飛火顆粒點燃的實驗及機理研究.pdf

1、森林植被或建筑木質(zhì)結(jié)構(gòu)燃燒、亦或是高壓電線與樹木的相互作用會產(chǎn)生木質(zhì)飛火顆粒，還有煙花燃放（燃燒的微小顆粒）、電焊操作（高溫不燃燒的熱顆粒）、工業(yè)磨削或高壓電線碰撞等會產(chǎn)生高溫金屬顆粒，均可在外界火焰流場及環(huán)境風作用下，運動到其源頭之外相對遠的區(qū)域，形成新的點火源，點燃森林可燃物、建筑屋頂?shù)冉ㄖ獠坎牧匣蚪ㄖ饬⒚姹夭牧系龋瑢е滦碌幕馂?zāi)事故或加速跳躍式火勢蔓延。此類火災(zāi)現(xiàn)象稱為飛火。飛火是大尺度森林火災(zāi)及森林-城鎮(zhèn)交界域火災(zāi)中常見的火

2、災(zāi)現(xiàn)象，飛火顆粒點燃森林可燃物或建筑結(jié)構(gòu)是導致森林大火及森林-城鎮(zhèn)交界域大火發(fā)生的重要潛在蔓延途徑。
　　與大量研究的傳統(tǒng)火蔓延（直接明火接觸點燃和火焰輻射點燃）相比，飛火顆粒點燃森林可燃物或建筑結(jié)構(gòu)的點燃方式有很大不同，因此亟需研究飛火顆粒的點燃過程進而填補該研究領(lǐng)域的空白。本論文研究目的是認識高溫飛火顆粒點燃建筑外立面保溫材料和森林可燃物的基本點燃過程，并建立物理模型揭示其點燃現(xiàn)象及機理。
　　本文的具體工作如下:

3、>　　采用非等溫熱重和差式掃描量熱法，研究低密度建筑外墻保溫材料的點燃及燃燒過程中的熱解動力學特性?；诠腆w材料的熱解失重曲線，采用等轉(zhuǎn)化率方法和模式函數(shù)法，研究了典型建筑保溫材料在空氣氣氛條件下的熱解動力學規(guī)律，并通過DSC曲線獲得了各個熱解失重階段的放熱量?；谏鲜鰺峤鈩恿W研究獲得的聚氨酯泡沫和聚苯乙烯泡沫氧化熱解階段的動力學參數(shù)及反應(yīng)放熱量，結(jié)合經(jīng)典熱點理論，分別以氧化鋁顆粒和金屬鎂顆粒為例，建立了高溫顆粒點燃聚氨酯泡沫和聚苯乙

4、烯泡沫的臨界條件，模型初步預(yù)測了理想情況下熱顆粒對保溫材料的點燃規(guī)律。
　　為深入研究熱顆粒的點燃行為，我們建立了熱顆粒點燃保溫材料的實驗平臺。實驗研究了惰性金屬熱顆粒(直徑6mm至14mm，溫度900℃至1100℃)點燃低密度聚苯乙烯泡沫（18或27kg/m3）的過程。實驗研究表明:熱顆粒對聚苯乙烯泡沫的點燃過程僅發(fā)生于顆粒在材料表面的滾動過程及顆粒在材料表面滾動停止且未完全進入燃料床的時間間隔內(nèi)。金屬熱顆粒對低密度聚苯乙烯泡沫

5、的臨界點燃溫度與臨界顆粒尺寸呈現(xiàn)雙曲線關(guān)系，即顆粒直徑從6mm升高至14mm時，臨界點燃溫度將從1030℃降至935℃。與文獻中高密度森林可燃物對比發(fā)現(xiàn)，聚苯乙烯泡沫的臨界點燃溫度較高，且點燃轉(zhuǎn)變區(qū)域較窄，導致熱顆粒點燃對顆粒尺寸呈現(xiàn)弱的依賴關(guān)系。實驗結(jié)果表明，燃料床的密度和厚度對點燃概率和質(zhì)量損失速率的影響較弱。理論分析表明，熱顆粒在聚苯乙烯泡沫的點燃過程中不僅充當加熱源的作用，而且充當先導點燃源的作用;熱顆粒對聚苯乙烯泡沫的點燃過程

6、是材料熱解氣和周圍空氣的混合時間與顆粒在材料表面的滯止時間相互競爭作用的結(jié)果。
　　基于熱顆粒點燃保溫材料的實驗現(xiàn)象，我們建立了描述熱顆粒點燃聚苯乙烯泡沫的氣相點燃數(shù)值模型，該模型耦合固相熱解反應(yīng)、氣相化學反應(yīng)及可燃熱解混合氣的自然對流作用。數(shù)值模型獲得了不點燃、不穩(wěn)定點燃及穩(wěn)定點燃三種點燃機制。數(shù)值模型可以較好地預(yù)測實驗獲得的熱顆粒點燃的臨界條件。
　　鑒于建筑外立面保溫材料和森林可燃物的熱解、燃燒特性的差異，通過改造熱顆

7、粒點燃的實驗平臺，進行標準化實驗操作，研究在環(huán)境風(0～4m/s)作用下，惰性金屬熱顆粒（直徑6mm至14mm，溫度600℃至1100℃）對不同含水率的松針燃料床（6％至35％）的點燃過程。研究主要關(guān)注和討論熱顆粒直接明火點燃、陰燃點燃、陰燃向明火轉(zhuǎn)變的點燃過程。持續(xù)點燃的臨界顆粒溫度(Tp，ctr=1800(1+4FMC)/d+500[℃]關(guān)系式）隨顆粒尺寸的降低和燃料床含水率的增加而減小，熱顆粒的最大加熱效率近似ηsp=10％。隨著

8、熱顆粒尺寸的增加，燃料床含水率的影響會變?nèi)?。實驗測量了金屬熱顆粒對松針燃料床的兩種明火點燃時間。該時間隨顆粒尺寸和風速的增加而減小，隨燃料床含水率的增加而增加。理論分析解釋了臨界點燃條件、點燃延滯時間以及直接點燃與陰燃之間的關(guān)系。理論分析也表明:在快速的熱顆粒直接明火點燃過程中，熱顆粒不僅充當加熱源的作用，而且充當先導點燃源的作用。而在陰燃點燃和陰燃向明火的轉(zhuǎn)變過程中，熱顆粒僅充當加熱源的作用，明火點燃的轉(zhuǎn)變過程是易燃混合氣體的自發(fā)點燃