小尺寸PMMA火焰传热阻碍效应实验研究

摘要

传热阻碍现象是火灾燃烧过程中普遍存在且十分重要的基本物理现象。固体可燃物在燃烧过程中，一旦存在外部辐射（如周边的火焰），则该外部辐射会穿过火焰并向材料表面传递，而材料表面附近的炭黑以及未燃热解气体挥发分、燃烧产物的混合介质层等，会对外部辐射产生吸收和散射作用，使得实际到达材料表面的辐射热通量大大减少。在外部辐射热源的条件下，材料的热解加速，材料表面的质量通量增大，进一步加剧了这种效应。这种现象即为“火焰传热阻碍”。
　　以往的研究主要集中在对现象的观察及热解过程中的传热阻碍，而对于燃烧过程中的传热阻碍效应却研究甚少。本文利用锥形量热仪开展了小尺寸PMMA的燃烧与热解实验，分析了材料厚度、方位以及外加辐射强度对反应过程的影响;在实验室模拟了外部辐射作用下的水平燃烧与竖直燃烧实验，系统研究了燃料表面的热量输运机理。
　　本文使用锥形量热仪研究了样品厚度对小尺寸PMMA竖直燃烧过程的影响，随着样品厚度的减小，稳态燃烧阶段时长逐渐缩短，而稳态燃烧阶段的质量损失速率基本不变。在改装的锥形量热仪上开展了惰性气体氛围下的PMMA热解实验，系统研究了外加辐射与样品方位对PMMA热解过程的影响。对水平、竖直放置的PMMA的稳态热解阶段，质量损失速率随外加辐射热通量线性增大;热解气体对外加辐射的吸收比例分别为4.9％与0.2‰且该比例不随外加辐射改变。考虑了热解气体诱发外加辐射衰减，计算得到PMMA材料的气化热为1.51kJ·g-1。
　　对外加辐射作用下的水平PMMA燃烧过程，质量损失速率与外加辐射热通量存在较好的线性关系。火焰的高度正比于质量损失速率的2/3次方的关系。火焰形状为类圆锥，其偏离正圆锥的程度（ψ）是常数，且不随外加辐射热通量改变。当燃料的边长（或直径）一定时，类圆锥与正圆锥的体积比正比于ψ。对于水平燃烧的PMMA，在样品表面中心处辐射阻碍分数最大，在样品边缘处最小。随着外加辐射热通量的增强，平均辐射阻碍分数逐渐增大并趋于稳定。当外部辐射增强，火焰对样品表面的对流传热减弱，可能是由于样品表面与上方蒸气层之间的温度梯度减小导致。通过FDS模拟水平PMMA燃烧，随着外部辐射热通量的增大，火焰辐射不断增强;当外加辐射热通量增大到一定程度后，火焰辐射的增量与外加辐射热通量之间呈现线性关系。
　　对于外加辐射作用下的竖直PMMA燃烧过程，质量损失速率与外加辐射热通量也存在较好的线性关系，传热阻碍分数不随外加辐射热通量改变。辐射阻碍分数在样品底部最低，随着高度的上升而增大。火焰厚度在辐射阻碍分数的分布中起到决定性作用。计算得到的平均辐射阻碍分数随着外部辐射的增强而增大，最终趋于一个稳定值。火焰介质与样品表面之间的对流传热随着外加辐射的增大而增强。通过FDS模拟竖直PMMA燃烧过程，随着外部辐射的增强，火焰辐射不断增大;当外加辐射增大到一定程度后，火焰辐射将维持不变。

目录

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摘要

图例目录

表目录

第1章 绪论

1．1 传热阻碍现象

1．2 研究背景及意义

1．3 研究现状

1．3．1 前期研究

1．3．2 后期研究

1．3．3 研究现状小结

1．4 前人研究的不足

1．5 研究目标与内容

第2章 传热阻碍效应的基本理论

2．1 引言

2．2 热解过程中的传热阻碍效应

2．2．1 炭化可燃物与非炭化可燃物

2．2．2 “热厚型”与“热薄型”

2．2．3 热解气体的辐射衰减效应

2．3 燃烧过程中的传热阻碍效应

2．3．1 传统的固体材料燃烧模型

2．3．2 固体可燃物一维准稳态燃烧过程

2．3．3 火焰传热阻碍效应

2．4 本章小结

第3章 实验仪器以及数据处理方法

3．1 实验仪器与装置

3．1．1 锥形量热仪

3．1．2 独立辐射热源系统

3．1．3 滑移平台

3．1．4 电子天平

3．1．5 数码摄像机

3．1．6 辐射热流计

3．1．7 数据采集器

3．1．8 样品槽

3．2 数据处理方法

3．2．1 重复性论证

3．2．2 准稳态燃烧阶段的确定

3．2．3 火焰几何参数

3．3 本章小结

第4章 材料特性对热解反应过程的影响

4．1 引言

4．2 样品材料

4．2．1 实验设计

4．2．2 样品材料的选择

4．2．3 材料厚度对研究的影响

4．3 小尺寸PMMA热解实验研究

4．3．1 前人工作的不足

4．3．2 PMMA热解实验设计

4．3．3 PMMA气化热

4．4 本章小结

第5章 PMMA水平燃烧的传热阻碍效应研究

5．1 引言

5．2 实验装置以及实验步骤

5．2．1 实验装置

5．2．2 实验步骤

5．2．3 实验工况

5．3 实验研究及理论分析

5．3．1 热源稳定性的判定

5．3．2 质量损失速率

5．3．3 火焰高度

5．3．4 辐射反馈

5．3．5 传热阻碍效应

5．3．6 FDS模拟外加辐射作用下的火焰辐射

5．4 本章小结

第6章 PMMA垂直墙壁火传热阻碍效应研究

6．1 引言

6．2 实验装置以及实验步骤

6．2．1 实验装置

6．2．2 实验步骤

6．2．3 实验工况

6．3 实验结果及讨论

6．3．1 热源稳定性的判定

6．3．2 质量损失速率

6．3．3 火焰形态

6．3．4 一维燃烧假设

6．3．5 辐射反馈

6．3．6 传热阻碍效应

6．3．7 FDS模拟外加辐射作用下的火焰辐射

6．4 本章小结

第7章 结论及展望

7．1 主要结论

7．2 本文创新点

7．3 后续研究的展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他科研成果