（安全技术及工程专业论文）聚氨酯泡沫材料的阴燃及其向有焰火转化过程的研究.pdf

中国科学技术大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t s m o l d e r i n g c o m b u s t i o ni sd e f i n e da sa s e l f - s u s t a i n i n g ，p r o p a g a t i n g ， h e t e r o g e n e o u sa n dn o n t i m i n gr e a c t i o ni n t h ep o r o u sc o m b u s t i b l em a t e r i a l s t h e s m o l d e rw i l lb ei g n i t e dw h e ne x p o s e dt oe x t e r i o rh e a ts o u r c e t h e nt h eh e a ti s p r o d u c e db y t h ee x o t h e r m i co x i d a t i o nw h i c ho c c u r sb e t w e e nm a t e r i a l sa n d o x y g e n t o s u s t a i nt h es m o l d e r i n gp r o p a g a t i o n u n d e rs o m ec e r t a i nc o n d i t i o n s ，i tc a nl e a dt ot h e i n i t i a t i o no fa f l a m i n gf i r et h r o u g h t h et r a n s i t i o nf r o ms m o l d e r i n g o n c et h et r a n s i t i o n o c c u r st h ef l a m i n ge n g u l f st h ew h o l em a t e r i a l sq u i c k l y i nt h i s p a p e r ，a s e r i e so f e x p e r i m e n t a ls t u d y o n s m o l d e r i n g c o m b u s t i o no fp o l y u r e t h a n ef o a mh a sb e e n c o n d u c t e d t h er e s e a r c hc o v e r st h e i n v e s t i g a t i o n o f s m o l d e r i n gi g n i t i o n o f p o l y u r e t h a n ef o a m ，s m o l d e r i n gp r o p a g a t i o nu n d e r n a t u r a lc o n v e c t i o n ，f o r c e df o r w a r d a n d o p p o s e ds m o l d e r i n gp r o p a g a t i o na n d t h et r a n s i t i o nf r o ms m o l d e r i n gt of l a m i n go f p o l y u r e t h a n e f o a m t h e e x p e r i m e n t a ls t u d y o ns m o l d e r i n gi g n i t i o no f p o l y u r e t h a n ef o a m w a sc a r r i e d o u tt od e t e r m i n et h ee f f e c to fe x t e m a lh e a tf l u xa n dt h e e x p o s u r et i m e o nt h e s u c c e s s f u li g n i t i o no f s m o l d e r i n gc o m b u s t i o n i ti s o b s e r v e dt h a tt h es e l f - s u s t a i n e d s m o l d e rc o u l do n l yo c c u ri na ne x t e r n a lh e a tf l u xb e t w e e n 1 6 k w m 2a n d 6 8 k w m 2 t h ed i g g e rh e a tf l u x ，t h es h o r t e re x p o s e dt i m ew a sn e e d e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wam i n i m u md e p t ho fs m o l d e r i n gp r o p a g a t i o n ( c h a r ) w a sr e q u i r e df o r s u c c e s s f u li g n i t i o nt oo c c u r , w h i c hw a sn e e d e dt op r o v i d eh e a tt ov i r g i nm a t e r i a l sa n d t or e d u c eh e a tl o s s e sf r o mt h er e a c t i o nz o n e t h ed e p t ho ft h ec h a ri sf o u n dt ob e a p p r o x i m a t e l ye q u a l t o4 2 c mf r o mt h ee x p e r i m e n t s t h i sc r i t i c a ld e p t ho fc h a ri sa l s o f o u n di nt h ei g n i t i o nm o d e lt h a th a sb e e nd e v e l o p e di nt h i sp a p e r i ti ss h o w nt h a t 也eh o r i z o n t a ls m o l d e ro nn a t u r a lc o n v e c t i o ni s a s t e a d y s m o l d e r i n gp r o p a g a t i o n a n dt h es p r e a dr a t er e m a i n sa p p r o x i m a t e l yc o n s t a n t a n ds oi s t h ef o r c e df l o wo p p o s e ds m o l d e r t h ef o r c e df o r w a r ds m o l d e rs e e m st m s t e a d ya l o n g t h em a t e r i a l s i n c r e a s i n gt h ea i r f l o wv e l o c i t yr e s u l t st h es m o l d e r i n gv e l o c i t yi n c r e a s e s a t f i r s t ，b u t d e c r e a s ea st h e a i r v e l o c i t y i n c r e a s e s c o n t i n u a l l y as m o l d e r i n g v ! 里型兰垫查奎兰堡主兰堡丝兰 塑至 p r o p a g a t i o n m o d e l u s i n gi n t e g r a t i o nm e t h o d i sd e v e l o p e dt od e t e r m i n et h es m o l d e r i n g v e l o c i t yo ft h ep r o p a g a t i o n t h em o d e ld e s c r i b e st h ee x p e r i m e n t sw e l l o nn a t u r a l c o n v e c t i o n ，a n df o r c e df l o w ( b o t hf o r w a r da n do p p o s e d ) f o r t h el o wa i r f l o wv e l o c i t y f o rt h eh i g ha i r f l o wv e l o c i t y , am o d i f i e dm o d e lc a l lb eu s e db ye m p l o y i n ge f f e c t i v e o x y g e n f l u xa l o n gt h em a t e r i a l s t h et r a n s i t i o nf r o mt h es m o l d e r i n gt of l a m i n gw i l l o c c u rw h e nt e m p e r a t u r e ， o x y g e na n dc o m b u s t i b l eg a sa r ef u l f i l l e d t h ez o n e l o c a t e da f t e rt h es m o l d e r i n gw a v e i st h er e g i o nw h e r et r a n s i t i o nt of l a m i n go c e u lt h i sr e g i o ni sw i t hh i g ht e m p e r a t u r e a n dt h ec o m b u s t i b l eg a s e sp r o d u c e db yp y r o l y s i sc a ne n c o u n t e rt h eo x y g e nf r o m t h e o u t s i d ei nt h i sr e g i o n t h eo x y g e nf l u xe n t e r i n gt h em a t e r i a l si st h ek e y f a c t o ro ft h e o c c u r r e n c eo ft r a n s i t i o n f r o mt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h ec r i t i c a lv e l o c i t yw h i c h l e a d s t ot r a n s i t i o ni s 砣0 m m sf u rs m o l d e r i n gp o l y u r e t h a n ef o a m v i 中国科学技术大学硕士学位论文 致谢 致谢 感谢我的导师周建军教授，谢谢他的悉心教诲和指导。 感谢邹样辉博士和路长博士，和他们在一起工作和交流让我受益匪浅。 感谢学习和生活了七年的中国科学技术大学和火灾科学实验室。 感谢那些难忘的日子和窗外的鹅掌楸。 本论文受国家重点基础研究项目火灾动力学绽化与防治基础( 编号2 0 0 1 c b 4 0 9 6 0 0 ) 资助 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 阴燃是一种多孔介质可燃物自维持、不断传播、异向反应、无火焰的放热燃 烧过程。这种燃烧方式广泛存在各种环境中，如香烟的燃烧，森林地下火、地下 煤矿的燃烧等。同时它也广泛存在于各种火灾的前期过程中，已经成为城市建筑 火灾中极重要的诱发因素。据统计，在美国的城市火灾统计中【1 】，由阴燃引发 的火灾数量居首位。疏松的多孔介质材料在受到加热时，很容易被点燃发生阴燃。 阴燃通过反应区放热，将能量不断传给未反应区，从而使得燃烧得以传播。阴燃 本身燃烧温度较低，反应速度缓慢，难以被探测。然而阴燃过程会释放出大量有 毒烟气，造成人员伤亡，而且在一定条件下阴燃还会向有焰火转化，从而形成更 大的火灾事故 2 】。 阴燃的反应机理、多孔介质内的气体的流动、能量和各组分的产生和传递都 很复杂。但相对来说阴燃的化学反应不是那么剧烈、传播速度也较慢。按照阴燃 传播方向和空气来流方向的不同，阴燃分为正向阴燃和逆向阴燃，正向和逆向阴 燃的示意图如图1 1 所示，阴燃传播方向与气流方向一致的是正向阴燃，反之 则是逆向阴燃。 逆向阴燃加热器正向明燃 气流 图1 1 正向阴燃与逆向阴燃示意图 气流 中因科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 聚氨酯泡沫材料( p o l y u r e t h a n ef o a m ) ，俗称海绵，由于其良好的柔软性、加 工性、隔热性，以及重量轻，成本低等特点，在建筑居室的装潢中用途广泛，如 沙发、座垫、席梦思等都大量使用聚氨酯材料。这种材料在受到加热时包括 电热器辐射或接触、与未熄灭烟头木炭接触等方式，很容易发生阴燃。这类高聚 物材料在阴燃时产生比有焰火燃烧更大量的毒气，十分有害；而且极易转变成有 焰火，从而引发大的火灾。因此，研究聚氨酯泡沫材料的阴燃过程，以及其向有 焰火转化的机理对于火灾安全来说，意义重大。 1 2 研究状况 最早对阴燃的研究可追溯到c o h e n ，l 和l u f l 【3 对煤粉和锯末的对比实验研 究。早期对阴燃关注的研究者主要以实验研究为主，考虑阴燃在什么条件下发生， 阴燃的传播速度，阴燃区的温度以及风速的作用等 4 】 5 】，【6 】。随着阴燃研究的深 入，研究者开始研究阴燃反应的化学机理，求解阴燃反应区域的温度、氧浓度分 布，并逐步建立各条件下的阴燃模型【7 1 8 】。 对于阴燃反应区的复杂反应，o h l e m i l l e r 9 采用一个四部的反应模型来描述： ( 1 ) 、材料的吸热热解反应； ( 2 ) 、材料的氧化热解放热反应； ( 3 ) 、残炭的氧化放热反应： ( 4 ) 、热解可燃气体与氧气反应，放出热量。 对稳定阴燃传播过程的研究中，常常不考虑第( 4 ) 步的气相反应。 d o s a n j h 和p a g n i 1 0 ，1 1 】研究了逆向和正向阴燃并建立了阴燃传播的模型，对 于逆向阴燃，采用一个材料与氧气反应的单步反应，然后通过对反应区质量和能 量方程的分析得到阴燃的传播速度。正向阴燃则是同时考虑了材料的吸热热解和 与氧气的放热反应。b u c k m a s t e r 1 2 将氧化反应当作在一个很薄的层上处理，通 过对该层上能量平衡的分析，建立阴燃传播的模型。t o r e r o 1 3 ，1 4 对聚氨酯泡沫 塑料竖直方向的阴燃过程进行了实验研究并与模型相比教，着重考虑了浮力对阴 燃的影响。s c h u l t 15 ，1 6 采用大活化能渐进的方法，对阴燃过程中材料内部的温 度和反应结果进行分析。石英 1 7 和郭晓平【1 8 】也采用了大活化能的方法，建立 2 中窝科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 阴燃逆向过程的模型。文献【1 9 ，【2 0 】， 2 1 ，2 2 还建立阴燃反应的数值模型，x , ：t n 燃 过程进行了数值模拟。 长期以来，对阴燃的研究大都集中在了解阴燃的机理，以及研究稳定条件下 的阴燃传播过程。对于阴燃的点燃过程，a n d e r s o n e ta l ， 2 3 】、o r t i z - m o l i n ae ta 1 2 4 、k i t a n oa n d n a g a n o 2 5 、w a l t h e r a n df e r n a n d e z p e l l o 2 6 等人都进行了研究。 在加热过程中所形成的炭层具有的一定厚度是保证点燃成功的主要指标 2 3 ，2 4 ，2 5 】。通过实验可以得到点燃所需的最小热流量和加热时间。当外界热流 量超过某个上限时，在前端反应的后面由于炭的热解形成个凹洞，使温度出现 下降，导致不能点燃。文献 2 3 还给出了阴燃能自维持传播，加热需达到的一个 临界温度值5 7 5 k 。文献【1 5 和 2 7 采用大活化能渐进的方法研究逆向阴燃的熄 灭。 对于阴燃在一定条件下转化为有焰火这一过程，在实验中不断被发现和观测 到。o r t i z m o l i n a 2 4 发现在很氧高浓度时聚氨酯材料阴燃会向有焰火发生转化。 c h c n 等【2 8 】进行纤维质的水平阴燃研究时，当表面风速达到3 m s 时就会转化为 有焰火。o h l e m i l l e r 2 9 在研究纤维质的水平阴燃时，发现逆向阴燃对风速的响应 很小，即使达到5 n g s 也没有转化为有焰火；而在正向阴燃中风速为2 m s 就会 转化为有焰火。t s ee ta l 。 3 0 】得到聚氨酯材料垂直阴燃过程中向有焰火转化的实 现风速在0 2 5 2 0 m s 之间。c 。y h c h a oe ta 1 3 1 】研究了聚氨酯材料在自然对流 条件下，水平阴燃向有焰火发生转化的情形。孙文策等【3 2 在纤维质的阴燃实验 中通过加大风速都观测到了有焰火的产生。 1 3 小结与本文的安排 通过对阴燃研究状况的分析，我们看到，国内外学者对阴燃的研究主要集中 在研究稳定阴燃传播的过程，探索阴燃发展传播的机理。稳定的阴燃过程虽然得 到了广泛的关注，但是阴燃过程中还有其他很多关键的问题需要迸一步的研究和 认识。如阴燃的点燃过程和阴燃向有焰火转化发展过程，而这些过程又都和阴燃 的稳定传播过程息息相关的。 本文的研究中，我们选用的实验材料为聚氨酯泡沫材料，对其点燃过程、自 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 然对流条件下的阴燃过程、强迫对流条件下逆向和正向阴燃过程，以及阴燃向有 焰火转化的过程进行实验研究。 首先通过对聚氨酯材料的点燃实验的分析研究，调查在去除外加热源以后阴 燃能够自维持传播所需要的条件，从而建立聚氨酯材料的点燃模型。研究自然对 流条件下，材料阴燃的规律和特点，建构自然对流阴燃传播的模型。从自然对流 条件下的阴燃出发，研究受迫气流条件下的阴燃过程，调查氧气的输运对阴燃传 播的影响。而阴燃转化为有焰火，需要氧气、可燃气体和温度三个条件都满足， 通过实验研究调查阴燃向有焰火转化所需要的条件。 根据以上所叙述，本文安排如下： 第一章为序论，介绍研究背景、研究状况、研究思路和安排。 第二章是聚氨酯材料的阴燃点燃过程分析，研究实现阴燃自维持传播的临界 条件，建立点燃过程的模型。 第三章是聚氨酯泡沫材料自然条件下的阴燃过程研究，实验研究并分析其结 果，然后建立该条件下的阴燃模型，并与实验进行比对。 第四章是材料在受迫气流条件下的阴燃过程，通过受迫气流研究氧气供给对 阴燃过程的影响，并建立受迫条件下的阴燃模型。 第五章为阴燃转化为有焰火的研究，研究聚氨酯材料阴燃过程中出现气相反 应的条件；调查温度条件，热解可燃气和氧气供给条件对阴燃向有焰火转化的影 响。 中屠科学技术大学硕士学位论文第二章阴燃点燃过程 第二章聚氨酯泡沫材料的阴燃点燃过程 2 1 阴燃点燃过程简介 多孔疏松的可燃物材料如果受到外热源的持续加热，材料的温度不断上升， 当达到一定的温度时，材料与氧气发生异相反应并释放出热量，材料的阴燃燃烧 反应建立。在加热了一段时间之后将加热源移除，如果这时候材料氧化反应区 放出的热量大于向未反应区材料的传热量与向外界的散热量，使得靠材料自身的 氧化放热就能维持燃烧过程。这一过程就是阴燃的点燃过程。阴燃材料能否被点 燃，直接取决于加热过程的热流条件下和加热时间。 本章通过对聚氨酯泡沫材料进行的一系列加热实验，研究在各种热流条件下 和不同加热时间下阴燃燃烧的点燃过程。同时通过对实验数据的分析，建立聚氨 酯泡沫材料的点燃过程模型。 2 2 聚氨酯泡沫材料的升温过程 在对聚氨酯泡沫材料进 1 0 0 9 0 行点燃实验前，我们先来分 。 析其受热升温的过程。c h a o 7 0 翥6 0 等【3 1 ，和w a l t h e r 等 3 3 】对 暮5 0 聚氨酯泡沫材料进行了热重 ；4 0 3 0 分析研究，结果显示聚氨酯2 0 材料中的水分和挥发份逸出 1 0 0 在低于1 0 0 0 c 时发生，温度 达到约2 0 0o c 时材料开始 7 r m o 【l a l y s ko f f r i = 训n f r p l ah e z t i n gr a f co f l 0 c m m i na ir t e m p e 哺l u r e f 。c ) 发生热解，温度在3 0 00 c 左 图2 - 1 c h a o 等1 3 1 对聚氨酯的t g a 实验曲线 右时发生更加快速的热解反应。图2 一l 是c h a o 等人的对聚氨酯材料进行t g a 实验的测量结果。 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章阴燃点燃过程 路长等 3 4 】对聚氨酯材料的受热升温过程进行了实验研究，通过无反应条件 下材料受热升温的模型，与热电偶记录下的材料温升曲线的对比分析，得到了如 图2 2 所示的曲线。 i o 6 兰o 5 糕 盛0 4 骡 0 _ 3 0 2 o 1 0 0b ul u d1 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 ( c ) i 暇( o c ) 图2 - 2 路长等得到聚氨酯材料无反应升温模型的温度导数与实验温度导数 的对比图，加热热流为2 k w m 2 从图2 2 可以看到材料在受热升温过程中的规律，在低于1 0 0 0 c 时，实 验温度导数小于无反应模拟温度导数，这表明是水分蒸发和易挥发成分逸出的吸 热所造成。在1 0 0 0 c 到约1 8 0 。c 之间实验导数曲线和模拟导数曲线吻合得非 常好，表明在此温度范围内材料没有发生反应，只是简单的受热升温过程。在约 1 8 0 0 c 时，实验温度导数开始小于无反应模拟综合温度导数，表明到达此温度后， 吸热热解开始发生。随后在约2 8 0 0 c 时两条导数曲线重新相交，这是因为氧化 反应放出的热量大于开始吸热的热解反应。在大约3 0 0 0 c 时，材料的氧化放热反 应开始很剧烈。 2 3 聚氨酯泡沫材料的阴燃点燃过程实验 2 3 1 实验装置 实验装置如图2 3 所示。装置外壳为o 8 e m 厚的钢板，腔体内壁为3 c m 厚 的硅酸铝纤维板( a l u m i n u ms i l i c a t e ) 作为隔热材料。内腔体的尺寸为 15 c m 4 1 6 c m + 3 5 c m 。实验材料使用聚氨酯泡沫塑料( , p o l y u r e t h a n ef o a m ) ，孔隙度为 6 中国科学技术大学硕士学位论文第二章阴燃点燃过程 o 9 7 5 ，密度为2 6 5 k g m 3 。实验装置前后 盖为锥形结构，可以拆卸。加热器安装 在装置的一端，为一排用陶瓷包起来的 电阻丝做成的加热棒，在一侧对实验材 料进行均匀加热实现点燃。加热棒可以 通过调节电压来改变功率。材料阴燃过 程中的温度通过一组安放在材料中心线 上直径为l m m 的热电偶进行测量。热电 偶的测量数据通过采样频率为5 0 k h z 的 多通道高速数据采集器进行采集并记录 到计算机中。该实验装置可以进行水平 放置，也可以竖直放置进行阴燃实验。 图2 - 3 实验装置实物圈 本实验的示意图如图2 4 所示。实验装置竖直放置，上端开口，下端采用 隔热材料保护并均匀开口通风。聚氨酯材料的尺寸为1 4 5 1 6 2 2 c m 。相邻两 根热电偶之间的距离为3 c m ，第一根热电偶放置在材料底端，但不接触加热器。 加热器的工作电压可以在0 2 5 0 v 之问调节。在实验中，加热一段时问后，可以 将加热棒从实验装置中移除，从而让实验材料在不再受到加热棒影响的条件下自 燃反应，观察其能否维持阴燃，从而确定实验材料阴燃的点燃过程。 隔热材 阴燃材 气流 f 图2 。4 阴燃点燃实验装置示意图 统 中国科学技术大学硕士学位论文第二章阴燃点燃过程 2 3 2 实验结果 针对不同的加热条件。我们进行了一系列点燃实验。在不同的热流值条件下， 聚氨酯泡沫材料能否建立自维持传播所需要的加热时间有所不同。各个实验条件 和工况如表2 1 所示。 编号热流密度加热时间环境温度实验结果燃烧情况 ( k w t m 2 )( s )d c ) i 11 53 5 0 02 8图2 5不能被点燃 i 一21 82 4 1 02 7图2 - 6能自维持阴燃 i 3 21 8 8 02 7图2 7 a 不能维持阴燃 i - 422 0 l o2 7图2 7 b能自维持阴燃 1 539 4 02 6图2 。8 a 不能维持阴燃 i ，631 0 8 02 6图2 8 b能自维持阴燃 i 73 86 9 02 7 图2 9 a不能维持阴燃 i ，83 88 2 02 6图2 9 b 能自维持阴燃 i 954 8 02 8图2 - 1 0 a 不能维持阴燃 1 1 055 8 62 7图2 1 0 b 不能维持阴燃 i 一】l56 3 02 6图2 1 0 c能自维持阴燃 l 1 256 7 02 7图2 - l o d能自维持阴燃 i 1 3655 3 02 5图2 - 1 1很快转化为明火 表2 1 聚氨醑材料点燃过程实验条件工况表 实验所得到的温度曲线如图2 5 至图2 1 1 所示。从这一系列曲线可以看 出聚氨酯泡沫材料在受一段时间的外界热源加热条件下，内部的燃烧特征。从中 可以发现，在外热源撤走的情况下阴燃过程能否继续传播，与加热的热流密度和 加热时间有密切关系。如图2 5 所示，在较小的热流密度下，就算对材料进行 长时间的加热，阴燃也未能建立。而如图2 一1 1 所示，在较大的热流密度下， 一小段加热时间就能使材料发生自维持的阴燃。如图2 1 0 ( a - d ) 所示，当热流 密度为5 k w m 2 ，对应的加热时间为4 8 0 s ，5 8 5 s ，6 3 0 s ，6 7 0 s ，图( a ) ，( b ) 的实验 结果表明，在撤走加热器以后材料温度不断下降，最后阴燃熄灭：而在图( c ) 和( d ) 中，阴燃能自维持向前传播，( d ) 图中阴燃在传播到材料的末尾后，转变为明火。 8 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章阴燃点燃过程 t h l t h 2 跏 一 p v 、， t h 3 “ t h 4 i ，一 - - - - - t h 5 - t h 6 量1 0 0 t 。二二二二：二乏三 - u - t h 8 n u 0 1 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 0 t i m e ( s ) 图2 - 5 热流密度为1 5 k w m 2 时，材料内部的温度时间曲线，加热时间为3 5 0 0 s 图2 - 6 热流密度为1 , 8 k w m 2 时，材料内部的温度时间曲线，加热时间为2 4 1 0 s 图2 7 a 热流密度为2 k w m 2 时，材料p j n n n 度时间曲线，加热时间为1 8 8 0 s 9 中国科学技术丈学硕士学位论文 第二章| i j 燃点燃过程 图2 7 b 热流密度为2 k w m 2 时，材料内部的温度时间曲线，加热时间为2 0 1 0 s 图2 8 a 热流密度为3 k w m 2 时，材料内部的温度时间曲线，加热时间为9 4 0 s 图2 8 b 热流密度为3 k w m 2 b 寸，材料内部的温度时间曲线，加热时间为1 0 8 0 s 1 0 中酱科学技术大学硕士学位论文第二章 5 l j 燃点燃过程 图2 9 a 热流密度为3 8 k w m 2 时，材料内部的温度时间曲线，加热时间为6 9 0 s 图2 9 b 热流密度为3 8 k w m 2 时，材料内部的温度时间曲线，加热时间为8 2 0 s 图2 - l o a 熟流密度为5 k w m 2 时，材料内部的温度时间曲线，加热时间为4 8 0 s 主里型量垫查奎兰塑圭堂堡堡苎 塑三茎塑塑生塑整堡 图2 - 1 0 b 热流密度为5 k w m 2 时，材料内部的温度时间曲线，加热时间为5 8 6 s 图2 - 1 0 c 热流密度为5 k w m 2 时，材料内部的温度时间曲线，加热时间为6 3 0 s g o 皇 苫 兰 晷 1 2 0 0 0 l 一、捌疹 7 哆乃铲n 05 0 01 0 0 0 j 图2 - 1 0 d 热流密度为5 k w m 2 时 1 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 0 t i m e ( s ) 材料内部的温度时间曲线，加热时间为6 7 0 s 1 2 孛周科学技术大学硕上学位论文 第二章阴燃点燃过程 图2 - 1 l d 热流密度为6 5 k w m 2 时，材料内部的温度时间曲线，加热时间为5 3 0 s 在不同的热流密度加热下，能使阴燃点燃形成自维持传播所需的加热时间是 不同的。通过实验所得到的各热流密度值下，点燃所需的加热时间值如图2 1 1 所示。 图2 1 2 聚氨酯材料在不同热流密度值和加热时间条件下的阴燃点燃实验结果 如图2 一1 2 所示，使阴燃能够发生自维持传播的热流密度值在1 6 k w m 2 至6 8k w m 2 之间。在这个范围内，加热的热流密度越大，所需的加热时间就 越短。热流值6 5 k w m 2 使阴燃点燃对应最小需要5 0 0 秒；5 k w m 2 对应6 2 0 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章阴燃点燃过程 秒；3 8 k w m 2 对应7 8 0 秒；3 k w m 2 对应9 9 0 秒；2 k w m 2 对应1 9 2 0 秒； 1 8 k w m 2 对应2 4 1 0 秒。当热流值小于1 6 k w m 2 时，材料表面温度平衡在 一一个较低的数值上阴燃不能发生。这与a n d e r s o n e ta 1 2 3 1 以及o r t i z m o l i n ae ta 1 2 4 观察到的现象是一致的。当热流值大于6 8 k w m 2 时，聚氨酯材料直接形 成有焰火进行燃烧。这是因为在高热流值下，不但聚氨酯材料发生热解( 会形成 炭) ，所生成的炭也发生热解，另一方面同时也生成了大量的热解可燃气，从而 直接形成有焰火。 图2 1 3 聚氨酯材料在不同热流密度值条件下能自维持阴燃传播所需的热量 图2 一1 3 则显示，聚氨酯材料不同热流密度值下能形成自维持阴燃燃烧，所 需要点燃过程提供的热量。虽然加热的热流密度越大，所需的加热时间越短，但 并不意味着点燃过程所需要的总热量值也越少。如图2 一1 3 所示，点燃过程所需 要的最小加热能量是在热流密度值为3 2k w m 2 的时候。当热流密度大于3 , 2 k w m 2 时，点燃所需的总热量会有所增加，这是由于材料表面温度上升速度快 于热量向材料内部传递的速度，使得向外环境散失的热量有所增加的结果，但总 体上点燃所需的总热量变化在1 0 以内。当热流密度值减小时，材料表面温度 上升速度和热量向材料内部传递的速度都变得缓慢，从而需要较长的加热时间， 而散热量是又随时间加长而不断增大，使得加热效率越发降低，点燃所需的总热 量也就加剧增大，变化非常大。当热流密度降低到与散热热流值相等的时候，点 燃过程也就不能够发生，该值也就是点燃的热流下限值。 中国科学技术大学硕士学位论文第二章明燃点燃过程 2 4 阴燃材料点燃的临界炭层厚度 材料的阴燃过程能否被点燃取决于在移除加热器后，材料自身反应产生的热 量是否能提供向为反应区的材料的传热量和想外界的散热量。聚氨酯泡沫材料被 加热发生热解反应，生成炭层。在移除加热器时刻的初始炭层的厚度，对阴燃材 料能够自维持传播有非常重要的意义。因为炭层起到了与外界环境的一个很好的 隔热作用，能有效防止材料反应区域的热量损失。要使阴燃能够维持自身传播的 热量，就需要有一定厚度的初始炭层厚度。 点燃模型分析 通过对聚氨酯材料的点燃过程实验发现，在加热器移除之后，原来的加热端 的温度很快下降。假设在一定的加热条件下，使阴燃过程刚好能自维持向前转播， 我们来分析这时点燃过程的临界条件。 图2 1 4 阴燃传播时材料内部的温度曲线分布示意图 阴燃稳定传播时材料内部的温度曲线如图2 一1 4 所示。根据聚氨酯材料的 t g a 分析 3 u 年n 聚氨酯材料的受热升温过程分析 3 4 ，我们知道材料在3 0 0 o c 左 右时发生剧烈的氧化热解反应，生成炭层。在图2 1 4 中，用x 。表示t = 3 0 0 ”c 这一点，即聚氨酯泡沫材料发生氧化反应生成炭层这一点。而x = x 。则表示阴燃 已燃区域内的这样一点，该点两边的热流密度方向相反。这一点相当于已燃区域 的一个绝热点，x 。两边各部分间的相互传热量为0 ，x x i s o 区域反应总放热量等于总吸热量确定为阴燃 恰好能自维持传播的临界条件。此时有 e 铲o t = 和+ o( 2 5 ) 对式( 2 2 ) 沿看x 坐标再从x i s 。到x 。发生放热反应部分进行积分，并化解得到 j 乏口饿= 【丸岛_ + ( 1 一线) 岛c o 】e j o t 一瓦o t i 。：。 ( 2 6 ) 在阴燃传播向前推进过程中。各温度曲线的温升过程具有很好的相似性，故而在 x = x c 处，叮1 = 一i o li x = x , ：c o 附f 为一常数。 而对式( 2 6 ) 中的第一项做坐标变换，o i t ：- - n s o i t ，u 。为阴燃前锋传播 速度，并化解则有： 谳n 。+ ( 1 圳岛c o l r o _ l s = 垃垡譬必也g 。( 2 _ 7 ) 这样我们就建立了阴燃过程点燃的临界条件表达式： 1 6 中国科学技术大学硕上学位论文 第二章阴燃点燃过程 c ：口镊r = a ，+ 5 垂型! 型! 生j 警。，( 2 - - 8 ) 式2 - - 8 的物理意义在于表明，在x x i 。的区域，放热反应所产生的热量只有大 于等于向热解区传导的热量儡与驱动温度曲线向前移动所需要的热量 _西opaca+(1-商0)p0coju,ql之和时，阴燃才能自维持传播，否则阴燃将会熄灭。而 k 够 材料阴燃燃过程向外散失的热量则由x x o ( t ) ) ，该区域材料本身未发生任何变化，温度等于r o ； i i 受到加热的材料区域( x 。 x x o ) ，材料温度升高，但是温度并没有改变材 2 3 中国科学技术大学硕士学位论文第三章自然对流条件下的阴燃研究 料化学性质，材料的成分、密度、空隙度未发生改变； i i i 材料热解与化学反应区域( x ( k ) ，材料的内部温度大于材料的热解温 度l ，区域内材料开始热解并与氧发生反应，释放热量，密度减小； i v 残留层炭层区域，材料已热解完全，假设该区域内材料不与氧发生反应。 材料加热区域 。一。 j 0 一 。 型 八一 图3 - 5 材料加热区域示意图 首先假设，热解可燃气以及买它成分气体均小j 盥辽饿区域，政只考愿该区域 的能量守恒方程。 假设该区域内的温度分布为：t ( x ，) = 口( f ) + 6 ( ，p + c ( f ) x 2 ，满足边界条件： r ( 班瓦，乱_ o ，丁( 护乙，可蝴孙 m 却播” ( 3 - 1 ) 由该区域的能量积分方程可得： 删卅酬丢篇m 胪 ( 3 - 2 ) 伊【( 1 一商o ) p o 岛+ 懈川瓦警一乙掣 对于聚氨酯材料：p 。l 奴m 3 ，c ，z l k j 堙k ，嘛= o 9 7 5 ， 而 2 4 中国科学技术大学硕士学位论文第三章自然对流条件下的阴燃研究 岛“1 0 0 0 k g m 3 , 钆* 1 7 材培k ，1 一唬= 0 0 2 5 ，故商o p a c a ( 1 一# o ) p o c 。，可以忽略 气体携带的能量，3 2 式可以简化为： 岛岛罢躺m 肛豺酬瓦掣一l 掣】( 3 - - 3 ) 上式中我们用岛替代了( 1 一纯) “，以下亦然。把温度分布方程( 3 1 ) 带入 3 2 式，可以得到： 三鱼+ 三生：鱼l( 3 4 ) 3d t3 d t 卢b 。o 。o z 。 阴燃区域 该区域的示意图如图3 6 所示。 嵋 f ) h h 0 0 一 型飞厂一 圈3 - 6 材料反应区示意图 假设该区域内，氧由残留层向反应区内扩散进入，与该层内材料热解产生化 学反应，同时生成的产物通过溢出该区域。我们假设该区域内反应可以分成两部 分： 氧化热解反应，这是一个放热反应： l k g m a + r q 寸m c 0 2 + 2 2 c h a r + q ( 3 5 ) 0 虻 。舀 中国科学技术大学硕士学位论文第三章自然对流条件下的阴燃研究 反应愿翠由材料阴镒发以及氧气、依崖、温度祆足： 警= 一4 n e x p ( 一目懈) ( 3 - - 6 ) 无氧热解反应，为一吸热过程，释放可燃气体： l k g m a 斗m l g a s + ；q c h a r o ( 3 - - 7 ) 反应速率由材料的密度和温度决定： 警一4 a e x v ( 一e o r t ) ( 3 _ 8 ) 由t 处传入的氧气量碱谢b 剥 。 我们认为阴燃区域的化学反应的活化能足够大，以至于相对于材料的长度而 言，我们可以假设阴燃反应在一个相当薄的区域内进行。把材料的无氧热解和氧 化热解看作集中于同一个面上发生，因此可以得到= k ，且这个面上的温度假 设不变为l ，即阴燃温度。这样材料参与反应的速率为岛鲁，设材料有d 比例 参与氧化热解，剩下的( 1 - 口) 为无氧热解。因此可以得到简化的质量和能量守恒 方程： 口编鲁碱( 3 - - 9 ) 口百d x p 岛马_ ( 1 叫誓岛皿= q ”p w ( 3 - - 1 0 ) 无化学反应的残留层区域 该区域是氧气和热解生成的气体扩散通过的区域。不考虑s t e f a n 流，假设该 区域氧浓度和温度都满足二次多项式分布口( r ) + 6 ( r ) x + c ( t ) x 2 ，且满足以下的边 界条件： y l 矿叫。一o ，乱= 蔷m 0 1 丁( 咖孙乱叫川功也岳o 虬t = h ( 舾( 巧靠b 。 积l 。 中国科学技术大学硕士学位论文 第三章自然对流条件下的阴燃研究 图3 - 7 残簧层不葸因 由该区域的氧质量守恒方程和能量守恒方程积分并化简得： 一；訾c 。，掣城 = 2 观以墨一i d x e 疙喁一弘1e 舨警 t _ 譬+ 翌丑h 正删+ 0 9 0 ( f 一对) ( 3 _ 1 2 ) 一三篓生l 兰二兰2 一三垡( ! 三! 墨2 1 兰二兰塑 3kd t3 dt(3-13) = k t ( 警 去+ 掣一挈 根据以上分析，我们就建立了由变量，x ，口，酲，正，幅构成的自然对流条件下阴 燃问题的方程组：3 4 式，3 9 式，3 - - 1 0 式，3 - - 1 1 式，3 1 2 式，3 1 3 式。 下而耱们将对以匕方程组进行简化。 简化模型 设玩= x o - - x p ，正= k x 。，对于聚氨酯材料自然对流条件下的实验研究发 现阴燃过程中，材料在阴燃反应锋面之后存在一定的收缩。假设在阴燃过程中残 炭层厚度的变化不大，即x p - - t 的变化很小，保持一个初值大小正，使得： 中国科学技术大学颁士学位论文 第三章自然对流条件下的阴燃研究 y 2 抛b 等刮洲k d 辨：掣= c o n s t = c 2 勺 因此我们就可以得到一组简化的方程组 三盟；生：三l 上 3d td t p o c 础瓯 解方程组 盘糯生：c 1 言 ( a l l 2 - ”嗍) 百d x p 膊警埘 假设氧气充分，材料全部参与氧化热解时，口= 1 ，阴燃蔓延条件： 编i d x p 可2 k 蒋o z g i 五- 万瓦) ，即满足阴燃蔓延速率 址 生_ 。由3 2 2 式，当a o ( o ) ：2 k 时， 民；瓯( 0 ) ，这时 5 r ( p o 一段) k 中国科学技术大学硕土学位论文 第三章自然对流条件下的阴燃研究 “。= 鲁= c 0 ”盯，即阴燃速度为一个稳定值。 由3 一1 7 和3 1 8 式得： 旦一2 l - 一丝；必 腭c i磊c i， 带入3 1 6 式得： 土壁垒：f 盟+ ! 鱼! 至二墨21 土+ 上f 旦一h 2 + h i1 3 出 i 岛印，o h i 岛 j 玩且岛l c i， 扯 急+ 等 ，风= 彘( 半 得： 1 3 鲁= 鲁一屁 d f6 、 当阴燃达到稳定传播的时候，箪专0 ，得： 驰) = 芸 。：_ 三生j 二：三l 鱼 p o c p ? 0b o ( o o ) p dp j 0 p 旦一 屁 ( 3 2 3 ) ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) i 1 瓦2 k o p oq 岛“，急p o c p0 酉2 杀q c 2 q o，l 爿+ “】j 0 1 从3 2 6 式可见阴燃稳定传播时的速