中空结构可燃物竖直向上火蔓延特性实验研究*

为探究中空结构固体可燃物竖直向上火蔓延的特征规律,针对不同试样内径(d)的瓦楞纸圆管进行竖直向上的火蔓延实验研究,探讨试样内径对其竖直向上火蔓延特性的影响。结果表明:其火蔓延过程可以分为火焰发展、稳定蔓延和火焰衰弱3个阶段,蔓延过程中对流换热占据主导地位;平均火焰高度随d的增大先增大后略微减小,在d=70 mm时达到最大;火蔓延速率和质量损失速率均随d的增大而增大,并且质量损失速率与d存在较好的线性关系;火蔓延速率与热释放速率呈现出较好的幂次关系。可以发现在一定范围内,中空结构可燃物的内径越大其火灾危险性越高。     

点火源引燃的上坡火蔓延实验研究

开展了点火源引燃的上坡火蔓延实验,用刨花丝为燃料,研究不同坡度角对火蔓延速率、火线夹角、火焰长度、火焰倾斜角等的影响规律,并简要分析了火焰对火前未燃燃料的辐射传热。发现平坡条件下会形成圆形火线,而坡度条件下会形成泪滴状的火线。当坡度角高于20°时,上坡火蔓延速率随坡度的增大迅速上升。     

EPS外保温材料火灾蔓延速率的数值模拟与试验研究

根据火灾动力学理论,建立了热塑性外保温材料火蔓延速率模型。该模型对实际燃烧过程做了一定的假设简化,主要考虑了材料厚度和火源位置对材料燃烧发展过程的影响。并提出无量纲参数"耦合燃烧度",用来表征热塑性材料的燃烧壁面与高温熔滴形成的油池火之间相互作用的程度。基于ISO9705全尺寸热释放速率实验室,采用20×20×10 cm3正庚烷油槽火源为火源样式,设计了4种不同的燃烧工况研究EPS外保温材料的火蔓延规律和影响因素。结果表明:其火蔓延速率随时间变化呈指数增长,EPS的火蔓延速率的回归方程通式为Vp(t)=Aexp(Bt),与理论推导方程Vp(t)=φ1exp(φ2t)有较好的相关性。当EPS的厚度为50 mm时,火蔓延速率增幅最小;"耦合燃烧度"越大,火蔓延速率增长越快;"耦合燃烧度"随材料厚度的增加而增大;不同火源位置下,"耦合燃烧度"从大到小为中火、底火、顶火、边角火。理论模型与试验结果有较好的一致性,可以有效预测热塑性外保温材料的火蔓延速率。     

可燃物填充比对火蔓延影响的实验研究

提出了一种可精确控制燃料床填充比的方法.以刨花为燃料,开展了可燃物填充比对火蔓延影响的系统性实验研究.分析了火焰长度、火焰倾斜角、火蔓延速率、质量损失速率和热流密度随填充比的变化规律.研究发现,随填充比增大,火焰长度逐渐减小,火焰倾斜角逐渐增加,导致火焰热辐射降低、火蔓延速率减小.当填充比小于0.06时,燃料消耗率接近...     

垂直壁面火蔓延速率的实验测量

垂直壁面火蔓延过程受材料本身的热物理性质以及外加辐射等复杂因素条件的影响很大,论文研究建立了可测量不同材料存在外加辐射条件下的垂直方向火蔓延实验台,来研究典型可燃物的垂直方向火蔓延特性,观察不同材料之间火蔓延行为的不同,同时测定可燃物的火焰到达高度随时间的变化情况,得到相应的火焰蔓延速率。同时考虑外辐射情况下对不同材料垂直方向火蔓延过程的影响,实验数据可为进一步的模拟研究工作提供很好的参考。     

不同通风条件下柴油池火的实验研究

为了分析不同通风条件对柴油池火燃烧特性及引燃特性的影响,进行205 mm带水垫层柴油池火的引燃实验,通过对池火燃料的质量损失速率、火焰高度、温度及热辐射等的监测,分析通风环境中柴油池火的热传递规律。结果表明:当风速为0.5 m/s时,火灾进入旺盛阶段的时间提前,火焰平均温度最高;当风速为1 m/s时,风速的增加导致油池火的质量损失速率增加,位于主火源下风向的待引燃火源获得的热辐射通量增大,火灾旺盛阶段火焰的平均温度降低,火焰高度降低,下风向相邻油盘引燃的时间提前;1 m/s情况下,205 mm带水垫层柴油池火的安全间距需增加到1D以上;通风环境对池火发展及蔓延的影响是显著的,应适当加大下风向可燃物的安全间距,合理选择通风排烟风速,优化火灾应急救援策略。     

试样宽度对EPDM卷材竖直火蔓延的影响

以2.0 mm厚三元乙丙橡胶(EPDM)防水卷材为研究对象,在ISO 9705全尺寸热释放速率试验台上进行竖直壁面火蔓延试验,研究了不同试样宽度条件下热释放速率、热通量及其与火焰高度的关系.结果表明,热释放速率峰值随着宽度的增加呈非线性变化.当试样宽度小于25 cm时,试样火焰高度和竖直火蔓延平均速度随宽度的增加而增大; 宽度大于25 cm时,横向火蔓延明显,火焰高度和竖直火蔓延平均速度随其增加而减小.25 cm可以看作该厚度下的试样临界宽度.由热释放速率与火焰高度关系式Xf/W=α(Q)'n得到的7种工况的n值近似为1.08,得出热通量(Q)与X/Xf的关系曲线.     

辐射和倾角耦合作用下火蔓延行为特性

火蔓延行为决定了火灾发展规律及其后果,其行为特性常常受到多个参数的共同影响。为研究外部热源辐射和倾角对火蔓延行为的共同作用,开展了一系列不同外加辐射强度和倾角的木材(樟木)表面小尺寸火蔓延实验,测量了火蔓延过程中的关键特性参数,包括质量损失速率、火焰形态以及火蔓延速率。结果表明,质量损失速率、火焰面积和火蔓延速率都随着倾角和外加辐射强度的增加而增加,而且倾角越大外加辐射对试样质量损失速率的作用越明显。另外发现,倾角较小时,V_f~(-1/2)与辐射强度存在较好的线性关系,但是倾角较大时,该线性关系就不再满足。     

典型聚合物材料平行双板水平火蔓延规律研究

为了研究固体可燃物多火焰火蔓延规律及传热控制机理,开展了竖向水平排列的PMMA单一平板和平行双板火蔓延规律研究。基于水平火蔓延实验台,考虑平板尺寸、平行双板的竖直间距两个主要因素,分析此类条件下的火蔓延速度、火焰高度和火焰宽度等参数。实验研究发现,PMMA板水平火蔓延过程中,热解前锋呈V型,预热区长度随平板间距的增大先增大后减小。平行双板工况下,在研究考虑的间距范围内火焰始终保持合并,火蔓延速度、火焰高度及宽度明显大于单一平板,且均随间距的增加先增大后减小,三者峰值出现的位置与样件尺寸有关。上层PMMA板上下表面的辐射热流随间距的变化规律与火蔓延速度变化规律一致,因此推断辐射作用在平行双板水平火蔓延中起到主导作用。     

泡沫材料在狭缝空间垂直火蔓延的数值模拟

保温材料的火蔓延特性对建筑防火有重要意义,而其在狭缝等特殊空间结构中的燃烧特性还缺乏深入研究.本文采用CFD模拟技术和并行计算手段对狭缝空间中泡沫材料的竖直火蔓延特性进行了分析研究.计算发现在狭缝宽度为5 -6 cm时,由于侧向补风增强,导致狭缝内存在规则的大尺度涡旋结构.涡旋将火焰向两侧拉扯,而且涡旋强度可以增强狭缝内火蔓延速度.相对开放空间的情况,在狭缝空间中泡沫材料的火焰高度随线热释放速率强度的增加较慢,并且存在最小热释放速率强度.当热释放速率强度小于一定值时,火焰将会熄灭.     

木材表面火蔓延特性的动态测量研究

通过模拟实验,对不同工况下木材表面的火蔓延特性进行了动态测量研究。首先应用火焰结构显示技术连续观察和记录了木材表面的火蔓延行为和火焰的热结构;其次,利用温度示踪技术对火蔓延过程进行了动态观测,进而获取了在不同条件下的火蔓延速度并分析讨论了木材表面火蔓延的机理。     

试样放置角度与外加辐射强度对可碳化固体表面火蔓延的影响

选取了尺寸为400mm×90mm×3mm质地较为均匀的白木作为研究对象,对不同试样放置角度和不同外加辐射强度作用下的火焰高度、火蔓延速率和失重速率等火蔓延参数进行了测量,以研究试样放置角度和辐射强度对可炭化固体表面火蔓延的作用规律。研究发现,试样表面的火蔓延速率随辐射强度的增加而增加。当角度在负角度范围内时,角度的变化对火蔓延速率的影响不大,当角度在正角度范围内时,火蔓延速率随着角度的增加而迅速上升。试样失重速率随着辐射强度以及试样放置角度的增加而增加。火焰高度会随着外加辐射强度的增加而增加,并与试样失重速率的0.4次方呈正比关系。     

基于燃烧相互作用的PMMA相向火蔓延特性实验研究

为探究耦合燃烧作用对固体可燃物火蔓延的影响,开展基于燃烧相互作用的聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate, PMMA)相向火蔓延特性实验研究。通过对不同宽度PMMA板进行相向火蔓延实验,获取火焰图像、温度场、质量损失速率等燃烧特性参数,分析相向火蔓延的过程特点与燃烧机理。研究结果表明：相向火蔓延过程中存在4个典型阶段,即快速发展阶段、相对稳定阶段、相互作用阶段、融合燃尽阶段;PMMA板宽度对相向火蔓延燃烧特性的影响较为显著,体现在热解区长度、相对稳定状态维持时间、质量损失速率等参数变化上。研究结果可为建筑物保温材料的火灾预防抑制提供参考。     

室内火灾中外部燃烧现象的数值模拟

外部燃烧是室内火灾中火焰随烟气流出窗户并在窗户外燃烧的现象。外部燃烧会造成火势从初始着火的房间向其他房间或楼层蔓延,具有很大的危害性。本文应用美国国家标准技术局（NIST）开发的FDS程序,对外部燃烧现象进行了研究。首先对Bullen和Thomas的实验进行数值模拟,用以验证FDS对外部燃烧现象的模拟效果。在相近的燃料过量因子的条件下,计算得到的外部燃烧羽流的温度分布结果、外部燃烧火焰的高度和火焰距离窗户所在壁面的水平距离与Bullen和Thomas的实验结果符合得较好。之后,研究了不同窗户大小和不同燃料消耗率对外部燃烧的影响。最后,发现当燃料消耗率足够大致使室内燃料过量因子接近1时,室内火焰将会熄灭,燃料流出窗户形成的外部燃烧火焰会被拉长,火焰肾贴窗户外的壁面向上燃烧。     

火焰沿层状疏松燃料的定常蔓延

本文从燃料预热角度出发，建立了一个无风状态下火焰沿层状疏松燃料水平定常蔓延的物理模型。在该模型中，假设环境无风，从热学角度考虑燃料很薄。燃料加热机制包括火焰辐射，燃料中的热辐射和热传导以及火焰通过扩散对流对其附近燃料的加热，散热机制包括燃料上表面辐射散热和对流散热。计算得到了火焰蔓延速度同几个主要影响因素之间的关系，并用曲线拟合技术得到了一个简单的函数表达式。该模型用实验进行了检验，由于对燃料中的热辐射采用了辐射向量的处理方法，同时，考虑了火焰卷吸引起的强迫对流对散热的影响，从而使计算结果同实验取得了较好的一致。     

通风状况对乳胶泡沫材料燃烧特性影响

设计小尺寸实验平台,研究不同通风管道风速对乳胶泡沫材料燃烧特性的影响。在不同风速条件下进行实验,获得材料表面温度分布、质量损失速率、火焰高度和火蔓延速率等特性参数。实验结果表明,在管道风速为0,1.5,3,4.5,6 m/s时,平均火焰蔓延速率分别为0.24,0.20,0.23,0.25,0.24 cm/s,最大质量损失速率分别为2.80,2.26,2.65,3.18,3.63 g/s。在有风条件下,随着风速的增加,火焰燃烧过程变得更加剧烈,最大质量损失率变大。实验样品的燃烧过程可以分为3个阶段:初始生长、完全燃烧和熄灭。最大火焰高度发生在燃烧过程的第2阶段,不同管道风速下的最大火焰高度分别为96.39,72.83,90.68,94.96,95.32 cm。     

氧化铁粒径对固体推进剂火焰特征参数影响的试验研究

针对5-氨基四氮唑/硝酸锶固体推进剂在实际应用中存在的推进剂火焰偏大、容易在灭火装置喷口处形成外喷火焰的问题,选用了微米氧化铁和纳米氧化铁作为催化剂,分别从火焰形态、质量损失速率、热释放速率、无量纲火焰高度模型几个角度开展研究,对比了两种不同粒径的氧化铁对5-氨基四氮唑/硝酸锶固体推进剂燃烧火焰的优化效果。根据燃烧试验结果,发现不论是富氧燃烧还是贫氧燃烧,在降低推进剂燃烧时的火焰高度方面,微米氧化铁均明显优于纳米氧化铁;在提高质量损失速率方面,微米氧化铁的加速效果也要优于纳米氧化铁。基于传统的液态燃料油池火发展的火焰高度预测模型,将无量纲火焰高度与热释放速率的分析关系应用到固体推进剂燃烧领域,考虑使用无量纲火焰高度的分析方法,对固体推进剂燃烧过程中的火焰高度进行预测,建立了5-氨基四氮唑/硝酸锶固体推进剂的无量纲火焰高度模型,发现不含氧化铁和含有氧化铁的5-氨基四氮唑/硝酸锶固体推进剂燃烧时的火焰高度与热释放速率的n次方成正比,该无量纲拟合可以对固体推进剂火焰高度进行预测。最终,得出了微米氧化铁比纳米氧化铁更适合作为催化剂被用于5-氨基四氮唑/硝酸锶推进剂中,有利于提高固体推进式灭火装置的灭火效果。