临近壁面影响下热厚材料竖直火蔓延特性研究

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大量聚合物材料制成的透明厚型板材作为建筑装饰材料广泛应用于建筑领域,如落地窗、玻璃门、展柜等。由于这些热厚型装饰材料一般竖直置于受限空间内,当这些建筑装饰材料发生火灾时,容易受到其他物体壁面的干扰,形成贴壁燃烧,从而加速火蔓延的进程,进而形成难以控制的立体式火灾,火势猛烈,发烟量较大,并产生有毒有害气体,容易造成重大人员伤亡和财产损失。目前,对于临近壁面影响下热厚型材料竖直火蔓延的研究较少,开展临近壁面影响下热厚型材料竖直火蔓延特性研究,不仅可以丰富热厚型材料火蔓延特性理论,还可为进一步完善《建筑设计防火规范》提供理论依据和数据支撑。由于在真实火灾中,可燃物往往与周围物体存在平行距离,且可燃物壁面燃烧会受到其干扰。因此,选取市场上应用最广泛的厚型PMMA板为实验材料,通过自行设计的中小尺寸竖直火蔓延实验平台,开展临近壁面影响下厚型PMMA板壁面竖直向下、竖直向上火蔓延特性研究,并分析各火蔓延参数之间的联系,在此基础上,通过FDS数值模拟预测临近壁面影响下热厚材料竖直火蔓延特性。首先,研究在不同平行距离下对3 cm厚PMMA板壁面竖直向下火蔓延特性的影响。随着平行距离的增大,热解长度、火焰高度、火蔓延速率和质量损失速率的火蔓延参数数值均是先减小后增大,当平行距离为2cm时,各参数数值达最大值,当平行距离为10 cm时,各参数数值达到最小值。其中,热解长度与质量损失速率以及单位宽度的热释放速率与热解长度均呈幂律关系,且热释放速率随着热解长度的增大呈近似线性增加。其次,研究在不同平行距离下对3 cm厚PMMA板壁面竖直向上火蔓延特性的影响。随着平行距离的增大,火焰高度、质量损失速率、火蔓延速率的数值均呈现单调递减,当平行距离等于15 cm和无穷大时,其两种工况下轨迹基本保持一致。因此,当平行距离D≥15cm时,可认为平行距离对热厚PMMA壁面竖直向上火蔓延无影响。对各参数之间的关系进行分析,结果表明试样的质量损失速率与平行距离D呈现较好的幂次关系。通过理论分析预测火蔓延速率,并与实验得出的火蔓延速率进行对比,发现两者火蔓延速率随时间变化趋势大致相同,在不考虑热损失时,在某一时刻理论预测的火蔓延速率比实验得出的火蔓延速率数值偏大。最后,利用FDS软件对临近壁面影响下热厚材料竖直火蔓延特性进行数值模拟研究。模拟结果表明试样火蔓延数值模拟结果与实验结果大致相同。通过数值模拟预测实验中未测量的火蔓延温度场及试样表面温度、氧气浓度等参数,可以发现在竖直火蔓延过程中,试样表面温度最高达1200℃,试样周围氧气摩尔分数变化规律可以较好地反映出火蔓延速度的变化规律。
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