氧浓度、辐射强度等参数耦合作用下固体表面火蔓延机理研究

利用高速摄像、纹影摄像和粒子示踪技术，结合离子探针（测量燃烧化学反应强度）、微细热电偶测量以及烟气分析技术，分别在平原和西藏高原地区，通过有规律地组合并改变环境条件参数（氧浓度、辐射强度、气流速度等），研究氧浓度、辐射强度、气流速度等参数耦合作用下，典型固体可燃物表面火蔓延时的气相火焰精细结构、固体内部热解区结构、烟气成分和热释放速率等的变化规律，以及发生突变（轰燃、熄灭）的临界条件；利用同步辐射真空紫外光电离结合分子束质谱探测技术，研究典型固体可燃物在不同压力和氧浓度下的热解产物、中间体及其热解机理；进而运用化学反应动力学、燃烧学、传热传质等基础理论知识，分析多参数耦合作用下固体可燃物表面火蔓延的规律、传热模式等，建立耦合氧浓度、热辐射等环境条件的固体可燃物表面火蔓延数学物理模型，揭示高原和平原地区火蔓延行为的共性规律与本质区别。

固体表面火蔓延是火灾安全研究的基础课题，涉及到气固两相物理传热传质与化学反应相耦合的复杂过程，特别是在多参数耦合作用下的火蔓延行为目前还没有得到完全的认识。研究多参数作用下固体表面火蔓延特性，建立科学合理的火蔓延理论模型，有助于深化火灾科学，并为控制火灾提供科学依据。.本研究选取典型可炭化固体材料（白木）以及外墙保温材料（模塑聚苯乙烯EPS、挤塑聚苯乙烯XPS）等作为研究对象，首先研究了他们的热解行为机制，然后分别在高原（拉萨）和平原（合肥）地区通过有规律的改变试样宽度、试样放置角度、氧浓度和外界辐射强度等参数，开展一系列多参数耦合作用下固体表面火蔓延特性研究。.首先，研究了火蔓延过程中压力和宽度的耦合作用，并基于热输运理论建立了一个耦合试样宽度和环境压力作用的火蔓延模型。模型指出火蔓延行为的宽度效应受控于对流传热和辐射传热两种竞争机制，使得火蔓延速度随试样宽度增加表现出先减小再增加的趋势。其次，通过对环境压力、试样放置角度和外界辐射强度等参数耦合作用下火蔓延规律的研究，发现在放置角度和辐射强度耦合作用下，火蔓延状态、固相升温模式以及火焰面积的变化模式都会逐渐发生改变。外部辐射和放置角度的增加会削弱化学反应动力学（环境压力）对火蔓延过程的影响。最后，深入探讨了火蔓延过程中出现突变现象（熄灭、减速和加速）的内在机理。利用固体表面火蔓延过程中固相热解与气相燃烧的能量与质量输运动态平衡理论，解释了减速现象实际上是由于点火能量与火蔓延所需能量不匹配而引起的能量平衡自适应过程，并得到了一个预测火蔓延熄灭临界角度的理论预测公式。另外，本文通过对拉萨和合肥地区火焰形态和传热过程的分析，揭示了固体表面加速蔓延的内在机理，并建立了火蔓延加速的理论预测模型，即Πc=1，该模型耦合考虑了环境压力、环境氧浓度和试样放置角度等参数对火蔓延加速的影响。.本研究在Combustion and Flame、Fire safety Journal等国内外重要刊物共发表学术论文20篇，其中SCI收录9篇，EI收录12篇，出版学术著作1部，毕业博士4人，在读2人。依托项目支持，项目负责人成长为国家973项目首席科学家，项目研究骨干入选教育部新世纪优秀人才支持计划。