（工程热物理专业论文）强迫气流下阴燃的形成和传播机理及其产物特性的试验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着人们对火灾研究的深入，阴燃作为一种特殊的燃烧形式逐渐引起人们的注意。典 型的例子是丢弃的烟头仍然阴燃着，使被褥、床单等发生阴燃引起室内火灾。近年来由可 燃物阴燃引起火灾渐渐引起了人们的关注，对阴燃的研究成为火灾科学的一个重要的部分。 本文建立了小型一维同向阴燃和反向阴燃的实验台，对强迫气流下的一维阴燃形成和传播 过程及其产物进行了大量的实验研究，以期更好的了解阴燃的机理，为阴燃控制和消除研 究提供依据，减少阴燃造成的火灾损失。 本文首先研究了阴燃形成过程中的影响因素。试验结果表明加热功率、氧化剂流速和 加热时间都对阴燃的形成有重要的影响，在相同的加热条件下，同向阴燃比反向阴燃更易 形成。 其次，本文对阴燃过程的传播进行了试验研究。主要研究了两种阴燃的传播过程和氧 化剂流速对阴燃传播的影响。并对木屑和纸的混合阴燃进行了试验研究。 本文还对阴燃的各种产物包括气体、固体( 炭) 和液体( 焦油) 进行了分析研究，主要 包括： 1 、通过试验得到了不同阴燃方式下c o 和c 0 2 的排放浓度，并且根据测试结果计算得到 了不同空气流速下的两种气体的平均排放速率。 2 、对原始木屑和阴燃固体产物进行了元素分析、工业分析和热重分析，并且计算出原始 木屑和炭的化学动力学参数。 3 、通过对木屑在阴燃过程中产生的焦油进行g c - - f t i r 分析，发现焦油中含有一些含甲 基、乙基、甲氧基、羟基等官能团的酸类、酮类、醛类、醇类和酚类化合物，并且还 存在一些呋喃和糠醛衍生物等杂环化合物。这些焦油中的大多化合物对人体有危害， 证明了对阴燃产物进行毒性分析十分重要。 最后本文通过特定的收集装置和检测过程，对木屑在阴燃过程中产生的多环芳香烃进 彳亍测定，此试验结果对了解阴燃过程中多环芳香烃的排放和认识阴燃的危害性有重要意义 本文对阴燃过程进行了大量的试验研究，丰富了阴燃的知识，加深了我们对阴燃的了 解。同时也希望本文能起到抛砖引玉的作用，对以后的阴燃研究起借鉴作用，推动阴燃研 究的向前发展。 关键词：阴燃传播速度平均排放速率热重分析焦油多环芳香烃 塑垩查茎翌圭兰垡笙塞竺翌：! 生竖l 一 a b s t r a c t w i t ht h ef u r t h e rr e s e a r c ho nf i r e ，s m o l d e r , a sas p e c i a lc o m b u s t i o n ，c o m e si n t ot h ef o c u s o f p e o p l e sa t t e n t i o n ，t h et y p i c a le x a m p l eo f s m o l d e ri ss m o l d e r i n gc i g a r e t t e sm a k e b e d d i n g s o rb e ds h e e t ss m o l d e r ，t h e nl e a dt ot h eo c c u r r e n c eo ff i r ei nt h er o o m i nr e c e n ty e a r s ，m o r e a t t e n t i o ni s p a i dt ot h ef i r el e db ys o l i dc o m b u s t i b l es m o d e r , a n dt h er e s e a r c h o i ls m o l d e r , c o n s e q u e n t l y , b e c o m e sa ni m p o r t a n tp a r to f f i r es c i e n c e ，i nr e s e a r c h ，t h i st h e s i se s t a b l i s h e sa s p e c i a le x p e r i m e n t a la p p a r a t u st os i m u l a t eo n e d i m e n s i o nf o r w a r d a n do p p o s e ds m o l d e r i n g a n dt h er e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d ef o r m a t i o n ，p r o p a g a t i o no fs m o l d e r , a n dp r o d u c ti ns m o l d e r t h r o u g hi n v e s t i g a t i o n ，t h e s i si se x p e c t e dt om a k em e c h a n i s mo fs m o l d e ru n d e r s t o o dw e l l ， p r o v i d ee n o u g he v i d e n c e sf o rc o n t r o l l i n ga n de l i m i n a t i n gs m o l d e r , a n d r e d u c et h el o s so ff i r e p r o d u c e db ys m o l d e r a tf i r s t ，t h i sp a p e ri sc o n c e r n e dw i t hi n f l u e n c i n gf a c t o r so nt h ef o r m a t i o no fs m o l d e r ， i n c l u d i n gh e a t i n gp o w e r ，v e l o c i t yo fo x i d i z e ra n dh e a t i n gt i m e t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t s i n d i c a t et h a tt h ef o r m a t i o no ff o r w a r ds m o l d e ri se a s i e rt h a nt h a to fo p p o s e ds m o l d e ri nt h e s a m e h e a t i n gc o n d i t i o n i nt h i s a r t i c l e ，p l e n t y o fe x p e r i m e n t so np r o p a g a t i o no fs m o l d e ra r ec o n d u c t e d t h e p r o p a g a t i o np r o c e s s e so f t w om o d e so fs m o l d e ra r ei n v e s t i g a t e d i na d d i t i o n ，t h ei n f l u e n c e s o np r o p a g a t i o nr a t eb yo x i d i z e rv e l o c i t yi nd i f f e r e n ts m o l d e ra r er e s e a r c h e d i nt h ee n d ， e x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e do n t h es m o l d e r so f w o o da n dp a p e rm i x t u r e 。 t h e p a p e rs t u d i e st h ep r o d u c to f s m o l d e r , i n c l u d i n gg a s ，s o l i da n dl i q u i d ( t a r ) ，i n c l u d i n g ： 1 、i nas e r i e so f e x p e r i m e n t s ，t h ed e n s i t i e so f c o 、c 0 2i nt w od i f f e r e n tm o d e so f s m o l d e ra r e a n a l y z e d b a s e du p o ne x p e r i m e n t s ，a e r ( a v e r a g ee m i s s i o nr a t e ) o f t h ee m i s s i o n so f c o a n d c 0 2i nt w om o d e so fs m o l d e r 甜ec a l c u l a t e d 2 、e l e m e n t a la n di n d u s t r i a la n a l y s e sa n dt g e x p e r i m e n t s o n o r i g i nw o o d a n ds o l i d p r o d u c to f s m o l d e ra r es t u d i e d i nt h i sp a r t ，c h e m i c a lk i n e t i c sp a r a m e t e r sa r ea l s og a i n e d 3 、t h eg c f t i ra n a l y s i so ft h et a rf r o mw o o ds m o l d e ra r ec o n d u c t e di nt h i sp a r t t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h e r ea r ec e r t a i na c i d ，k e t o n e ，a l d e h y d e ，a n da l c o h o li nt h et a r , w h i c h c o n t a i n m e t h y l ，e s h y l ，m e t h o x y l 、o rh y d r o x y la n ds oo n p r o b a b l y , t h et a rc o n t a i n sc e r t a i nf u n a no r 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e r i v a n to ff u r f u r a l ，i nt h ec h e m i c a lc o m p o u n d sm e n t i o n e da b o v e ，m o s ta r eh a r m f u lt o p e o p l e t h e r e f o r e ，t o x i ca n a l y s i so np r o d u c to f s m o l d e ri so f g r e a ti m p o r t a n c e t h i sp a p e ra l s oe s t a b l i s h e st h ee x p e r i m e n t sf o re m i s s i o no fp a hi nu r o o ds m o l d e ro n s p e c i a lc o l l e c t i n ga p p a r a t u sa n di nd e t e c t i o nr o u t i n e t h ec o n c l u s i o n sf r o mt h ee x p e r i m e n t s a r e i m p o r t a n t f o ru st ok n o wt h ee m i s s i o no fp a h i ns m o l d e r i n ga n dt h eh a r mo fs m o l d e r a g r e a td e a lo fe x p e r i m e n t so ns m o l d e ra r ec o n d u c t e di nt h i sp a p e r , t h er e s u l t so fw h i c h e n r i c ht h et h e o r yo f s m o l d e r , a n dm a k eu sk n o ws m o l d e rm u c hd e e p e r a tt h es a n q et i m e ，t h i s p a p e ri se x p e c t e dt ob eu s e df o rr e f e r e n c ef o rf u t u r er e s e a r c ho ns m o l d e r k e yw o r d ：s m o l d e r ，p r o p a g a t i o nv e l o c i t y ，a v e r a g ee m i s s i o nr a t e ，t g ，t a r ，p a h 儿 学号圣鱼! 盟兰兰垄 独创性声明 y6 8 0 0 8 2 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得堑至三盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：杏同宁 签字日期： 2 。d 争年2 ，月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝至三盘生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者繇夺目宁 导师繇雪晴琶 签字日期：2 伽 l 年二月刁日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 签字吼驴1 f 年2 月文7 日 电话 邮编 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 第一章绪论 1 1 引言 火的使用是人类的伟大创举之一。它在人类文明和社会进步中起了无法估量的作 用，然而，火若失去控制，便会危及生命财产和自然资源，酿成灾害。火灾是所有灾害 中最常见、最普遍的，是极具破坏性的灾害之一，它是失去控制蔓延的一种灾害性燃烧 现象，通常包括森林，建筑，油类等火灾以及可燃气和粉尘爆炸。它不仅破坏人类赖以 生存的宝贵而有限的自然资源，而且会造成环境污染，引发生态失衡。火灾防治已经成 为社会安全保障的重要组成部分。火灾对于人的生活和财产是一种持续的威胁，人类在 火灾中的经济上的损失是无法估量的。据最新统计，不包括森林，草原火灾在内，我国 火灾年平均损失近2 0 0 亿。火灾的直接损失包括财物损失，救火的费用，和治疗受伤者 的费用，在9 0 年代早期曾经达到4 5 0 ，0 0 0 ，0 0 0 英镑每年，在加上大约有1 9 0 ，0 0 0 ，0 0 0 英 镑的非直接损失，大约是u k 的g d p 的o 2 5 t ”。 长期以来，人们把火灾视为偶然的，孤立的突发事件。因而采取哪里着火，哪里扑 火的办法，对火灾的研究仅局限于用统计的方式研究火灾规律。随着社会和经济的发展， 火灾的防治水平不断提高，人们进一步认识到减少火灾需要科学技术。现代科学技术的 迅猛发展，尤其是燃烧学，计算机以及实验技术等的长期积累和日趋完善，从学科上为 火灾机理和规律的研究发展奠定了基础。 很多火灾是由固体可燃物的阴燃发展而成的，1 9 8 5 年哈尔滨白天鹅宾馆的火灾就是 由于游客掉在被子上的香烟，经过长时间的阴燃转变成明火，最终形成室内火灾的；1 9 6 7 年，日本京都国际观光旅馆由于一位游客将未熄灭的烟头扔进垃圾箱引起垃圾阴燃造成 火灾，造成巨大的损失。在上个世纪7 0 年代美国有关火灾调查就表明4 0 的火灾死亡 人数死于家具的阴燃引起的住宅火灾中。1 2 阴燃是一种特殊的燃烧现象，是燃烧学的前沿问题之一。鉴于阴燃在火灾安全上 的重要性，国外的研究文献在上个世纪5 0 年代起就有关于阴燃机理的研究，但对阴 燃的大量研究起始于上个世纪7 0 年代，经过2 0 多年的研究，由于阴燃本身的复杂性， 阴燃的机理还是没有被人们很好的了解。 对阴燃的研究在火灾安全上有很重要的意义，阴燃是灾害燃烧的重要过程，也是 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 灾害燃烧的孕育过程。研究阴燃的形成和传播过程及其产物的特性，有利于增进对阴燃 的机理的了解，为阴燃控制和消除研究提供依据，以减少阴燃造成的火灾损失；并且对 阴燃的研究成果对于材料的高温合成，煤的气化，固定床催化反应的设计和城市垃圾， 固体废弃物的焚化等方面的应用有十分广阔的前景b 1 。 1 2 阴燃的定义及其特点 关于阴燃，它曾经被认为是一种在外加热流作用下的固体材料或有机材料的一种 无焰反应，但这不是很准确的定义和描述，因为这种无焰反应定义为热解更为准确 4 1 。 阴燃和热解过程是有区别的，阴燃过程包括吸热的热解过程，与热解不同的是阴燃中 还包括发热的燃料氧化过程和炭的氧化过程。另外热解过程是需要外加热量才能发 生，而形成白维持的阴燃后是不需要外加热量便可以继续维持。 文献口】对阴燃所作的解释是一种只在气固相界处的燃烧反应，但没有气相火焰的 燃烧现象。例如，香烟的燃烧就是典型的阴燃代表。文献【6 】对阴燃的定义是：阴燃属 于燃烧前期的无火焰燃烧过程，一般被局部火源的引燃，初期温度较低，还没有燃烧 条件时的燃烧，或者氧不足时的燃烧。 和有焰燃烧相比，阴燃具有以下特点：在加热强度比较小时，也能发生阴燃。 氧化反应的速度很小，相应的最高温度及最高传播速度都很低。反应区的厚度同 有焰燃烧相比则比较大。阴燃可以在比较低的氧气浓度环境中传播。每单位质量 的物质在阴燃状态下，产生的烟量，有毒气体及可燃性气体量都比较多。用短时间 的大流速气流很难将阴燃熄灭。当散热条件差，热量较容易积累，对阴燃的发生和 传播有利。当阴燃区不断增大时，有可能转变为有焰燃烧。在本文中所指阴燃为自 维持的阴燃过程。 1 , 3 阴燃的危害及研究意义 谈到阴燃的危害，主要有3 个，首先是它的潜在危害性和易发生性。阴燃为微弱的 本来不能使可燃物产生火焰的热源提供了一种产生火焰的“方法”1 7 1 。阴燃过程是能量 积累的过程，在适宜的环境下较低的热量聚集而引起可燃物的有焰燃烧。在文献 8 中提 到，阴燃过程是灾害燃烧中特有的现象。一场大火，可能是因为一个随意丢弃的阴燃着 的烟蒂，引起了地板上地毯的阴燃，随着阴燃的传播，阴燃区域的不断扩大，最终出现 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 明火或称为有陷燃烧。在森林中一个很小的热源，可能不会立即使地表可燃物进行有 焰燃烧，但是它可以首先使地面上的枯枝落叶进行阴燃，在条件适宜时，再转化为地表 火，并且有些阴燃着的地下火，有时没有烟，很难被了望台观测到，一旦这些阴燃的地 下火集聚了发生有焰燃烧的能量而引起森林火灾，则很难扑灭。阴燃过程燃烧缓慢，散 热量低，不易发现。在室内，当一个吸烟者不小心把烟头丢弃在地毯或被褥上，如果这 个人已经熟睡，除非明火烧到他，否则，很难因为阴燃的发生把他唤醒。 其次是阴燃的有毒气体排放较多。经研究表明，阴燃通常是不完全的燃烧反应，因 此从理论来说，阴燃比通常有焰燃烧释放的烟气更多，有毒气体更多。火灾中总人数的 8 0 是由于火灾产生的毒气而造成的，因此阴燃对人造成危害更大。在文献 8 】中提到， 在般情况下，家具阴燃释放的毒气的过程很慢。但这一足够杀死在熟睡中的居民。如 上一段文字提到的，在住宅内，丢弃的燃着的烟头使地毯或被褥上阴燃，即使阴燃没有 引起有焰燃烧而发生火灾，但阴燃过程中释放的有毒气体很可能使睡梦中的人进入昏迷 状态，如果屋内密封性好，屋内的有毒气体浓度升高，很容易使人发生烟气中毒 阴燃的另一危害是熄火过程比较困难，一旦建立了阴燃区域，如果不能及时发现， 加以控制，一场大火将不可避免。在火灾扑救过程中，如果不清除余烬往往会造成死 灰复燃特别是森林火灾的死灰复燃其后果往往是灾难性的。在野外点燃一根火柴， 很小的微风就会把它吹灭，一旦阴燃区域已经形成即使较大的气流也难以使其熄灭， 风速的加大往往会使其转化为明火，加速火灾的蔓延。 更有甚者，如果阴燃发生了数小时之后才被发现，当消防队员到达后打开门窗进入 灭火或查找起火点时，由于新鲜空气进入室内与可燃性烟形成一种爆炸性混合物，当这 种混合物的边界处于阴燃源内或阴燃源遇到新鲜空气，使燃烧更剧烈时，导致混合物爆 炸吲。 从上面的叙述可以看出阴燃是灾害燃烧的重要过程，也是灾难性燃烧的孕育过程。 对阴燃过程的研究主要有以下几方面的意义： 1 、阴燃是一种基础的燃烧过程，也是近年来燃烧领域前沿的问题之一。作为一种燃烧 现象，至今其内在反应机理还没有被了解清楚。对阴燃进行研究的成果是对燃烧理 论的重要补充 2 、就火灾安全上来说，阴燃也是一种特殊的燃烧方式，其对于火灾安全的威胁也促使 我们对其进行研究。研究阴燃的形成、传播过程及阴燃的产物的特性有利于对阴燃 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 的机理的了解，也有利于了解在此过程中释放的各种有毒产物的成分和特性，以便 更好的了解阴燃的危害，提高对阴燃的警惕，研究对其的控制。 3 、研究阴燃过程及阴燃释放的产物也将会促进火灾探测技术的发展。用最小的代价， 实现可靠火灾探测报警，并能使火灾损失降低到最低程度，这是火灾探测技术发展 的目标。随着科学技术的不断进步，如何迸一步缩短火灾探测报警时间，将为减少 火灾的发生、及时采取有效的防火、灭火措施，减少火灾损失提供宝贵时间。同时 一些特殊的重要场所，如计算机中心，电力调度指挥中心，邮电通信枢纽，图文档 案中心，核电站等，一旦发生火灾将会造成重大的经济损失，还有一些易燃易爆场 所，发生火灾爆炸后，很难及时扑救。因此超早期火灾探测报警很重要【l0 1 。但在火 灾发生的初期，一些可燃物一般都处于阴燃阶段，火焰的能量非常小，温度的变化 和能量辐射都很难探测到，这时的主要产物是烟。如果在火灾发生的初期阶段探测 到阴燃释放出的烟尘和气体，将大大缩短火灾探测报警时间，可以减少火灾的发生， 及时采取灭火措施，减少损失。 1 4 阴燃过程及传播模型的简述 1 4 1 阴燃的发生及反应过程 阴燃的发生是指产生自维持的阴燃过程。许多物质都可以支持阴燃过程，如煤、 棉质物、纸、聚氨酯泡沫、热绝缘材料、和木材1 ”。具有以下性质的燃料比较容易 形成阴燃：1 、较大的表面积，有利于表面氧化。2 、多孔材料，具有可穿透性的， 使氧气通过扩散或对流到达反应区域。3 、具有较好热绝缘性的，会减少热损失，尽 管产热率较低，却能保持自维持的燃烧。4 、固体热解产生的炭具有较高的燃烧热， 能在中等温度时( ， 6 7 0 k ) 氧化7 1 。一般来说，受热融化或收缩的材料不会发生阴 燃情况。 阴燃反应是两种交替竞争反应的合成，即热解和氧化，缺氧会使反应倾向于热 解，缓慢加热使反应倾向于氧化，高的加热率也会使反应倾向于热解1 2 】。图1 1 给 出了燃料的阴燃过程。 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 空气和热 燃料里一卜慧妒鬯 炭+ 热量+ 可l l ! ： 气体 热舸产物 图1 1 阴燃的反应过程示意图 f i 9 1 1s k e t c hm a po fr e a c t i o np r o c e s so fs m o l d e r 1 4 2 阴燃的传播模型 阴燃是一个自维持的释热反应波，它与化学过程，换热过程，气体流动，物质 的扩散，相变等因素有关【5 1 。现实中阴燃传播是多维的，不规则的，但多维的阴燃 过程是多个一维过程的综合，而又由于一维阴燃模型在研究过程比较简单，其燃烧 过程也体现了阴燃的基本机理，所以被研究的也最多，最熟悉的一维阴燃的例子是 香烟的阴燃过程。 图1 2 一维竖直阴燃模型p 1 f i g1 2 s c h e m a t i co fo n e - - d i m e n s i o n a ls m o l d e rm o d e s i 2 i 在一维阴燃过程中，根据氧化剂的流动方向相对于阴燃波的传播的方向，一维 阴燃又可以分为同向阴燃和反向阴燃。在同向阴燃中，反应波的移动方向与氧化剂 的移动方向相同；反向阴燃中，阴燃波的传播前沿与氧化剂的流动方向相反。根据 阴燃的传播方向，阴燃的一维模型又可分为竖直阴燃和水平阴燃过程。图1 2 为竖 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 直方向阴燃传播过程的示意图，其中左边两个示意图为竖直反向阴燃传播( o p p o s e d s m o l d e r ) ，右边两个图为竖直同向阴燃传播( f o r w a r ds m o l d e r ) 。u s 为阴燃波的移动 速度，u g 为氧化剂的流速。从图1 2 上可以看到阴燃波位于未燃材料和炭的交界处， 向未燃材料方向移动。 1 5 阴燃的研究进展 6 0 年代初，g u g a n ，k 【1 3 1 1 4 1 对香烟的阴燃机理和传播做了理论和实验研究，他们采 用无量纲的方法，确定了热辐射、传导、和空气流动在阴燃传播中的作用，为后来阴燃 的研究做了有益的开端。8 0 年代，由阴燃引起的火灾日益引起人们的重视，欧，美，日 等国家开始对阴燃的研究重视起来，并且随着计算机的发展，使阴燃的数值模拟成为可 能，通过对阴燃过程的数值模拟并结合实验过程，使人们对阴燃的机理有了进一步的了 解。 1 5 1 对阴燃形成过程的研究 m e l i s s ak 【在研究向下传播阴燃形成过程中，发现聚氨酯泡沫产生自维持阴燃的 临界热流q ，并得到发生阴燃的临界时间随q 的增大而降低，但随着q 增大到一定的 程度，发生阴燃的临界时间与热流无关的结论。 t j o h l e m i l l e r i5 测量了引起纤维质绝缘材料阴燃的8 种不同形状热源的最小温 度。其结果表明，不同的加热源形状引起阴燃的最小温度竟然有1 5 0 ( 2 的差别。 1 5 2 对阴燃传播过程的研究 o h l e m i l l e r 和l u c c a 1 6 】用实验比较了纤维材料的同向阴燃和反向阴燃的过程。定性定 量的比较这两种阴燃模型的区别，认为反向阴燃能很快达到稳定的传播速率，主要受传 热过程的控制。而同向阴燃传播是不稳定的，反应区移动速率较慢，主要受炭氧化动力 学的影响。对于同向阴燃有两个明显的反应过程，即热解过程和炭氧化过程。 t o r e r o 和f e r n a n d e z l l 7 1 对聚氨酯泡沫的同向阴燃进行了实验研究，空气作为氧化剂， 流动方向与阴燃的传播方向一致。通过阴燃传播的温度曲线来了解阴燃过程的特性和阴 燃的传播速度随氧化剂流速的变化情况。其研究结果表明随着空气流速的增加，阴燃过 程从由单一的放热氧化过程控制到由两个反应过程控制，这两个反应过程为氧化过程和 先于氧化过程发生的吸热的热解过程。 d o s a n j h t s l 提出一个同向阴燃的理论模型，认为两个反应区域包括：热解反应，和 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 炭氧化过程。前者使燃料发生热降解产生炭。b u c k m a s t e r 和l o z i n s k i l l 9 1 提出了个相似 的模型，对氧化和热解前沿结构进行了更为详细的描述。 s v l e a c h t 2 0 】中用数值模拟对影响同向阴燃的各种因素进行研究。通过计算，他发 现在供氧速度较低时，阴燃的传播主要受供氧的控制，传播速度与氧气的供应速度成线 性关系。而在较高的供氧速度下，阴燃的传播是受动力学控制的。他还对比了燃料的传 导特性，密度，比热，孔径对阴燃传播的影响，认为密度对阴燃传播速度的影响最大， 热传导系数是影响最小的参数。 1 5 3 向有焰燃烧转变的研究 c yh 【2 1 1 研究了水平放置的的聚氨酯泡沫在自然对流情况下阴燃向有焰燃烧的 转变过程。他认为阴燃向有焰燃烧的转变是由于炭的二次氧化造成的。他的研究结 果表明炭的二次氧化放出的热量是第一次氧化的8 1 0 倍，炭的二次氧化主要受反应 区氧浓度的影晌。 tj o h l e m i l l e r 2 习对强迫气流下两种阴燃过程向有焰燃烧转变的过程进行研究， 发现在达到实验装置所能承受的最大空气流速下，反向阴燃没有出现有焰燃烧，而 在同向阴燃过程，在空气流速为2 2 5 m s 的情况下，同向阴燃过程中出现了真正 的有焰燃烧。 1 5 4 对阻燃剂对阴燃影响的研究 o h l e m i l l e r l 2 3 1 对水平方向放置的加阻燃剂和未加阻燃剂的保温材料的阴燃特性 进行研究，得到了阴燃传播过程中二维的温度分布、氧浓度分布、讨论了阻燃材料 对阴燃过程的影响，认为阻燃材料( 硼砂) 并不能阻止阴燃，但会使阴燃传播速度 降低一倍。在文献中o h l e m i l l e r l 2 4 1 认为加阻燃剂的燃料会使其着火的温度有所提高。 而在c h y 【2 l 】的文章发现在添加了阻燃剂的燃料竟然更易发生向有焰燃烧的转变， 他分析其原因是阻燃剂增加了炭的产量，使更多的炭参与了二次氧化，放出了更多 的热量。c h y 所用的阻燃剂的成分是磷和溴，o h e l i m e r 用的阻燃剂是硼酸和硼砂 石。所以能不能阻止阴燃向有焰燃烧的转变，要看具体的阻燃剂的种类。 1 5 5 国外对阴燃研究的最新进展 在地球上发生的阴燃会使引起火灾，使人们的生命财产受到威胁，而发生在太 空船中的阴燃的隐患更大，不可以开门逃跑，不可以找消防队员来灭火，且内部放 置了贵重的仪器，因此发生在太空中的阴燃更是危险。鉴于这方面的原因，在9 0 浙江大学硕士学位论文第章绪论 年代中期，美国宇航局( n a s a ) 开始对失重情况下的阴燃机理进行研究1 2 5 1 ，并与 正常重力情况下的阴燃作了对比。他们的实验涉及了阴燃的形成、传播、向有焰燃 烧的转变、有毒气体的排放等方面，实验方法除了用以往传统的热电偶测温得到阴 燃材料内部的温度曲线，然后根据此计算传播速度，还开始尝试用超声波2 6 1 的实验 手段来测量阴燃的传播速度。失重情况下的实验是在太空船上进行的，正常重力下 的实验是在地面进行的。实验结果发现在失重情况下，同样的供氧状况，更容易发 生阴燃。 1 5 6 国内对阴燃研究的进展 国内对阴燃的研究起步较晚，大连理工的解茂昭等建立了一系列炭粒填充床阴燃的 数学模型，并进行了数值计算。 文献 2 7 , 2 8 1 对强迫气流经过的水平炭粒床阴燃全过程做了数值模拟。文献1 2 9 对填充床 在驻点流场中的阴燃进行了数值计算。 孙文策 3 0 1 对水平平燃料床的阴燃及其向明火的转化做了实验研究，发现在同向和逆 向传播的两种情况下燃料床不同高度层的阴燃传播有不同的规律。文献 3 1 1 进行了自然 对流情况下阴燃过程及气体成分，发现在阴燃过程中有大量的可燃气，特别是c o 在1 0 左右。 1 6 本文主要的研究对象及研究路线 前人的研究为我们研究阴燃过程提供了大量信息，但仍需要一些系统性实验来测定 阴燃的不同控制机理的相对重要性和对数学模型的验证。阴燃的机理是比较复杂的过 程，以往对阴燃的研究主要涉及了其传播过程及其向有焰燃烧的转变，从产物方面对阴 燃进行研究的很少。尽管很多文献上提到了阴燃过程是不完全的燃烧过程，其有毒产物 比有焰燃烧还要多，但很少有研究关注于阴燃过程的产物研究。本文在9 7 3 国家科学基 金的资助下，搭建了小型阴燃实验台，主要以木屑为研究对象，在强迫氧化剂气流下， 对各种形式的一维阴燃过程( 同向，逆向，竖直，水平) 进行研究，主要有以下几方面 的内容： 1 、对阴燃形成过程的研究。根据阴燃形成过程的一些特征参数，探究阴燃形成过程的 机理及影响因素。 2 、对阴燃的传播过程的特征及影响因素进行研究。对不同方式的阴燃传播过程进行试 浙j 工大学硕士学位论文第一章绪论 验研究，得到阴燃传播过程的一维温度场，并得出阴燃的传播速度随空气流速的变 化趋势，从而对不同方式的阴燃过程进行对比，揭示各种阴燃过程的燃烧和传播机 理 3 、通过试验，对阴燃过程中释放气体成分收集测定，得到不同阴燃过程中c o 和c 0 2 的释放浓度曲线，并计算不同空气流速下气体的平均排放速率。 4 、对阴燃产生的固体产物进行工业分析和元素分析，并对其进行热重分析试验，了解 燃料和产物的化学动力学特性； 5 、采用g c f t i r ( 气相色谱一红外光谱) 对阴燃产生的焦油进行分析，得到液体产 物的基本成分： 6 、通过特定的收集装置和测定分析过程，对阴燃过程中释放的多环芳香烃进行测定， 得出阴燃过程的多环芳香烃的排放因子和毒性当量。 本文研究的创新点是通过对阴燃产物特性进行研究来探究阴燃机理和阴燃的危害， 这在以前的文献中很少见到的。 参考文献 1 d j i r v i n e ，e ta 1 f i r eh a z a r da n ds o m ec o m m o np o l y m e r s p o l y m e rd e g r a d a t i o na n ds t a b i l i t y 6 7 ( 2 0 0 0 ) 3 8 3 - 3 9 6 【2 】d c w a l t h e r , r a a n t h e n i e n ，a c f e r n a n d e z - p e l l o s m o l e r i g n i t i o n o f p o l y u r e t h a n e f o a m ：e f f e c to f o x y g e n c o n c e n g a o o n f i r e s a f e t yj o u r n a l3 4 ( 2 0 0 0 ) 3 4 3 - 3 5 9 【3 】刘炳民。阴燃过程中的温度场和气体生成规律。大连理工大学硕士论文。2 0 0 3 。 【4 】t j o h l e m i l l e r s m o l d e r i n g c o m b u t i o n s f p e h a n d b o o ko ff i r ep r o t e c t i o n e n g i n e e r i n g 2 “ e d i t i o n ，c h a p t e r11 , s e c t i o n2 ，2 1 7 1 1 7 9 p p 5 5 范维澄等。火灾学简明教程。安徽：中国科技技术大学出版社，1 9 9 5 6 j 戴玉如。硬质聚氢酯泡沫塑料燃烧气体中的氰化物的测定。聚氨酯工业，1 9 9 4 ，4 。 【7 】j i mm e h a f f e y 。s m o l d e r i n ga n ds p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n 。f i r ed y n a m i c s1 ，l e c t u r e # 1 2 【8 林其钊，王清安。灾害燃烧及其特点。火灾科学。2 0 0 0 ，9 ( 4 ) 【9 】高锦田。浅谈阴燃火灾。消防科技，1 9 9 2 ，2 ：8 - 1 0 1 1 0 潘刚。火灾探测报警技术发展趋势。消防科学与技术。2 0 0 2 ，l ：2 9 - - 3 0 111 m e l i s s ak a n d e r s o n ，r a n d a l lt s l e i g h e ，j o s el t o r e r o i g n i t i o ns i g n a t u r e so fa d o w n w a r ds m o l d e r r e a c t i o n e x p e r i m e n t a lt h e r m a la n df l u i ds c i e n c e 2 1 ( 2 0 0 0 ) 3 3 4 0 9 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 j l t o r e r oa c f e m a n d e z - p e l l o n a t u r a lc o n v e c t i o ns m o l d e ro fp o l y u r e t h a n ef o a m ，u p w a r d 【1 3 】 【1 4 1 5 】 p r o p a g a t i o n f i r es a f e t yj o u r n a l2 4 ( 1 9 9 5 ) 3 5 5 2 e g e r t o n ，s i r ac ，e ta 1 c o m b u s t i o na n df l a m e ，1 9 9 6 ，1 0 5 ：4 7 1 - 4 8 5 kg u a n c o m b u s t i o na n df l a m e 1 9 6 6 1 0 ：1 6 1 1 6 4 t jo h l e m i l l e r c e l l u l o s i ci n s u l a t i o nm a t e r i a li i ie f f e c t so f h e a tf l o wg e o m e t r yo ns m o l d e ri n i t i a t i o n c o m b u s t i o ns c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , 1 9 8 1 ，v 0 1 2 6 ，p p 8 9 1 0 5 【16 t j o h l e m i l l e r a ne x p e r i m e n t a lc o m p a r i s o n o ff o r w a r da n dr e v e r s es m o l d e rp r o p a g a t i o ni n p e r m e a b l ef u e lb e d s c o m b u s t i o na n df l a m e ，1 9 8 3 ，5 4 ：1 3 1 - 1 4 7 17 j l t o r e r o ，e t a 1 f o r w a r ds m o l d e ro fp o l y u r e t h a n ef o a mi naf o r c e da i rf l o w c o m b u s t i o na n d f l a m e ，1 9 9 6 ，1 0 6 ：8 9 1 0 9 1 8 】d o s a n j b ，s s p a g n i ，p j a n df e r n a n d e z - p e l l o p r o c e e d i n go ft h e 1 9 8 7a s m e j s m et h e r m a l e n g i n e e r i n g j o i n t c o n f e r e n c e ，1 9 8 7 ，p p 1 6 5 1 7 3 1 9 b u c k m a s t e r ，j a n dl o z i n s k i ，d c o m b u s tf l a m e1 9 8 6 ，1 0 4 ：3 0 0 3 1 0 2 0 s v l e a c h ，g r e i n k i n e t i ca n df u e l p r o p e 啊 e f f e c t so nf o r w a r d s m o l d e r i n g c o m b u s t i o n c o m b u s t i o na n df l a m e1 2 0 ：3 4 6 3 5 8 【2 1 c y h c h a o j h w a n gt r a n s i t i o nf r o m s m o l d e r i n g t o f l a m i n gc o m b u s t i o no f o r i e n t e df l e x i b l e p o l y u r e t h a n e f o a mw i t hn a t u r a lc o n v e c t i o n c o m b u s t i o n h o r i z o n t a l l y a n d f l a m e 2 0 0 1 ，1 2 7 ：2 2 5 2 - 2 2 6 4 【2 2 】t j o h l e m i l l e r f o r c e ds m o l d e rp r o p a g a t i o na n dt h et r a n s i t i o nt of l a m i n gi nc e l l u l o s i ci n s u l a t i o n c o m b u s t i o na n d f l a m e 1 9 9 0 ，8 1 ：3 5 4 3 6 5 2 3 t j o h l e m i l l e r s m o l d e r i n gc o m b u s t i o np r o p a g a t i o nt h r o u g hap e r m e a b l eh o r i z o n t a lf u e ll a y e r c o m b u s t i o na n df l a m e 1 9 9 0 ，8 1 ：3 4 1 - 3 5 3 2 4 t j o h l e m i l l e r ，e ta 1 c e l l u l o s i c i n s