（安全技术及工程专业论文）典型条件下的阴燃过程及其向明火转化的研究.pdf

中困科学救术人学殒i 学 立论文籀舞 a b s t r a c t s m o l d e r i n gc o m b u s t i o ni sd e f i n e da san o n f l a m i n g ，s e l f - s u s t a i n i n g ，p r o p a g a t i n g 。 e x o t h e r m i c ，s u r f a c ec o m b u s t i o nr e a c t i o n i tm o s t l yo c c u r si np o r o u sm a t e r i a l s s m o l d e rr e a c t i o ni n v o l v e sc o m p l e xp r o c e s s e sr e l a t e dt of l u i df l o wa n dh e a ta n dm a s s t r a n s f e ri nap o r o u sm e d i a t o g e t h e rw i t l ls u r f a c ec h e m i c a lr e a c t i o n s t h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nt h e s ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o c e s s e sd e t e r m i n e st h ef i n a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h es m o l d e rr e a c t i o n t h es m o l d e r i n gp r o p a g a t i o nc a nb es e l f - s u s t a i n e du n d e rt h e b a l a n c eb e t w e e nt h er a t eo fh e a tr e l e a s ea tt h er e a c t i o nz o n ea n dt h em t eo fh e a t t r a n s f e rf r o mt h er e a c t i o nz o n et ot h es u r r o u n d i n g s a n du n d e rs o m ec e r t a i n c o n d i t i o n s ，i tc a l ll e a d 幻t h ei n i t i a t i o no faf l a m i n gf i r et h r o u g ht h et r a n s i t i o nf r o m s m o l d e r i n g o n c et h et r a n s i t i o no c c u r s ，t h ef l a m i n gc o m b u s t i o nc o u l de n g u l ft h e w h o l em a t e r i a l sq u i c k l y i nt h i sp a p e r , as e r i e so fe x p e r i m e n t a ls t u d yo ns m o l d e r i n g c o m b u s t i o no fp o l y u r e t h a n ef o a mh a sb e e nc o n d u c t e d t h er e s e a r c hc o v e r st h e i n v e s t i g a t i o n o fs m o l d e r i n gp r o p a g a t i o nu n d e rn a t u r a lc o n v e c t i o n ，s m o l d e r i n g p r o p a g a t i o nu n d e rf o r c e dc o n v e c t i o n ，s m o l d e r i n gp r o p a g a t i o ni ns e m i c l o s e ds p a c e a n dt h et r a n s i t i o nf r o ms m o l d e r i n gt of l a m i n go fp o l y u r e t h a n ef o a m t h ef i r s tp a n ：t h es t u d yo nt r a n s i t i o nf r o ms m o l d e r i n gt of l a m i n gc o m b u s t i o n u n d e rn a t u r a lc o n v e c t i o n e x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dw i t hp o l y u r e t h a n ef o a mu n d e r n a t u r a lc o n v e c t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es m o l d e r i n gp r o p a g a t i o nw a sd i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eu p w a r ds m o l d e r i n g ，am o d e lw a sc o n s t r u c t e dt o d e s c r i b et h ev e l o c i t yo fa i rf l o wi nt h ep o l y u r e t h a n ef o a ma su p w a r ds m o l d e r i n g p r o p a g a t e ds t e a d i l y f u r t h e r m o r e ，a c r i t i c a lv e l o c i t yo fa i rf l o we x p r e s s i o nf o r t r a n s i t i o nf r o mu p w a r ds m o l d e r i n gt of l a m i n gc o m b u s t i o ni sc o n s t r u c t e d ，a c c o r d i n g t ot h em o d e l sa n dt h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n t s ，t h ev e l o c i t yo fa i rf l o wt h a tr a n g e d f r o mo 0 0 1 m st oo 0 0 2 4 m sa su p w a r ds m o l d e r i n gp r o p a g a t e ds t e a d i l ya n dac r i t i c a l v e l o c i t yo f a i rf l o wt h a tr a n g e df r o mo 6 3 m st o1 0 7 m sw e r eg i v e n t h es e c o n dp a r t ：t h es t u d yo nt r a n s i t i o nf r o ms m o l d e r i n gt of l a m i n gc o m b u s t i o n u n d e rf o r c e dc o n v e c t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et e m p e r a t u r eh i s t o r i e si nd i f f e r e n t p o s i t i o n a r es i m i l a rt oe a c ho t h e rd u r i n gt h e s m o l d e r i n gp r o p a g a t i o n ，a n dt h e s i m i l a r i t yo fo p p o s e ds m o l d e r i n gi sp e r f e c t as e r i e so fe x p e r i m e n t sw e r ed o n eo n v i i 中国科学坎术人学硕i 。学位论文 桷爱 h o wt h eo x y g e nc o n c e n t r a t i o na n dm o i s t u r ec o n t e n ti nt h ef o a mi n f l u e n c et h e s m o l d e r i n ga n dt h et r a n s i t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e s m o l d e r i n gp r o p a g a t i o no fd i f f e r e n to x y g e nc o n c e n t r a t i o nh a ss o m ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h ef o r w a r ds m o l d e r i n ga n do p p o s e ds m o l d e r i n g w i t hi n c r e a s i n go x y g e n c o n c e n t r a t i o n ，t h et r a n s i t i o nf r o ms m o l d e r i n gt of l a m i n gc o m b u s t i o nw o u l do c c u l a n dw ea l s of o u n dt h eo p p o s e ds m o l d e r i n gw h i c hs p r e a d st ot h ew e tm a t e r i a lw o u l d e x t i n g u i s h t h et h i r d p a r t ：t h es t u d yo ns m o l d e r i n gm o d e la n dt r a n s i t i o nf r o mt h e s m o l d e r i n gt of l a m i n gc o m b u s t i o ni ns e m i c l o s e ds p a c e i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h e m e c h a n i s mo ft h e s m o l d e r i n go ft h ep o l y u r e t h a n e f o a mi nt h es e m i c l o s e d s p a c e e x p e r i m e n t sw e nc o n d u c t e d w i t i l h o r i z o n t a l l y o r i e n t e d p o l y u r e t h a n e f o a m t h er e s u l ti n d i c a t e su n d e rt h es e m i c l o s e dc o n d i t i o nt h et e m p e r a t u r ei sl o wa n d r a n g e sb yas m a l lm a r g i ni nt h er e a c t i o nz o n e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h es m o l d e r i n gi nt h es e m i - c l o s e d s p a c e ，am o d e li sc o n s t r u c t e dt od e s c r i b et h e d i f f e r e n tz o n e s a n a l y s i ss h o w st h a tt h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n t si sw e l lc o n s i s t e n tt o t h a to ft h em o d e li nt h ez o n el 2 ；a n dt h ee r r o ri ss m a l lb e t w e e nt h em o d e la n dt h e e x p e r i m e n t si n t h ez o n el ie x c e p tn e a rt h eb o t t o mo ft h ef o a m f u r t h e r m o r e a n e x p e r i m e n ts t u d yi s c o n d u c e do ft h et r a n s i t i o nf r o ms m o l d e r i n gt o f l a m i n g c o m b u s t i o no ft h ep o l y u r e t h a n ef o a mi nt h es e m i c l o s e ds p a c e t h er e s u l ts h o w st h a t i nt h i sc o n d i t i o n ，t h et r a n s i t i o nf r o ms m o l d e r i n gt of l a m i n gi sd i f f i c u l tb e c a u s ei t d e p e n d so nt h eo x i d a t i o nc o n c e n t r a t i o ni nt h ef o a m k e y w o r d s ：s m o l d e r ，f l a m i n gc o m b u s t i o n p o l y u r e t h a n ef o a m ，c r i t i c a lv e l o c i t y ，s e m i - c l o s e d s p a c e s m o l d e r i n gm o d e l v 1 1 1 中田科学技术人学 符v 襄 符号表 比热( 彤堙k ) 质量扩散系数( 肌2i s ) 重力加速度( m ，s 2 ) 多孔材料透过率( m 2 ) 热传导系数( m k ) 区域长度( 坍) 压力( p a ) 温度( k ) i 珂- f e s j ( s ) 质量( 坛) j , 塞_ f f j ( m s ) 空问坐标( 脚) 气体组分含量 密度( 姆臃3 ) 孔隙度 组分的化学反应产生速率( 七g ，s ) 反应热( 彬堙) 有效的 有效辐射换热系数 阴燃 空气 2 标 0 d g k k l p t o m u x y p 妒 w q 下 l 基 谢 。 a 中冈科学技术人学 符0 表 氧气 损失 材料中固体 初始 阴燃形成的炭层 最大值 临界值 气体 v 丘 s 眦 k f o 璐 毗 g 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：丛建煎 0 7 年岁月2 日 f 中冈科学技术人学坝i 擘位论文 毁谢 致谢 在论文完成之际，首先要感谢我的导师周建军教授，本论文研究方向的确定、 丌题、具体研究工作以及论文的撰写和修正，都倾注着导师的谆谆教诲，三年多 来，周老师在我的学习、生活各方面，给予了我很多的关怀和照顾周老师渊博 的知识、丰富的实践经验、精益求精的工作作风和亲切和蔼的待人方式是我以后 工作中学习的榜样。 感谢路长博士他为我论文的完成提供了多方面的帮助，包括了课题的研究 思路、实验设备的设计、实验材料的选择以及生活上的关心，所有的这些都使我 铭感于内。非常感谢彭磊硕士和张孝华硕士，他们为我的研究提供了许多很好的 建议。 感谢张林鹤老师在实验中对我的帮助和指导，尤其在实验设备上的使用和数 掘采集方面的探讨，使我受益非浅。感谢肖渊师弟在实验过程中对我协助，他的 帮助使我的实验能够顺利的提前完成。 感谢火灾实验室所有教过和帮助过我的老师，他们的渊博知识将我带到火灾 的学术殿章。 感谢0 4 级硕士班的同学，和你们的相处让我愉快地度过研究生阶段。 最后我要感谢我的家人，一直以来，他们对我的关心和支持是我克服困难、 不断拼搏的动力，足我人生中最宝贵的财富。 本沦文得到了国家重点基础研究发展规划项目火灾动力学演化与防治基 础编号2 0 0 1 c b 4 0 9 6 0 0 的资助，在此表示感谢。 1 1 i 林龙沅 2 0 0 7 年5 月于中国科大 中国科技人学颅| _ 论文 第一荦0 i 育 i i 研究背景 第一章引言 人类用火的历史十分久远，在同大自然的斗争中，人类逐步认识了火并积累 了用火的经验，火的发现和利用，使人类走向了文明和进步。当今，火在人们的 生活工农业生产以及科学技术等许多领域应用极为广泛，已经发挥了巨大作 用，而与此同时当火失去控制时，常常酿成火灾：火灾是失去控制的灾害性燃烧 现象，是发生最频繁且极具毁灭性的灾害之一，火灾造成的直接损失约为地震的 5 倍，仅次于干旱和洪涝，而发生的频度部居于各种灾害之首 1 】。 火灾的燃烧形式主要分为两种：阴燃和明火。对于明火的强烈破坏性人们都 已熟知：与明火燃烧相比，阴燃的燃烧温度和传播速度均较小并且由于它具有极 强的隐蔽性。在阴燃过程中不易被人发现，当在外界条件满足时，其能迅速向明 火转化而常常造成火灾。阴燃多发生于各种类型的疏松多孔材料中，如森林中厚 厚堆积的枯枝败叶、点燃的烟头、棉花堆、粮仓的干草堆或谷堆、煤层、锯木、 室内装饰板以及聚氨酯泡沫材料制成的各类生活用品等。这类材料由初始发生阴 燃，并最终由阴燃转化成火灾的这类例子很多，如2 0 0 4 年武汉“1 2 2 ”火灾事 故，造成7 人死亡，火灾原因是二楼楼梯间仓库内的袋内棉絮等物品长时间阴燃， 导致发生火灾；1 9 8 5 年4 月，一个烟头使哈尔滨天鹅饭店发生了大火，1 0 名无 辜者葬身火海，火灾原因是烟头引燃床上被褥经过一段较长时问的阴燃，燃烧 范围扩大而后转化为明火，从而最终导致了一场特大火灾；阴燃除了转化为明火 后能给人们生命和财产造成破坏外，阴燃本身也常常能造成巨大的威胁。如2 0 0 1 年1 2 月至2 0 0 2 年3 月在智利北部的卡拉马城，一场罕见的地下大火悄无声息地 阴燃了4 个月，蔓延了6 平方公里的区域，对该城的1 6 万居民构成了r 益严重 的威胁，阴燃经过的地区土质已经发生炭化，地表土变得松软，人踩上去会陷下 半米深。此外阴燃过程中也会散发出有毒气体对人体造成伤害甚至生命危险， 2 0 0 5 年1 月1 7 同浙江省舟山市岱山县高亭镇南峰村一村民家中发生火灾事故， 两名智障女子死亡，初步调查认为，发生火灾的室内可燃物长期处于阴燃状态， 由此产生的一氧化碳和氰化氢等有毒气体导致了二人的死亡。 以上分析看出无论是阴燃过程还是阴燃向明火的转化都存在着巨大的破坏 中周科技人学硕】：论文 第一章0 l 青 性和潜在的危险性，因此对阴燃的进行研究对火灾安全有重要意义。 1 2 研究现状 阴燃是一种没有火焰的燃烧，对于阴燃，o h l e m i l i e r 2 做了比较完整的定 义，认为阴燃是一种自维持并且主要依靠其自身材料表面与氧气发生氧化反应而 释放的热量来进行传播的一种波。阴燃是一种复杂的燃烧现象，多发生于多孔介 质中。在阴燃反应中涉及了多孔介质的传热传质、流体的运动、材料的热解反应 及氧化反应等过程，目前国内外研究者主要集中于一维阴燃的研究，并且根据氧 化剂与反应区域传播的相对方向分为正向阴燃( f o r w a r ds m o l d e r ) 和逆向阴燃 ( o p p o s e ds m o l d e r ) ，正向阴燃中氧化剂流动方向与反应区域传播方向相同：逆 向阴燃则两者传播方向相反。又可以根据重力加速度和反应区域传播的相对方向 分为向上阴燃( u p w a r ds m o l d e r ) 和向下阴燃( d o w n w a r ds m o l d e r ) ，向上阴燃 中重力加速度方向和反应区域传播方向相反；向下阴燃则两者传播方向相同，其 示意图如图1 - 1 所示。 向上明燃( u p w a r ds i b 0 1 d e r ) 向f 阴燃( d o w n w a r ds m 0 1 d e r ) 翻1 1 阴燃方式示意图 2 中国科投人学坝l 论文 第一帝0 f 苦 阴燃反应涉及了化学反应动力学、流体力学以及多孔介质的传热传质等问 题，并且实验材料的属性如材料的空隙度、导热性和其它的化学属性等对阴燃反 应的进行也有重要的影响。研究者对于阴燃的点燃、传播、向明火的转化以及熄 灭等过程主要是采用实验研究、理论分析和数值模拟三个方面束进行研究。 对于阴燃点燃过程，在加热过程中形成的炭层要达到一定厚度足保证点燃成 功的主要指标 3 5 】；w a l t h e re ta l 6 对j 下向和逆向阴燃的点燃做了实验研究， 表明点燃成功的关键主要决定于点燃加热量和加热时闻，建立了阴燃点燃模型， 得到了成功阴燃所需的最小炭层厚度为5 0 m m ；i i l b a oe ta l 7 在实验中采用辐 射热为船热源并考虑风速的影响，对木韦于材辩韵点燃和对流的影响进行了理论和 实验的研究，预测并实验验证了点火时间和阴燃维持时间；路长等人 8 通过积 分模型得到了实现点燃的l 临界表达式，并得到不同热流密度下点燃成功的临界炭 层厚度大约为4 0 m m ：a g e y a e ta l 【9 】研究冷杉的点燃过程中的水分含量、氧气浓 度和胍速对它的影响；m e l i s s ae ta l 【1 0 通过温度和质量损失的速度变化将点燃过 程分为_ = 三个阶段，认为其中加热阶段和不稳定阴燃阶段受外部加热流的控制，而 稳定阴燃阶段则受阴燃本身反应产生的热量控制。 阴燃过程是一个复杂的物理化学反应过程，阴燃材料在阴燃过程中往往要经 过预热、水分蒸发、材料的热解和氧化反应，即使是一个简单的阴燃反应也要涉 及到复杂的化学反应过程，研究者们通常采用三种化学化学反应模型来描述阴燃 的化学反应过程，它们是单步反应模型( o n e - s t e pr e a c t i o nm o d e l ) 1 卜1 5 、 两步模型( t w o - s t e pr e a c t i o nm o d e l ) 2 ，1 6 和三步模型( t h r e e s t e pr e a c t i o n m o d e l ) 1 7 - 1 9 ： a ：单步模型： e x o t h e r r a i ct h e r m a lo x i d a t i o n ： v t 【f u e l + v c ，【q 】呻v c 。【甜】+ 【面跏“sp r o d k 捃】+ 醣，m ， b ：两步模型： e a d o t h e r r a i cp y r o l y s i s ： v e f u e l + q ，, v f m p 寸k w c h a r + v w i 【g e o u s p ro d u c t s 】 e x o t h e r m i cc h a ro x i d a t i o n ： k h 【c h a r + v f ， 0 2 1 寸v 舻2 【g a s e o u s p r o d u c t s + q v o m o c ：三步模型： 中国科技人擘硕i 。论义第一辛，j f 高 e x o t h e r m i ct h e r m a lo x i d a t i o n ： l g f u e l l + n o 。d 2 毽。【咖川+ ； e a s e s 】 e n d o t h e r m i ep y r o l y s i s ： l g f u e l l - - - n , 2 c h a r + n s 2 【g a s e s e x o t h e r m i cc h a ro x i d a t i o n ： l g c h a r + n o ，【d 2 】寸 爿妫】+ ， g a s e s 】 t o r e r oe ta l 2 0 ，2 1 在对自然对流条件下的向上阴燃和强迫对流条件下的正 向阴燃的过程研究中发现阴燃反应由初始单步的氧化反应向双步反应转变，在假 设双步反应中热解和阴燃反应速度相等，并且认为热解发生在一个不变的温度 上，推导出单步反应的阴燃速度和双步反应的阴燃速度表达式： 单步反应时的阴燃速度： paqyo，+靠p)us2 e 瓦再雨飘i 覆阿i 只i 丽 两步皮应时的阴燃速度： 。 ，办q r o ，。u g 2 两琢万万而鬲亦i 而丽石面磊而 盎h u l te ta l 1 4 建立了强迫对流的逆向阴燃模型，考虑了气体不足和固体 材料不足的情况，并分别推导出燃烧温度阴燃速度和固体材料转化率的表达 式，重点分析了阴燃的传播和熄灭过程，文献 1 5 提出了强迫对流正向阴燃中反 应区的两种结构，反应前导结构和反应拖尾结构并得到了这两种结构的解。 w a n ge ta l 2 2 对强迫对流条件下的水平正向阴燃进行实验研究，分析了材 料表面风速、泡沫材料长度对阴燃速度和温度的影响，并采用渐近线的分析方法 ( a e a ) 分析了绝热和非绝热条件下的阴燃传播；文献 2 3 2 5 研究了在不同风 速及含水量等条件下，多孔介质f 向和逆向阴燃移动速度的分析比较，比较了纤 维质材料在正向阴燃和逆向阴燃中所排放的气体中具有代表性c 0 2 和c o 两种气 体的平均排放速率的随外界条件变化的情况，并分析了阴燃中具有指标性的特征 参数温度的变化：l e a c he ta l 1 8 采用v o d e 软件包对离散化的正向阴燃模型进 行计算对实验中的入口气流速度、氧浓度、动力频率因子及材料属性的影响进 行研究：g u i l l e r m or e i ne ta l 2 6 采用五步反应机制建立了在微重力条件下聚 氨酯泡沫萨向和逆向阴燃传播得新模型：郭晓平等人 2 7 2 9 根据炭燃烧理论。 采用控制体积法和p i s 0 算法对封闭条件下二维炭粒填充床的受迫阴燃和上方有 4 中国科技人学顾l ：论文 第一帚0 i 南 气流掠过的水平炭粒床进行数值模拟；解茂昭等人 3 0 】采用p i s o 算法对二维纤 维质颗粒床在不同工况下的阴燃进行了数值模拟，讨论了影响阴燃传播特性的因 素。 对于阴燃，目前许多研究比较集中于阴燃向有焰火转化的研究：c h a oe t a l 3 1 在自然对流条件下，对只有一面暴露于空气中且水平放置的聚氨酯泡沫材 料的阴燃进行了研究，考察了点燃热流强度、材料长度和材料阻燃性对阴燃转化 为明火的影响，认为阴燃向有焰燃烧的转变是由于炭的二次氧化造成的，其放出 的热量是第一次氧化的8 - 1 0 倍，炭的二次氧化主要受反应区氧浓度的影响，认 为阴燃后形成的炭层和泡沫中的氧气含量对阴燃转明火起的重要作用； a b a r f l a ne ta l 3 2 研究了竖直放置在风道中的小六面体聚氨酯泡沫材料，通 过降低风速，减小向周围环境的热损失，增加氧气浓度或者提高热辐射强度促进 了阴燃的传播及向有焰火的转化：a l d u s h i ne ta l 3 3 ，3 4 对阴燃向明火转化的 触发机制做了研究，采用三步反应来描述阴燃波的演变，研究认为在阴燃传播时 炭层的微弱氧化反应对其传播影响很小，当火焰距离l ，j 、于试样长度l 时阴燃向 明火转化：0 1 i v e rp u t z e y se ta l 3 5 采用超声波探测技术探测试样中与热电偶 同一高度位置的平均渗透率，分析发现炭的二次氧化反应形成的气孔为明火的转 化提供内部空白j ，分析了氧气浓度和辐射加热量对穿透率及炭的二次氧化速度的 影响，建立一个能量守恒模型用于预估炭的二次氧化速度与氧浓度、辐射量的关 系，与实验数值符合得很好：孙文策等人 2 3 在纤维质正向的阴燃实验中观察到 通过加大风速阴燃向有焰火的转化的现象；路长等人 3 7 对聚氮酯泡沫材料的水 平阴燃向有焰火转化的临界风速进行了研究并得到临界的j x l 速数量级在1 0 m s ，另外彭磊等人 3 8 建立了自然扩散条 牛下阴燃向有焰火转化的数理模型。 此外，对于阴燃实验所用的实验材料来说，研究者们主要采用聚氨酯泡沫作 为实验材料，此外也有部分文献对香烟 3 9 。4 0 和原木 4 1 的阴燃进行了研究。 1 3 研究思路与本文安排 通过对研究现状的回顾，我们了解到，对于阴燃现象的研究，国内外学者所 研究的内容涉及了阴燃的传播过程( 阴燃的点燃、传播、熄灭及向明火转化) 、 阴燃的传播方式( 正向阴燃、逆向阴燃、向上阴燃及向下阴燃) 、气流在阴燃过 中国科技人学硕f 论文第一带，j l 奇 程的流动状态( 强迫对流与自然对流) 。研究所采用材料包括了纤维质材料、原 木、香烟、木屑、纸张和聚氨酯泡沫材料等。尽管国内外学者对阴燃研究做了大 量而卓有成效的工作，但也存在一些问题需要做进一步的分析和研究：首先在实 验和文献中皆观察到当外界环境风速增大时阴燃向明火转化，但使明火转化时的 临界风速大小及其判定式有待于进一步研究与分析，其次阴燃往往发生于多孔材 料中，材料内部氧气浓度以及材料的含湿率对阴燃的传播以及向明火转化的影响 都需进一步研究与分析，最后针对在没有外加气流的这种特殊条件下的阴燃，研 究其阴燃反应区域的温度变化规德，以及在外加气流影响下阴燃的传播情况。 聚氨酯泡沫材料是一种多孔介质材料，其疏松多孔的性质使得很多研究者在 阴燃传播机理的研究中常常将其作为一种典型的阴燃材料来进行研究。本文的实 验采用聚氨酯泡沫材料，通过研究实验材料阴燃过程，来揭示阴燃过程的机理。 根据以上分析的研究思路，本文的章节安排如下： 第一章是引言，介绍研究背景、研究现状、研究思路和本文安排。 第二章是自然对流条件下的阴燃及向明火转化的研究，首先对阴燃中所用到 的实验设备做了比较详细的介绍，并对水平和竖直向上阴燃进行了研究，得到了 竖直向上阴燃稳定传播时实验材料内部的气流速度表达式和阴燃向有焰火转化 时的临界风速判定表达式。 第三章是强迫对流条件下的阴燃及向明火转化的研究，研究氧浓度以及实验 材料内部的含水率对阴燃传播及向明火转化的影响。 第四章是半封闭空问阴燃的模型及向明火转化的研究，重点分析了实验材料 在半封闭宅间的阴燃的特点，根据这些特点建立了相应的阴燃模型，并将模型与 实验相比较，揭示该条件下阴燃的机理。 第垃章是论文的总结与进一步的工作展望。 6 中国科学技术大学坝十学位论文 第：章臼然对流条件下的i ! j 燃 第二章自然对流条件下阴燃及其向明火转化的研究 2 1 简介 自然对流下的阴燃，是在没有外加强迫气流的条件下，其依靠空气中的氧气 组分扩散至阴燃反应区与材料来进行反应的，反应区所放出的热量推动阴燃在材 料中的迸一步地传播；对于自然对流条件下的阴燃传播速度以及传播状念的变化 主要受限于空气中氧气的进入至反应区的速度。 对于自然对流条件下的阴燃，也有许多研究学者对此进行研究，比较有代表 性的有c h a oe ta l 3 1 在自然对流条件下，对只有一面暴露于空气中且水平放 置的聚氮酯泡沫材料的阴燃进行了研究，考察了点燃热流强度、材料长度和材料 阻燃性对水平阴燃转化为明火的影晌，认为阴燃后形成的炭层和泡沫中的氧气含 量对阴燃转明火起的重要作用：t o r e r oe ta l 2 0 研究了自然对流条件下聚氨 酯泡沫材料的垂直阴燃，分别给出单氧化反应的阴燃前锋速度模型和阴燃后期 存在热解前锋情况下的阴燃速度模型。相较于以上对垂直阴燃和水平阴燃向明火 转化所做的研究，在自然对流条件下，两端有进出口实验体中的水平阴燃传播过 程的特点和多孔炭层内部高温所形成的浮力对垂直阴燃向有焰火转化的影响有 待于进一步的分析。 本文通过对水平和垂直向上阴燃进行了研究，对实验的结果进行了分析，得 到了水平阴燃传播过程的特点和垂直向上阴燃稳定传播时实验材料内部的气流 速度表达式以及其向有焰火转化时实验材料内部临界空气流速判定表达式。 2 2 自然对流条件下的水平阴燃研究 2 2 1 实验装置 阴燃的实验设备主要包括了阴燃反应实验体、加热器、电子精密天平、热电 偶、数据采集器、流量计、计算机以及充满氮气和氧气的气体钢瓶。下面对实验 中所用到的各仪器参数做详细描述。本论文第三章和第四章中所用到的仪器如果 与第二章的参数相同，将在实验装置介绍中不做详细介绍。 巾囚科学技术大学硕十学 奇论文 第：节臼然对流条件下的阴燃 实验体是阴燃发生和传播的主要场所，其装置实物图如图2 一l a 所示，其外 壳由0 8 m m 的钢板制作而成，实验体内壁采用3 c m 厚的硅酸铝纤维( a l u m i n u m 图2 _ 1 4 实验体装置买物图 s t l i c a t e ) 作为隔热材料，最大限度的 减小实验时的热损失，内腔体尺寸为长 3 5 c m ，宽1 6 c m ，高1 6 5 c m ，实验体周围 四边分别焊接上宽为4 c m 厚度为0 4 c m 的钢板，在钢板上每隔1 2 c m 打制一个螺 口，盖板与实验体采用螺丝拧合，并且 在边缘薄钢板处加盖硬纸板，用于在实 验时与前盖板紧密相合，保证实验体密 封良好不漏气：在实验体侧壁中问线上每隔2 c m 的距离打制一个直径约l ，l m m 的 圆孔，热电偶通过这些小孔采集实验时反应区的温度数据：加热器分别安装在实 验体两端的位置，加热器是由一排电加热棒组成，加热棒由薄会属外壳、内部发 热电阻丝、中f 自j 填充的云母三个部分构成：在实验体可进行各种形式的阴燃，如 水平正向阴燃、水平逆向阴燃、竖直向上阴燃、竖直向下阴燃等实验：实验体前 后罩盖为锥形结构，可自由拆卸，罩盖上分别接有进气管和排气管用于反应中气 流进出的通道。 称_ 藿仪器采用德国s a r t o r i u sl p 型电子天平，称重范围6 4 k g ，精确到 图2 一l b 电子天平实物图 图2 1c 电子天平采集程序骤面我图 0 1 9 ，其具有内置全自动测试和自校准功能( i s o c a l ) 以确保称量的高精确度， 并且配置了重复性自测试功能( r e p r o t e s t ) 和自动检测功能，其称量记录符合 i s 0 g j ，p 要求，设置电子天平每秒采集一次，采集的信号通过数掘线传送至计算 机采集程序中，最后得到了反应中实验材料的质量损失变化的实验数掘。 s 中国科学技术大学硕十学佟论文 第：节口然对流条件下的明燃 铠装镍铬一镍硅型热电偶( k 型) 用来采集温度信号，铠装热电偶主要是由 热电极、绝缘材料和余属套管三者组合加工而成的孥实组合体，也称套管热电偶， 其测量端的结构形式有碰底型、不碰底型、露头型和帽型四种，热电偶诈极为镍 铬，负极为镍硅，这种热电偶的化学稳定性好，可以在氧化性或中性介质中长时 问在1 0 0 0 。c 以下温度工作，短期可用于测量1 3 0 0 9 c 复现性好，灵敏度高；热 电偶所采集的温度模拟信号通过多通道数掘采集器p e r s o n a lo a q 5 6 将实验数掘 传送至热电偶温度采集程序( 如图2 一l d ) 进行同步记录。p e r s o n a ld a q 5 6 数 掘采集器内置冷端补偿，可直接进行；贝| 【量，其具有低电源的设计及远距离定位 ( 5 m ) 等特点。 图2 1 d 热电偶数据采集程序界面敲图 在强迫对流实验中可以通过玻璃转子 流量计( 图2 一l e ) 柬控制氮气和氧气的 进气流量和这两种气体的混合比例，从而 设置出不同的气体工况，纯氮气和纯氧气 分别来自高压钢瓶，实验中采用两个玻璃 转子流量计，一个用于调节氧气的流量， 另一个用于调节氮气的流量，并将它们固 定在角型钢制成的钢架上，它们的控制精 图2 1 e 玻璃转子湎重计买物圈 9 中国科学技术大学颂+ 学位论文 第j ：章白然对流条件下的j ! 燃 度为0 o l m 3 h ( 氧气) 币j o 0 4 m 3 i h ( 氮气) 水平阴燃装置设计： 加热器阴燃材料隔热材料 ! ： 热电偶j 称重仪 盯一。r j 数据嘉誊蒸计算机图2 一“实验装置简图 本实验是在两端丌口、其 余四面封闭的实验体内进行，其 中进气端采用绝热材料进行隔 热，并设置进气口大小为4 c r u x 4 c m ，排气口大小为1 6 c m x 1 6 5 c m ，实验装置简图如图2 1 f 所示，阴燃在实验体内进行 其内壁用隔热材料与外界隔绝， 内腔体长度为3 5 c m ，截面大小 为1 6 c m x l 6 5 c m ；聚氨酯泡沫材料以自然方式填充于实验体内，并与内腔体壁 面紧密接触；将加热棒作为加热器加热棒在实验设备初始端对实验材料进行加 热，可以通过调节加热棒上的电压( 0 2 5 0 v ) 来改变加热功率。材料在阴燃过程 中的温度通过一组安放在材料中心线上的热电偶进行测量，热电偶直径为l m m ， 相邻两根热电偶之自j 的距离为2 c m ，具体布置见图2 2 至图2 4 ，热电偶测量 的数掘通过多通道高速数据采集器p e r s o n a ld a q 5 6 进行采集并记录到计算机 中。 2 2 2 实验结果与分析 以扩散方式进入阴燃反应区的氧气与实验材料反应所放出的热量来推动着 阴燃的传播是自由对流条件下水平阴燃的最主要特征，实验采用改变初始加热量 的方法研究其对该阴燃过程的影响，实验材料采用聚氨酯泡沫材料，其孔隙度为 o 9 7 5 ，密度为2 6 5 k g m 3 ，材料的尺寸为1 6 5 e r a x1 6 c m x 2 0 c m ，通过调节加热 棒上的电压来改变加热功率。实验工况如表2 一l 所示： i o 巾国科学技术大学硕十学位论文 第：节自然对流条件下的阴燃 表2 一i 聚氯酯泡沫材料自由对流条件下的阴燃实验i ：况表 阴燃方式原材料k 度原材料质量加热麓大小实验结果 备注 ( c m ) ( g ) ( _ ) 水乎阴燃 2 02 0 8 51 5 4 幽2 2进气“为4 c m x 水平阴燃 2 02 1 2 i1 9 8 幽2 3 4 c m 枷1u 水平阴燃 2 0 2 0 7 82 2 21 奎l2 4 1 6 c t n x1 6 5 c m 难矗阴燃 2 01 9 8 i 茎| 2 5避气u 为1 6 c m 垂直阴燃 2 01 5 4 图2 6 1 6 5 c m ，捧气 乖直阴燃2 01 1 6图2 7 u 为1 6 c a 砥直阴燃 1 5l5 4 怪| 2 8 1 6 5 c m 下面为相应的实验曲线： 时间s l 鳘| 2 - - 21 5 4 w 自由对流条件下水平阴燃温度时问曲线幽 图2 31 9 8 w 自由对流条件f 水平阴燃温度时间曲线幽 蟊 矗c 船 浒 一 海 靛 奎 开 一 巴 中国科学技术大学硕十学何论文 第：章t 7 然对流条件下的们绣 苜 叠： 尝 净 一 茕 幽2 42 2 2 w 自由对流条件下水平阴燃温度时间曲线豳 实验采用长度l = 2 0 c m 的聚氨酯泡沫材料，并分别用1 5 4 w ，1 9 8 w 和2 2 2 w 三种不同的加热热流量进行点燃，得到了材料内部阴燃温度随时问变化的曲线如 图2 - - 2 至图2 4 所示，阴燃实验中，材料的质量损失曲线在图中用札表示； 研究者 6 ，8 发现要使阴燃能够实现成功点燃，需要形成一个最小炭层厚度，其 所需的炭层厚度约为4 0 r m 至5 0 r a m ：为了保证炭层厚度，本次实验设计当离加热 器的蹈离为5 c m 的热电偶所测的温度达到3 0 0 。c 时，实验停止加热。从图中可以 看出随着仞始加热流的增大，加热时矧相应减小，而反应中的阴燃速度依次增大； 阴燃区域豹温度主要受环境的氧气向反应区扩散速率的影响因此温度部不高，在 3 0 矿c 4 0 0 4 c 范围内。从图中可以看出图2 2 中阴燃传播至材料末端时趋于熄 灭，这主要是因为在该阴燃反应中阴燃传播速度较慢，因此其传播至整个区域时 所用的甜间就越长，反应区向外界损失的热量就越多当传播至材料术端时由于 受到对流和辐射散热以及热烟气排出所带走热量的影响，