固体可燃物火蔓延在实际火灾场景中是一种十分常见的现象,一直是火灾安全研究的重中之重,因此吸引了大批的学者展开实验与理论研究。研究表明当燃烧区域和非燃烧燃料之间存在某种类型的“联系”时,才会发生火灾蔓延,所以确定火灾蔓延机制的关键在于明确这种蔓延的特征。这就要求进一步分析固体可燃物火蔓延过程中气相和固相的传热传质,明确固体可燃物的燃烧机理和火焰蔓延行为特性。这对于火灾科学的研究是一项意义重大的工作,同时能够对现实生活中的消防系统设计、防火材料设计、火灾探测以及应急救援领域提供有力的技术支撑。火灾场景中如果固体可燃物被引燃,且存在外界顺风气流,将会使得火焰蔓延加速,扩大燃烧面积,造成更大的人员伤亡和财产损失;而前人的理论模型和实验研究大多在集中在固体逆流条件下火蔓延,关于顺流下固体火蔓延的理论和实验研究仍相对较为不足,因此需要更深入的研究;其次,现实生活中材料尺寸和摆放方式(蔓延结构、倾斜角度等)多种多样,影响材料燃烧区对预热区的热量传递,进一步对火焰的蔓延和发展也会产生非常重要的作用。针对外界环境风速和固体材料几何结构、摆放方式对于火蔓延行为的影响研究较少,同时为了揭示顺流下固体可燃物火蔓延控制机理,本文使用了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)开展了顺风火蔓延实验,研究了在环境风作用下不同蔓延结构(顶棚、水平和侧向)、材料厚度以及材料倾斜角度对典型固体材料PMMA顺流火蔓延的影响。主要工作包括三个方面:(1)环境风速与样品厚度对PMMA顶棚顺流火蔓延的影响研究;(2)环境风作用下不同倾斜角度热薄型PMMA顺流火蔓延行为特性实验研究;(3)环境风作用下侧向与水平热厚型PMMA顺流火蔓延行为与燃烧特性的研究;具体研究内容如下:(1)研究了顺流风速与样品厚度对PMMA顶棚顺流火蔓延行为的影响。在燃烧风洞内,开展了不同风速与样品厚度作用下,固体材料在顶棚结构下火蔓延行为的实验,对火蔓延速度、热解区长度、热解区域平均热流等特征参数进行测量。结果表明,火蔓延速度随顺流风速增大而增大,随样品厚度增大先迅速下降后缓慢下降。热解区长度随厚度增大单调增大,对于小厚度样品,随风速增大单调增大,对于大厚度样品,存在随风速先减小后增大的趋势。风速增大促进燃烧区内空气混合,使得热解区内平均热流随风速增大而增大,但其热流随厚度增大而减小。基于能量守恒与传热理论分析,建立了简化的热解区材料表面热交换模型,结合实验测量的数据计算得到了热解区内固相内部热损失,揭示了固相热损失随样品厚度增大而变得显著的规律。(2)研究了水平环境风和倾斜角度(0-90°)的耦合作用对热薄型PMMA顺流火蔓延行为的影响。研究结果显示,火蔓延速度FSR几乎与风速成线性增长,而倾角引起的浮力加速效应与环境风冷却效应之间存在竞争机制。对于水平火蔓延,单位面积质量损失速率MLR随着风速的增加先增加后趋于稳定。而当燃料倾斜时,MLR随风速的增大先减小后趋于稳定。基于此分析了预热区辐射热流占比和热解区域的热流分布规律。研究发现火焰长度与热解长度呈现线性关系,单位宽度热释放速率随着热解长度的呈现幂指数增长,进一步得到无量纲火焰长度与无量纲热释放速率的经验关系式。同时研究发现燃料表面上方火焰驻间距离随着热解长度先增加最后趋于稳定,通过无量纲化得出燃烧面前方的空间热流密度分布规律,最后基于Quintiere理论给出了顺流下不同倾斜角度的火蔓延速度预测模型。(3)研究了不同风速条件下侧向和水平顺流火蔓延行为(热厚型PMMA)和燃烧特性差异及机制,包括:火蔓延速度、热解长度、热解前锋和尾端倾斜角度、火焰边界层厚度、局部厚度等特征参数。结果表明,环境风作用下侧向顺流火蔓延过程包含转变阶段和稳定蔓延阶段,发现和表征了其与环境风作用下水平火蔓延的区别。环境风作用下水平稳定火蔓延速度随着风速接近线性增加,而侧向火蔓延稳定蔓延阶段火蔓延速度随风速近似不变。环境风速增加火焰对侧向材料传热的同时也增大了热量的损失,以至于大风速下会有局部熄灭的现象。基于实验测量数据的计算,分析了热解区域内热量传输特性,揭示了环境风对材料燃烧速率的作用机制。