开放边界条件下PMMA三维向下火蔓延规律研究

摘要

固体可燃物火蔓延是建筑火灾的重要阶段，为此国内外学者开展了大量相关的实验和理论研究。固体可燃物火蔓延过程非常复杂，涉及到气固相传热传质以及化学反应，因此深入认识固体可燃物燃烧特性和火焰传播机理是火灾研究领域的重要内容，对火灾风险评估和应急救援决策具有重要意义。虽然固体火蔓延过程受固体可燃物自身条件以及外部因素的影响，但是之前研究表明火蔓延速率和燃烧速率均是由火焰向固体可燃物的传热速率决定的。固体可燃物燃烧所产生的热量一部分以辐射和对流的形式传递到固体可燃物表面，另一部分则散失到周围环境中。燃烧区固体可燃物接收热量之后发生热解反应并释放热解可燃气，从而在固体表面形成稳定的扩散火焰，未燃区固体可燃物接收到火焰的热量之后表面表面温度持续升高，直至固体可燃物温度达到热解温度使火焰在可燃物表面持续蔓延下去。
　　固体可燃物逆流火蔓延是固体火蔓延的一种重要形式，因为其过程较为稳定且易于控制，所以目前固体火蔓延机理和数值模型研究主要集中在逆流火蔓延方面。为了简化火蔓延过程，已有的固体可燃物逆流火蔓延实验和理论研究大多是在无限宽的假设下开展的。然而，现实火灾场景中大部分固体可燃物是没有限制的、边界是开放的。因此，研究开放边界条件下的固体可燃物三维火蔓延具有重要意义。
　　本文开展了不同尺寸的聚甲基丙酸乙酯板(PMMA)的三维向下火蔓延实验，探究了样件尺寸和环境压力对三维向下火蔓延速度的影响规律，并且分别从整体能量平衡和预热区能量平衡的角度分别提出了三维向下火蔓延理论模型。在详细了解了单一平板三维向下火蔓延规律和机理的基础上，本文还开展了不同环境压力下PMMA平行双板三维向下火蔓延实验和理论研究，探究不同环境压力下火源间距对三维向下火蔓延速度，热解前锋角度和火焰高度的影响机制。具体内容概括如下:
　　开展了样品宽度和厚度对PMMA板三维向下火蔓延影响的实验和理论研究。研究发现，三维向下火蔓延速度随着样品宽度的增加而增加，最终趋于不变，火蔓延速度随样品厚度的变化趋势则与经典的固体可燃物逆流火蔓延理论一致。通过分析稳定阶段PMMA的特征建立了三维向下火蔓延固相模型，该模型主要通过三个特征角度描述。基于所建立的固相模型和整体能量平衡分析，进一步推导得到了稳定阶段向下火蔓延速度和失重速率的预测公式，并且与实验结果进行了对比。除此以外，本文也对稳定阶段平均火焰高度和失重速率之间的关系进行了分析和讨论。
　　开展了高原低压环境对PMMA板三维向下火蔓延影响的实验和理论研究。在合肥、西宁、格尔木、拉萨和羊八井五个不同海拔的城市开展了实地实验。研究发现环境压力对热解前锋角度的影响随样品厚度的改变而不同，对于热薄型固体可燃物，热解前锋角度不随环境压力改变，然而随着PMMA厚度的增加，热解前锋角度随环境压力的变化越来越显著。基于常压下的火蔓延结果以及环境压力对热解区和预热区传热的影响，得到了不同环境压力下三维向下火蔓延速度的预测模型。通过对三维向下火蔓延速度预测公式进行简化分析，提出了归一化的热解前锋角度和归一化的火焰高度与归一化的环境压力之间的关系，并且通过实验结果进行验证。
　　开展了热薄型PMMA单一平板和平行双板三维向下火蔓延机理研究。在三个不同海拔高度的城市开展了2mm厚的PMMA单一平板和平行双板三维向下火蔓延实验。研究发现，三维向下火蔓延速度是由边缘处固体可燃物的点燃速率决定的。基于边缘处预热区的控制体以及能量平衡分析，得到了三维向下火蔓延速度的理论值。与二维表面火蔓延不同，热薄型固体可燃物三维向下火蔓延速度随环境压力的降低而减小，通过分析发现低压环境降低三维向下火蔓延速度的主要原因是由于其增加了热扩散尺度和辐射热损失。为了进一步验证三维向下火蔓延模型的准确性，将三维向下火蔓延模型应用到双火源向下火蔓延中，同时耦合其它火源和热解面的对控制体的辐射，得到了不同平板间距下平行双板三维向下火蔓延速度的理论值。此外，根据扩散火焰理论，得到了稳定阶段平均火焰高度与火蔓延速度之间的关系，分析了平行双板情况下火源间距对扩散火焰高度影响的规律和机制。

目录

声明

摘要

符号表

图目录

表目录

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 实验研究

1．2．2 理论模型研究

1．3 研究不足及存在问题

1．4 研究目标和主要内容

1．5 章节安排

参考文献

第二章 固体可燃物扩散燃烧及逆流火蔓延理论

2．1 引言

2．2 边界层扩散燃烧理论

2．3 固体可燃物逆流火蔓延理论

2．4 本章小结

参考文献

第三章 开放边界条件下PMMA板三维向下火蔓延实验及模型预测

3．1 引言

3．2 实验材料及装置

3．3 实验结果

3．3．1 特征角度及固相模型

3．3．2 质量损失速率

3．3．3 火蔓延速度

3．3．4 火焰高度

3．4 三维向下火蔓延速度预测模型

3．4．1 建立预测模型

3．4．2 火蔓延速度预测结果和实验结果对比

3．4．3 失重速率预测结果和实验结果对比

3．5 本章小结

参考文献

第四章 环境压力对PMMA三维向下火蔓延影响研究

4．1 引言

4．2 实验装置

4．3 环境压力对失重速率的影响

4．4 环境压力对三维向下火蔓延速度的影响

4．4．1 环境压力对预热区和燃烧区传热的影响

4．4．2 火蔓延速度实验和模型结果对比

4．4．3 火蔓延速度与环境压力的关系

4．5 环境压力对特征角度的影响

4．5．1 特征角度实验结果

4．5．2 热解前锋角度预测

4．6 环境压力对平均火焰高度的影响

4．6．1 火焰高度实验结果

4．6．2 火焰高度预测

4．7 本章小结

参考文献

第五章 热薄型PMMA三维向下火蔓延机理研究

5．1 引言

5．2 实验装置

5．3 不同位置处向下火蔓延速度

5．4 热薄型PMMA三维向下火蔓延

5．4．1 单一平板三维向下火蔓延研究

5．4．2 平行双板三维向下火蔓延研究

5．5 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6．1 本文的主要内容和结论

6．2 本文的主要创新点

6．3 进一步工作展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果