dòng)近似符合Ｏｓｅｅｎ流環(huán)境，且火焰是很薄的火焰面Ｗ及逡逑化學(xué)反應(yīng)速率非常大等。ｄｅＲｉｓ的逆流火蔓延模型在大部分情況下都得到了較為逡逑準(zhǔn)確的驗(yàn)證，直到現(xiàn)在都是應(yīng)用較多的逆流火蔓延理論模型。此后，逡逑Ｂｈａｔｔａｃｈａｊｅｅｔ６６—６９巧Ｑｕｉｎｔｉｅｒｅｆ６’邋Ｗ都用各自的方法推導(dǎo)出各自的逆流火蔓延模型，逡逑都與ｄｅ邋Ｒｉｓ的模型具有一致的形式。逡逑圖１．１邋ｄｅ邋Ｒｉｓ的逆流火賽延模型逡逑盡管在大部分情況下，ｄｅＲｉｓ的火蔓延模型都能夠預(yù)測(cè)出較好的結(jié)果，仍有逡逑一些情形下，ｄｅＲｉｓ的模型預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差較大。Ｓｅｒｇ巧仔細(xì)研巧了這一問(wèn)逡逑題，發(fā)現(xiàn)ｄｅＲｉｓ的模型做出的化學(xué)反應(yīng)速率無(wú)限大的假設(shè)，導(dǎo)致了在特定條件下逡逑火蔓延預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際發(fā)現(xiàn)偏差。這些特定條件包括低氧濃度、低環(huán)境壓力、外逡逑界高氣流速度等，隨著這些條件變得更加極端，逆流火蔓延將進(jìn)入臨近媳滅條件逡逑狀態(tài)

發(fā)現(xiàn)在巧維板厚度小于１．５ｍｍ的情況下，火蓮延速率與材料厚度成反比，如圖逡逑１．２。Ｆｅｍａｎｄｅｚ－Ｐｅｌｌｏ和Ｗｉｌｌａｍｓｔ＂碩巧■了邋ＰＭＭＡ板的向下火蔓延行為，發(fā)現(xiàn)隨逡逑著材料厚度的增加，火蔓延速率逐漸減小，直至趨于一個(gè)定值，如圖１．３。逡逑王０邋？逡逑Ｓ＇＂：邋＼逡逑０．１邋？逡逑一邋Ｉ邐Ｉ邋ＩＩＩ邐Ｉ逡逑０．１邐（Ｕ邋Ｑ４邋０Ａ邋Ｗ邐２．０逡逑ＴＭｃｆｃｎｅｕ（ｍ。，逡逑圖１．２纖維板的厚度對(duì)向下火董延速率的影響（Ｍａｇｅｅ和ＭｃＡｌｅｖｙ）逡逑１１逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ038

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本文編號(hào)：2583993