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典型木材表面火蔓延行为及传热机理研究

陈鹏  
【摘要】:固体可燃物表面火蔓延是森林火灾、建筑火灾以及工业火灾中普遍存在的燃烧现象,是火灾科学研究的一个基础问题。固体可燃物火蔓延是固相热解及气相燃烧化学反应相耦合的过程,这使得控制火蔓延行为的传热与传质过程复杂,造成了固体可燃物表面火蔓延过程的诸多方面还没有被完全认识,因而一直是火灾基础研究的热点。 本文选用典型碳化固体可燃物木材(泡桐)为研究对象,通过实验和理论分析对木材表面火蔓延行为、火焰精细结构及火焰附近的流场特征进行了全面系统的研究。 可燃物热解过程为引发可燃物着火以及随后的火蔓延过程提供必要的燃料,对火蔓延过程是否发生、维持均起着关键作用,同时,固体可燃物热解产物的化学组成对建立科学的火蔓延模型是十分必要的。本文使用热分析仪研究了空气氛围与氮气氛围中泡桐热分解过程,求出了泡桐热解动力学参数,并分析了不同升温速率对热解过程的影响,进而采用气相色谱-质谱联用仪对泡桐木在130℃、300℃和550℃热解温度下的热解气体组成进行了研究,并分析了不同热解温度对生成热解气体成分的影响规律。 研究了试样厚度、宽度以及试样放置角度、环境温度、外加流场等因素对泡桐表面火蔓延行为的影响,得到了不同实验条件下火蔓延速度、火焰高度、火焰颜色以及火焰温度等表征可燃物火蔓延行为的特性参数,分析了火蔓延速度、火焰突变与表征火蔓延行为的特征参数之间的内在联系规律。 用纹影仪研究了火焰周围流场的整体形态,并用微距镜头观察了试样表面火焰前端流场的结构与变化,提出了表征纹影流场特征的两个参数ω与L_p,分析了试样在不同厚度条件下与表面火焰熄灭过程中这两个参数的变化规律。用粒子示踪技术定量测定了试样表面的流场特征,提出了适合本研究DPIV速度场重建的方法,揭示了火蔓延过程中及火焰发生突变时试样表面的流场特征。 用微细热电偶组对火焰前端气相中温度场和试样表面的温度变化进行了实验测量,根据试验结果分析了可碳化热厚固体可燃物火蔓延行为差异的主要原因。研究了试样表面火焰前端的温度场和热解前锋位置的传热模式,并对试样内


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