【摘要】：固體可燃物的熱解著火過程決定了火災(zāi)的初始階段,而火蔓延過程則決定了火災(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)達到一定溫度時,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)混可燃氣體。當(dāng)可燃氣體濃度與溫度達到臨界條件時,氣相化學(xué)反應(yīng)放熱量將不可逆轉(zhuǎn)的超過對流散熱量,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,使得燃燒強度持續(xù)增加,直到燃料達到熱平衡狀態(tài)�；鹧嬖趯θ紵齾^(qū)域傳輸熱量的同時,也會對未燃區(qū)域傳輸熱量,使得未燃區(qū)域溫度上升,熱解過程加速,進一步產(chǎn)生更多的熱解氣體以維持燃燒過程。這在宏觀上就表現(xiàn)為熱解前鋒位置的移動,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相關(guān)。當(dāng)固體表面朝向發(fā)生改變時,熱解氣體流場勢必發(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此關(guān)注不多,關(guān)于著火過程大多研究的是水平放置的材料,對于其他朝向下的材料著火研究較少。對于火蔓延過程,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)者研究過坡面上的側(cè)向火蔓延過程。針對前人對此的研究不足,本文主要就熱解著火過程和火蔓延過程兩方面展開實驗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。實驗證實了材料表面朝向會對熱解著火過程產(chǎn)生影響。同時,我們還建立了木材的一維熱解模型,并引入表面朝向?qū)α鱾鳠岬挠绊懽鳛檫吔鐥l件,利用數(shù)值計算的方法考察材料的表面溫度。模型計算結(jié)果表明,材料表面朝向主要通過對流傳熱和熱解氣體輻射阻礙作用兩個方面來影響材料的熱解著火過程�；鹇臃矫�,在可調(diào)角度的實驗臺上進行了PMMA板的側(cè)向火蔓延過程的實驗研究。通過結(jié)合對流傳熱主控假設(shè),推導(dǎo)出側(cè)向火蔓延的理論模型,并預(yù)測在材料寬度較小的情況下,側(cè)向火蔓延速率會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)論在實驗中得到了證實。在此基礎(chǔ)上,我們還對側(cè)向火蔓延中的火焰形態(tài)進行了研究。結(jié)果表明,熱解區(qū)長度與寬度和傾角正弦成冪指數(shù)關(guān)系,而火焰長度只與寬度成冪指數(shù)關(guān)系。另外,在拉薩和合肥均進行了傾斜PMMA板的燃燒行為實驗,包括穩(wěn)態(tài)燃燒和火蔓延兩方面。文中建立了一個傾斜表面上的穩(wěn)態(tài)燃燒速率預(yù)測模型,模型與實驗結(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)速率會對火蔓延速率產(chǎn)生顯著影響。
【圖文】：

Ｗｍｉａｒｎｓ的模型無疑是正確的，但是無法確定火焰對未燃區(qū)域傳熱量的數(shù)值，因逡逑此很難進行應(yīng)用。ｄｅＲｉｓ［Ｗ在熱輸運模型上推導(dǎo)出了邋一個更完整的理論解�；遥椋箦义系哪媪骰鹇幽Ｐ腿鐖D１．１，他對逆流火蔓延做出了一些假設(shè)和簡化，認為火焰逡逑與未燃區(qū)交界面附近的流動近似符合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)測出較好的結(jié)果，仍有逡逑一些情形下，ｄｅＲｉｓ的模型預(yù)測與實驗結(jié)果偏差較大。Ｓｅｒｇ巧仔細研巧了這一問逡逑題，發(fā)現(xiàn)ｄｅＲｉｓ的模型做出的化學(xué)反應(yīng)速率無限大的假設(shè)，導(dǎo)致了在特定條件下逡逑火蔓延預(yù)測結(jié)果與實際發(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】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ038

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本文編號：2583993