倾角对航空导线火蔓延行为及其极限氧浓度的影响研究

摘要

21世纪初，我国航空航天技术取得了突破性进展，为下一步发展航空航天技术，设计和制造有自有知识产权的航天产品，以及开展空间探索，开发和利用空间资源进而进行深空探索提供了重要的理论和技术支持。为了保障航空航天器的火灾安全，不仅要借鉴国外先进技术，而且要设定本国的标准和规范。因此需要大量的前期理论和实验数据，作为规范和标准的支撑。航空导线广泛存在于航空航天器的电路和电子器件之间，因过载，接触不良或者短路等都有可能引发火灾。因此开展航空导线在航天飞行器内可燃性安全测试以及火蔓延行为研究，具有重要的理论和实际意义。
　　前人已经对航空导线火蔓延的开展了较为广泛的研究，并且取得了很多重要研究进展。其中火蔓延速率研究较为常见，对于火焰形态、火焰温度、对流热通量、灭火极限氧浓度和极限氧指数的研究也都有涉及。经过仔细调研，发现前人研究主要考虑重力环境、交流电场、导线通电过载电压、环境气流、外部辐射加热以及氧气浓度等外界因素，线芯材质、直径，绝缘层材质、厚度等内部因素对火蔓延过程的影响机理。但是对于航空导线火蔓延的研究还存在以下两点不足:一方面是倾角对航空导线火蔓延特性的影响研究目前还处于空白状态，特别是考虑高热导率金属内芯的影响，这部分还有待研究;另一方面，受倾角影响的多参数耦合情况下的航空导线火蔓延规律研究不足，本文中考虑环境压力和氧气浓度两个因素。因此，笔者在调研的基础上，确立了本文的研究内容。
　　本文主要通过实验研究的方法来探究倾角对航空导线火蔓延行为及其极限氧浓度的影响，以及常重力和微重力情况下的极限氧浓度是否存在相关性以及它们之间的关联模型。主要包括火焰形态，火蔓延速率以及极限氧浓度三个方面的研究。通过视频拍摄，图像处理的方法获取火焰形态和火蔓延速率，通过数据采集软件实时监控氧浓度的变化获取极限氧浓度。
　　笔者首先在拉萨和合肥两地开展不同倾角条件下航空导线火蔓延行为实验研究。实验中选取了铜芯聚乙烯绝缘层导线(Cu-PE)，四种不同规格的导线:(0.30mm,0.15mm)、(0.50mm,0.15mm)、(0.80mm,0.15mm)、(0.80mm,0.30mm)（分别表示内芯直径和绝缘层厚度），导线倾角变化范围是(-90°～+90°)。研究中发现，铜芯导线的火蔓延速率随导线倾角的变化趋势（从-90°到75°）呈字母“U”的趋势，就是在水平情况下蔓延速率最小，在上蔓延和向下蔓延情况下，蔓延速率随着导线绝对倾角的增大而增大。进一步分析发现，火焰基部宽度Wf和热解区长度Lp可作为表征火蔓延速率随导线倾角变化规律的特征长度。提出了一个简化的包括Wf和Lp，内芯热导率以及火焰对流传热的热平衡分析模型，用于解释火蔓延速率的变化趋势，通过实验数据验证发现，模型能够很好地吻合实验结果。对于高热导率金属内芯导线，特别是在向下蔓延情况下，通过内芯传导的热量对导线火蔓延速率的变化起到了主要作用。
　　在步入式低压舱内开展了不同倾角导线火蔓延行为实验研究。实验中选取了内芯直径为0.80mm，绝缘层厚度0.15mm的铜芯聚乙烯绝缘层导线(Cu-PE)，导线倾角变化范围是(-75°～+75°)。研究发现，在向下火蔓延方式下，环境压力对火焰形态的影响较大，随着环境压力逐渐减小(100kPa-40kPa)，火焰尺寸会相应减小（火焰高度和火焰基部宽度），火焰轮廓更加圆滑;向上蔓延方式下，火焰基部宽度基部随环境压强增大而减小。不同倾角情况下，火蔓延速率随环境压力增大的趋势是不一样的。在向下蔓延方式下，随环境压强增大而增大;在向上蔓延方式下，角度较小时(0～45°)呈增大趋势，角度较大时(60°，75°)呈减小趋势。再次基于特征长度Wf和Lp的传热分析，发现实验值和计算值之间能够很好的吻合，说明在低压情况下，对于高热导率内芯导线，该模型仍然有其适用性。
　　在密闭的燃烧舱室内开展了常重力下不同倾角航空导线火蔓延极限氧浓度及其与微重力条件的对比与关联模型实验研究。实验中设置的风速变化范围是0～250mm/s。实验中选取了的镍铬合金聚乙烯绝缘层导线(NiCr-PE)，导线内芯直径0.5mm，绝缘层厚度0.15mm，导线倾角变化范围是(0°～+75°)。研究发现，对于给定的导线倾角（不包括水平放置情况，0°），极限氧浓度首先随着逆流风速增大而增加，然后有一个下降趋势，最后又随着风速增大而逐渐增大。极限氧浓度变化曲线上出现的第一个最高转折点与临界逆流风速相关，导致火蔓延模式由并行流转为相对流。临界逆流风速和浮力诱导风速在导线方向上的分量有很好的对应关系，浮力诱导流速在计算过程中考虑了火焰基部宽度这个特征长度Wf;常重力情况下的极限氧浓度通常比微重力情况下的相对较高，它们之间的差值随着逆流风速的增大而减小，在较高逆流风速情况下（大于100mm/s）几乎是线性递增;极限氧浓度差值随逆流风速的变化率（线性拟合斜率）与重力加速度在导线方向上的分量（gsinθ）有很好的相关性。最终推导出了一个将常重力情况下的极限氧浓度计算拓展到微重力情况下的经验公式（本研究中主要考虑实验测量范围内的导线倾角和逆流风速）。

目录

声明

摘要

图例及表格目录

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 研究现状

1．2．1 国内外航空绝缘导线火蔓延研究回顾

1．2．2 研究现状小结

1．3 研究目标与内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．4 章节安排

第2章 实验设计

2．1 引言

2．2 火蔓延实验装置和实验材料

2．2．1 实验装置

2．2．2 实验材料

2．3 测量控制系统与数据处理方法

2．3．1 测量控制系统

2．3．2 数据处理方法

2．4 本章小结

第3章 不同倾角条件下航空导线火蔓延行为

3．1 引言

3．2 实验设计

3．3 结果讨论与分析

3．3．1 火焰形态特征

3．3．2 蔓延速率及与其他固体可燃物蔓延速率的对比分析

3．3．3 特征长度Wf和Lp

3．3．4 考虑内芯导热效应的简化传热理论分析模型

3．4 本章小结

第4章 低压环境对不同倾角导线火蔓延行为的影响研究

4．1 引言

4．2 实验设计

4．3 结果讨论与分析

4．3．1 火焰形态特征

4．3．2 火蔓延速率

4．3．3 基于特征长度Wf和Lp的传热分析

4．4 本章小结

第5章 常重力下不同倾角航空导线火蔓延极限氧浓度及其微重力差异和关联模型研究

5．1 引言

5．2 实验设计

5．3 结果讨论与分析

5．3．1 火焰形态特征

5．3．2 极限氧浓度随逆流风速的变化

5．3．3 常重力不同倾角条件下和微重力情况下极限氧浓度的量化对比及关联模型

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 本文主要工作及结论

6．2 论文的创新点

6．3 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文