典型非碳化聚合物材料热解及逆流火蔓延实验和理论研究

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固体可燃物热解及火蔓延是火灾初始和发展阶段的重要分过程,决定着后续火灾的发展,因此一直是国内外众多学者重点研究的对象。热解又是火蔓延的子过程,两者有着密切的关系。非碳化聚合物材料作为现代建筑中广泛应用的装饰材料,其在火灾中表现出的诸多特殊蔓延行为越来越多地受到研究者的关注。在外部热流作用下,非碳化聚合物材料受热后发生热解反应,热解产生的可燃气通过形成气泡等方式从材料内部传输到材料表面进而析出到外界空气中。热解释放出可燃性气体与空气混合形成可燃预混气,经点燃后会在材料表面发生燃烧化学反应形成火焰。燃烧产生的热量一部分用来加热燃烧产物,一部分通过辐射散失到环境中,剩下的一部分则通过对流、辐射和热传导的方式反馈回材料表面形成反馈热流而对未燃材料进行预加热,当未燃材料被加热后发生热解又进一步释放出热解可燃气以维持气相燃烧,如此不断的循环进而形成材料表面持续的火蔓延过程。与传统的碳化材料(如纸张、木材等)不同,非碳化材料在热解的过程中基本没有碳层形成,不会阻碍外部热流对材料的预加热,因此其热解速率要远大于碳化材料的热解。此外,材料的熔融和流动特性也会增加材料的蔓延速率。本文首先在锥型量热仪氮气气氛下对PMMA (Poly(methyl methacrylate))、 ABS(Poly(acrylonitrile butadiene styrene))和HIPS(High Impact Polystyren)三种典型非碳化聚合物材料进行了不同热流下的热解实验研究,在此基础上对非碳化聚合物材料有限尺寸自然条件下逆流火蔓延过程进行了实验和理论研究,其中包括材料厚度、宽度、环境压力和三维效应等参数对逆流火蔓延过程的影响。具体内容概括如下:热解方面,在低、中、高三种热流下对PMMA、ABS和HIPS的一维热解过程进行了实验研究。通过对比热电偶和红外热像仪材料背面温度的测量结果,验证了非接触测温方法的可行性。利用实验所测得的材料背面温度和质量损失速率,并结合Stanislav I. Stoliarov的ThermoKin模型得到材料的导热系数与温度的分段线性关系。进而在实验的基础上建立了一个考虑材料表面热流吸收方式和热解化学反应的非碳化聚合物材料的一维热解模型,模型对文献中广泛采用的深度吸收和表面吸收这两种假设分别进行了研究和对比,结果表明不同吸收方式对材料表面温度和热穿透层内温度分布有较大影响,这种不同在空气气氛下体现在着火时间的明显差异。而在宏观热解方面,即不考虑材料内部热解细节的情况下,两者的模拟结果均在可接受的范围之内。通过对比失重速率和背面温度的实验和模拟结果验证了此一维热解模型的正确性。火蔓延方面,在热解研究的基础上对自然对流和不同环境压力下的逆流火蔓延过程进行了实验和理论分析。结果表明在材料宽度较小的情况下,逆流火蔓延速率随厚度的增大而增加,这与二维无限宽条件下的结论有较大差别。主要原因是有限尺寸条件下,材料两侧的燃烧过程加速了蔓延速率。在厚度固定情况下,火蔓延速率反比于材料宽度。在合肥、西宁和拉萨不同环境压力条件下,失重速率、火焰高度和火蔓延速率均随压力的增大而增大。在低压条件下,气相化学反应动力学和火焰反馈热流是影响火蔓延速率的主要因素,当表征气相化学反应的Damkohler数小于一个临界值会产生熄火现象。本文还从传热和传质角度出发对火蔓延过程进行了理论分析并得到简化模型,模型中材料的火蔓延速率是材料尺寸、火焰前沿角度和材料热物理参数的函数。另外此模型还提供了通过测量火蔓延速率估算热解区和预热区火焰反馈热流大小的方法。同样,模型与实验结果较好的一致性说明了简化模型的正确性。
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