環(huán)境壓力對(duì)熱厚固體材料表面火焰?zhèn)鞑サ挠绊?/h1>
2019-10-16 11:36:42王雙峰
燃燒科學(xué)與技術(shù) 2019年5期 關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)
朱?鳳，王雙峰
環(huán)境壓力對(duì)熱厚固體材料表面火焰?zhèn)鞑サ挠绊?/p>
朱?鳳1, 2，王雙峰1, 2
(1. 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所中國(guó)科學(xué)院微重力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049)
環(huán)境壓力；火焰?zhèn)鞑ィ换鹧嫦?；熱厚材?/p>
環(huán)境壓力和氧氣濃度是空間載人航天器設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮的兩個(gè)參數(shù)．國(guó)際上，未來載人航天器艙內(nèi)大氣環(huán)境將優(yōu)先考慮低總壓(50～60kPa)、高氧氣濃度(體積分?jǐn)?shù)30%～34%)的非標(biāo)準(zhǔn)大氣[1]．在我國(guó)的載人探月工程中，建議月球著陸停留階段的總壓保持(58±4)kPa，氧分壓保持(21±2)kPa；登月服優(yōu)先選用40kPa純氧壓力[2]．氧氣濃度增加會(huì)使火焰溫度升高，環(huán)境壓力降低會(huì)使材料表面的對(duì)流散熱減小，這使得低壓環(huán)境中存在切實(shí)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)．掌握相應(yīng)環(huán)境中材料的燃燒特性，對(duì)航天器的防火安全具有重要的意義．
在低壓力環(huán)境下，火焰誘導(dǎo)的浮力流動(dòng)速度減小，使得氧氣在火焰中停留時(shí)間增大，但由于化學(xué)反應(yīng)速率降低，化學(xué)反應(yīng)時(shí)間增加，這使得氣相化學(xué)反應(yīng)在低壓環(huán)境下成為影響火焰?zhèn)鞑サ闹饕蛩豙7]．火焰?zhèn)鞑タ刂茩C(jī)理的改變使得在低壓環(huán)境下的火焰?zhèn)鞑ミ^程表現(xiàn)出新的特點(diǎn)，但對(duì)這些特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)還不?清楚．
本文在不同環(huán)境壓力下對(duì)熱厚PMMA表面火焰?zhèn)鞑ミM(jìn)行研究，考察向上和向下的火焰?zhèn)鞑ヌ攸c(diǎn)．通過比較向上和向下兩種火焰?zhèn)鞑ツＪ较碌幕鹧嫦鐦O限和近壓力極限附近的火焰?zhèn)鞑ヌ攸c(diǎn)，分析壓力和氧氣濃度對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊懀谧匀粚?duì)流條件下，火焰向上傳播的方向與自然對(duì)流方向相同，即同向傳播；火焰向下傳播的方向與自然對(duì)流方向相反，即逆向傳播．
1?實(shí)驗(yàn)方法
燃燒實(shí)驗(yàn)過程在一個(gè)密封的實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行，如圖1所示．實(shí)驗(yàn)艙直徑為600mm，長(zhǎng)920mm，體積約為260L．實(shí)驗(yàn)艙的左右和前面各有一個(gè)SiO2的玻璃窗口用于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)．實(shí)驗(yàn)艙的后面，有一個(gè)端口，用于連接電連接器和固定氣體的進(jìn)口和出口．實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由試樣支撐系統(tǒng)、氣體供給與控制系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)組成．實(shí)驗(yàn)布置如圖2所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)樣品固定在試樣架上．對(duì)火焰向下傳播實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)火電熱絲貫穿試樣寬度方向，固定在試樣表面的凹槽中，距離試樣下游約5mm．試樣架長(zhǎng)212mm，寬71mm，以保證氣流到達(dá)火焰前能充分發(fā)展．對(duì)火焰向上傳播實(shí)驗(yàn)，試樣的點(diǎn)火端敞開，以保證火焰同向傳播過程中火焰根部氣流充分．電熱絲位于試樣的下端，以減少火焰?zhèn)鞑ミ^程中電熱絲對(duì)氣流的影響．實(shí)驗(yàn)材料為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，試樣厚10mm，長(zhǎng)50mm，寬20mm，密度1.19g/cm3．為了減少實(shí)驗(yàn)過程中試樣向試樣架的熱量損失，在試樣架與試樣之間填充0.5mm厚的云母片．在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)距離試樣約20cm的地方，放置一根K型熱電偶，用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的溫度變化．測(cè)量結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的溫度變化小于2℃．
圖1?實(shí)驗(yàn)艙
圖2?實(shí)驗(yàn)布置示意(單位：mm)
氣體供給和控制系統(tǒng)用于提供所需要的壓力和氧氣濃度條件，包括絕對(duì)壓力傳感器、氧氣濃度傳感器、風(fēng)扇、高壓氣瓶、真空泵和連接管線．壓力傳感器和氧氣濃度傳感器分別用于監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的壓力和氧氣濃度．實(shí)驗(yàn)時(shí)，先排出實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的空氣至設(shè)定的壓力，再充入氧氣或氮?dú)庵磷罱K的環(huán)境壓力從而產(chǎn)生指定的氧氣濃度和壓力條件，實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)壓力和氧氣體積分?jǐn)?shù)誤差為±1%．在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部前后分別設(shè)置一個(gè)風(fēng)扇，在充入氣體后，打開風(fēng)扇至少5min以保證氣體能夠充分混合．為了保證實(shí)驗(yàn)時(shí)氣體充分靜止，在風(fēng)扇關(guān)閉至少5min后再進(jìn)行點(diǎn)火．圖像采集系統(tǒng)用于從正面和側(cè)面記錄試樣點(diǎn)燃、火焰?zhèn)鞑ズ拖绲倪^程，包括一臺(tái)彩色CMOS(PointGrey GS3-U3-41C6C-C)攝像機(jī)和一臺(tái)數(shù)碼攝像機(jī)(Sony DCR-TRV900E)．
實(shí)驗(yàn)所用的O2-N2混合氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)O2分別為21%、30%、40%和50%，所用的環(huán)境壓力最大為200kPa．實(shí)驗(yàn)時(shí)，每次降低艙內(nèi)壓力，直至不能獲得穩(wěn)定的火焰?zhèn)鞑ィ疄榱双@得火焰向下傳播的極限氧氣濃度，還對(duì)氧氣濃度低于21%的情況進(jìn)行了測(cè)量．
實(shí)驗(yàn)步驟如下：將試樣安裝在試樣架上，試樣架放置在實(shí)驗(yàn)艙中間位置的平臺(tái)上．關(guān)閉實(shí)驗(yàn)艙的艙門．打開真空泵，排出實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的壓力至設(shè)定的壓力值，壓力穩(wěn)定后，充入氧氣或氮?dú)庵了枰膲毫脱鯕鉂舛龋蜷_風(fēng)扇，持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)5min，使氣體充分混合．之后，關(guān)閉風(fēng)扇，氣體充分靜止后點(diǎn)火絲加電．用兩臺(tái)攝像機(jī)分別從正面和側(cè)面記錄試樣點(diǎn)燃、火焰?zhèn)鞑ズ拖绲倪^程，記錄幀率為25幀/s．根據(jù)獲得的圖像對(duì)材料的火焰?zhèn)鞑ミ^程進(jìn)行分析，當(dāng)火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x小于2cm時(shí)，認(rèn)為此時(shí)的環(huán)境壓力為該環(huán)境下火焰?zhèn)鞑サ臉O限壓力．
2?結(jié)果分析與討論
2.1?向下火焰?zhèn)鞑?/h3>
圖3?向下傳播火焰圖像(＝40%)
圖4?向下傳播火焰示意
圖5?火焰駐離距離隨壓力的變化
圖6給出了不同氧氣濃度時(shí)向下傳播火焰的速度隨壓力的變化，為多次實(shí)驗(yàn)的算術(shù)平均結(jié)果．圖中同時(shí)給出了Bhattacharjee等[7, 14]數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果．氧氣體積分?jǐn)?shù)一定時(shí)，在本文研究的壓力范圍內(nèi)，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著壓力的增大而增大．需要指明的是，在不同的氧氣濃度下，火焰在固體材料表面?zhèn)鞑r(shí)，存在著熱薄固體向熱厚固體轉(zhuǎn)變的半厚度．實(shí)驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算和理論分析研究發(fā)現(xiàn)[7, 15-16]，在氧氣體積分?jǐn)?shù)為21%的環(huán)境條件下，火焰在固體材料表面?zhèn)鞑r(shí)，熱薄向熱厚轉(zhuǎn)變的臨界半厚度為5mm．氧氣濃度升高，對(duì)應(yīng)的臨界厚度減?。鯕怏w積分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，臨界厚度約為1mm．在氧氣濃度不變時(shí)，臨界厚度隨著壓力的降低而增加．氧氣體積分?jǐn)?shù)為50%，壓力為25kPa時(shí)，臨界厚度約2mm.在本文研究的氧氣濃度和壓力范圍內(nèi)，10mm厚度的試樣可以認(rèn)為是熱厚材料．
圖6 不同氧氣濃度時(shí)火焰向下傳播速度隨壓力的變化
火焰在固體表面?zhèn)鞑r(shí)，當(dāng)熱輻射和化學(xué)反應(yīng)影響都較小時(shí)，稱之為火焰?zhèn)鞑サ臒釁^(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，火焰向固相的熱傳導(dǎo)對(duì)火焰?zhèn)鞑テ鹬鲗?dǎo)作用．對(duì)熱區(qū)逆向傳播的火焰，Bhattacharjee等[7]給出了理論計(jì)算公式
式中：g、g和g分別為氣相熱傳導(dǎo)率、氣相密度和氣相比熱容；s為燃料熱傳導(dǎo)率；s和s為燃料密度和比熱容；f為絕熱火焰溫度；v為燃料熱解溫度；∞為環(huán)境溫度；eqv稱為等效氣流速度，表示火焰前鋒位置處的流動(dòng)速度，對(duì)垂直平板，de Ris[17]給出了等效氣流速度的計(jì)算公式
式中：g為氣相熱擴(kuò)散率；v為特征氣相溫度．
由于火焰溫度與氧氣濃度之間的關(guān)系可以近似為[18]
圖7?火焰?zhèn)鞑ニ俣入S()的變化
為了研究化學(xué)反應(yīng)對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，這里將火焰?zhèn)鞑ニ俣壤脽釁^(qū)火焰?zhèn)鞑ダ碚撨M(jìn)行無量綱處理，得到無量綱的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋ㄟ^計(jì)算數(shù)，將兩者進(jìn)行關(guān)聯(lián)．圖8給出了無量綱的火焰?zhèn)鞑ニ俣入S數(shù)變化．從圖8可以看出，＜100時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著數(shù)的增加而增加，這表明在該過程中氣相化學(xué)反應(yīng)對(duì)火焰?zhèn)鞑ビ兄匾绊懀辉诒疚臏y(cè)試的范圍內(nèi)，＞100時(shí)，無量綱的火焰?zhèn)鞑ニ俣葞缀醪浑S數(shù)的變化而發(fā)生變化，這表明在該區(qū)域內(nèi)，氣相傳熱對(duì)火焰?zhèn)鞑テ鸬街鲗?dǎo)作用．
圖8?無量綱火焰?zhèn)鞑ニ俣入SDamk?hler數(shù)的變化
2.2?向上火焰?zhèn)鞑?/h3>
圖9 向上傳播火焰圖像(＝21%，p＝40kPa，圖像對(duì)應(yīng)相鄰時(shí)刻，時(shí)間間隔均為40s)
圖10 向上傳播火焰根部位置隨時(shí)間的變化(＝21%)
2.3?熄滅極限
在一定的氧氣濃度下，當(dāng)環(huán)境壓力降低至某個(gè)極限值時(shí)，材料表面的火焰?zhèn)鞑⒉荒芫S持．另一方面，在一定的環(huán)境壓力下，當(dāng)氧氣的濃度降低至某個(gè)極限值時(shí)火焰不能維持．由氧氣濃度和環(huán)境壓力決定的火焰熄滅極限是衡量材料可燃性的重要特征參數(shù)，表示了材料的可燃極限范圍．
圖11給出了環(huán)境壓力小于140kPa，氧氣濃度低于50%范圍內(nèi)PMMA表面向上和向下傳播火焰的熄滅極限曲線，對(duì)火焰向下傳播，極限曲線的上方為火焰?zhèn)鞑^(qū)域，曲線的下方為火焰熄滅區(qū)域．對(duì)火焰向上傳播，火焰?zhèn)鞑ビ袃煞N模式：RFB(retreating flame base)和FR(fuel regression)．在燃料退化燃燒的區(qū)域，火焰根部穩(wěn)定在點(diǎn)火位置，火焰長(zhǎng)度不斷增加；在火焰根部退后燃燒的區(qū)域，火焰根部向上移動(dòng)，繼續(xù)降低壓力就會(huì)使火焰熄滅．
圖11?PMMA表面向上和向下傳播火焰的熄滅極限
3?結(jié)?論
(2) 對(duì)向上傳播火焰，存在依賴于氧氣濃度的臨界環(huán)境壓力，將火焰?zhèn)鞑澐殖蓛煞N傳播模式：火焰根部退后傳播和燃燒退化燃燒．當(dāng)環(huán)境壓力小于臨界壓力時(shí)，火焰為根部退后傳播模式；當(dāng)環(huán)境壓力大于臨界壓力時(shí)，火焰為燃料退化燃燒模式．兩種傳播模式的轉(zhuǎn)變壓力隨著氧氣濃度的增加而降低．
(3) 熱厚材料表面向上和向下傳播火焰均存在由氧氣濃度和環(huán)境壓力決定的熄滅極限，在實(shí)驗(yàn)研究的參數(shù)范圍內(nèi)，隨著氧氣濃度或環(huán)境壓力的增加，材料的可燃極限范圍增大．對(duì)向上傳播火焰，存在火焰根部退后傳播區(qū)，該區(qū)域的存在使得向上傳播火焰的可燃極限范圍大于向下傳播火焰，擴(kuò)大了材料的可燃范圍．
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Effects of Ambient Pressure on Flame Spread over Thermally-Thick Solid Material
Zhu Feng1, 2，Wang Shuangfeng1, 2
(1. Key Laboratory of Microgravity，Institute of Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2. School of Engineering Science，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)
ambient pressure；flame spread；flame extinction；thermally-thick material
TK16
A
1006-8740(2019)05-0401-07
10.11715/rskxjs.R201812028
2018-12-28．
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1738117)；中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)資助項(xiàng)目(XDA04020410，XDA04020202-10).
朱?鳳（1988—??），女，博士研究生，zhufeng@imech.ac.cn.
王雙峰，男，博士，研究員，sfwang@imech.ac.cn.
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朱?鳳，王雙峰
環(huán)境壓力對(duì)熱厚固體材料表面火焰?zhèn)鞑サ挠绊?/p>
朱?鳳1, 2，王雙峰1, 2
(1. 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所中國(guó)科學(xué)院微重力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049)
環(huán)境壓力；火焰?zhèn)鞑ィ换鹧嫦?；熱厚材?/p>
環(huán)境壓力和氧氣濃度是空間載人航天器設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮的兩個(gè)參數(shù)．國(guó)際上，未來載人航天器艙內(nèi)大氣環(huán)境將優(yōu)先考慮低總壓(50～60kPa)、高氧氣濃度(體積分?jǐn)?shù)30%～34%)的非標(biāo)準(zhǔn)大氣[1]．在我國(guó)的載人探月工程中，建議月球著陸停留階段的總壓保持(58±4)kPa，氧分壓保持(21±2)kPa；登月服優(yōu)先選用40kPa純氧壓力[2]．氧氣濃度增加會(huì)使火焰溫度升高，環(huán)境壓力降低會(huì)使材料表面的對(duì)流散熱減小，這使得低壓環(huán)境中存在切實(shí)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)．掌握相應(yīng)環(huán)境中材料的燃燒特性，對(duì)航天器的防火安全具有重要的意義．
在低壓力環(huán)境下，火焰誘導(dǎo)的浮力流動(dòng)速度減小，使得氧氣在火焰中停留時(shí)間增大，但由于化學(xué)反應(yīng)速率降低，化學(xué)反應(yīng)時(shí)間增加，這使得氣相化學(xué)反應(yīng)在低壓環(huán)境下成為影響火焰?zhèn)鞑サ闹饕蛩豙7]．火焰?zhèn)鞑タ刂茩C(jī)理的改變使得在低壓環(huán)境下的火焰?zhèn)鞑ミ^程表現(xiàn)出新的特點(diǎn)，但對(duì)這些特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)還不?清楚．
本文在不同環(huán)境壓力下對(duì)熱厚PMMA表面火焰?zhèn)鞑ミM(jìn)行研究，考察向上和向下的火焰?zhèn)鞑ヌ攸c(diǎn)．通過比較向上和向下兩種火焰?zhèn)鞑ツＪ较碌幕鹧嫦鐦O限和近壓力極限附近的火焰?zhèn)鞑ヌ攸c(diǎn)，分析壓力和氧氣濃度對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊懀谧匀粚?duì)流條件下，火焰向上傳播的方向與自然對(duì)流方向相同，即同向傳播；火焰向下傳播的方向與自然對(duì)流方向相反，即逆向傳播．
1?實(shí)驗(yàn)方法
燃燒實(shí)驗(yàn)過程在一個(gè)密封的實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行，如圖1所示．實(shí)驗(yàn)艙直徑為600mm，長(zhǎng)920mm，體積約為260L．實(shí)驗(yàn)艙的左右和前面各有一個(gè)SiO2的玻璃窗口用于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)．實(shí)驗(yàn)艙的后面，有一個(gè)端口，用于連接電連接器和固定氣體的進(jìn)口和出口．實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由試樣支撐系統(tǒng)、氣體供給與控制系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)組成．實(shí)驗(yàn)布置如圖2所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)樣品固定在試樣架上．對(duì)火焰向下傳播實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)火電熱絲貫穿試樣寬度方向，固定在試樣表面的凹槽中，距離試樣下游約5mm．試樣架長(zhǎng)212mm，寬71mm，以保證氣流到達(dá)火焰前能充分發(fā)展．對(duì)火焰向上傳播實(shí)驗(yàn)，試樣的點(diǎn)火端敞開，以保證火焰同向傳播過程中火焰根部氣流充分．電熱絲位于試樣的下端，以減少火焰?zhèn)鞑ミ^程中電熱絲對(duì)氣流的影響．實(shí)驗(yàn)材料為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，試樣厚10mm，長(zhǎng)50mm，寬20mm，密度1.19g/cm3．為了減少實(shí)驗(yàn)過程中試樣向試樣架的熱量損失，在試樣架與試樣之間填充0.5mm厚的云母片．在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)距離試樣約20cm的地方，放置一根K型熱電偶，用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的溫度變化．測(cè)量結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的溫度變化小于2℃．
圖1?實(shí)驗(yàn)艙
圖2?實(shí)驗(yàn)布置示意(單位：mm)
氣體供給和控制系統(tǒng)用于提供所需要的壓力和氧氣濃度條件，包括絕對(duì)壓力傳感器、氧氣濃度傳感器、風(fēng)扇、高壓氣瓶、真空泵和連接管線．壓力傳感器和氧氣濃度傳感器分別用于監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的壓力和氧氣濃度．實(shí)驗(yàn)時(shí)，先排出實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的空氣至設(shè)定的壓力，再充入氧氣或氮?dú)庵磷罱K的環(huán)境壓力從而產(chǎn)生指定的氧氣濃度和壓力條件，實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)壓力和氧氣體積分?jǐn)?shù)誤差為±1%．在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部前后分別設(shè)置一個(gè)風(fēng)扇，在充入氣體后，打開風(fēng)扇至少5min以保證氣體能夠充分混合．為了保證實(shí)驗(yàn)時(shí)氣體充分靜止，在風(fēng)扇關(guān)閉至少5min后再進(jìn)行點(diǎn)火．圖像采集系統(tǒng)用于從正面和側(cè)面記錄試樣點(diǎn)燃、火焰?zhèn)鞑ズ拖绲倪^程，包括一臺(tái)彩色CMOS(PointGrey GS3-U3-41C6C-C)攝像機(jī)和一臺(tái)數(shù)碼攝像機(jī)(Sony DCR-TRV900E)．
實(shí)驗(yàn)所用的O2-N2混合氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)O2分別為21%、30%、40%和50%，所用的環(huán)境壓力最大為200kPa．實(shí)驗(yàn)時(shí)，每次降低艙內(nèi)壓力，直至不能獲得穩(wěn)定的火焰?zhèn)鞑ィ疄榱双@得火焰向下傳播的極限氧氣濃度，還對(duì)氧氣濃度低于21%的情況進(jìn)行了測(cè)量．
實(shí)驗(yàn)步驟如下：將試樣安裝在試樣架上，試樣架放置在實(shí)驗(yàn)艙中間位置的平臺(tái)上．關(guān)閉實(shí)驗(yàn)艙的艙門．打開真空泵，排出實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的壓力至設(shè)定的壓力值，壓力穩(wěn)定后，充入氧氣或氮?dú)庵了枰膲毫脱鯕鉂舛龋蜷_風(fēng)扇，持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)5min，使氣體充分混合．之后，關(guān)閉風(fēng)扇，氣體充分靜止后點(diǎn)火絲加電．用兩臺(tái)攝像機(jī)分別從正面和側(cè)面記錄試樣點(diǎn)燃、火焰?zhèn)鞑ズ拖绲倪^程，記錄幀率為25幀/s．根據(jù)獲得的圖像對(duì)材料的火焰?zhèn)鞑ミ^程進(jìn)行分析，當(dāng)火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x小于2cm時(shí)，認(rèn)為此時(shí)的環(huán)境壓力為該環(huán)境下火焰?zhèn)鞑サ臉O限壓力．
2?結(jié)果分析與討論
2.1?向下火焰?zhèn)鞑?/h3>
圖3?向下傳播火焰圖像(＝40%)
圖4?向下傳播火焰示意
圖5?火焰駐離距離隨壓力的變化
圖6給出了不同氧氣濃度時(shí)向下傳播火焰的速度隨壓力的變化，為多次實(shí)驗(yàn)的算術(shù)平均結(jié)果．圖中同時(shí)給出了Bhattacharjee等[7, 14]數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果．氧氣體積分?jǐn)?shù)一定時(shí)，在本文研究的壓力范圍內(nèi)，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著壓力的增大而增大．需要指明的是，在不同的氧氣濃度下，火焰在固體材料表面?zhèn)鞑r(shí)，存在著熱薄固體向熱厚固體轉(zhuǎn)變的半厚度．實(shí)驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算和理論分析研究發(fā)現(xiàn)[7, 15-16]，在氧氣體積分?jǐn)?shù)為21%的環(huán)境條件下，火焰在固體材料表面?zhèn)鞑r(shí)，熱薄向熱厚轉(zhuǎn)變的臨界半厚度為5mm．氧氣濃度升高，對(duì)應(yīng)的臨界厚度減?。鯕怏w積分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，臨界厚度約為1mm．在氧氣濃度不變時(shí)，臨界厚度隨著壓力的降低而增加．氧氣體積分?jǐn)?shù)為50%，壓力為25kPa時(shí)，臨界厚度約2mm.在本文研究的氧氣濃度和壓力范圍內(nèi)，10mm厚度的試樣可以認(rèn)為是熱厚材料．
圖6 不同氧氣濃度時(shí)火焰向下傳播速度隨壓力的變化
火焰在固體表面?zhèn)鞑r(shí)，當(dāng)熱輻射和化學(xué)反應(yīng)影響都較小時(shí)，稱之為火焰?zhèn)鞑サ臒釁^(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，火焰向固相的熱傳導(dǎo)對(duì)火焰?zhèn)鞑テ鹬鲗?dǎo)作用．對(duì)熱區(qū)逆向傳播的火焰，Bhattacharjee等[7]給出了理論計(jì)算公式
式中：g、g和g分別為氣相熱傳導(dǎo)率、氣相密度和氣相比熱容；s為燃料熱傳導(dǎo)率；s和s為燃料密度和比熱容；f為絕熱火焰溫度；v為燃料熱解溫度；∞為環(huán)境溫度；eqv稱為等效氣流速度，表示火焰前鋒位置處的流動(dòng)速度，對(duì)垂直平板，de Ris[17]給出了等效氣流速度的計(jì)算公式
式中：g為氣相熱擴(kuò)散率；v為特征氣相溫度．
由于火焰溫度與氧氣濃度之間的關(guān)系可以近似為[18]
圖7?火焰?zhèn)鞑ニ俣入S()的變化
為了研究化學(xué)反應(yīng)對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，這里將火焰?zhèn)鞑ニ俣壤脽釁^(qū)火焰?zhèn)鞑ダ碚撨M(jìn)行無量綱處理，得到無量綱的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋ㄟ^計(jì)算數(shù)，將兩者進(jìn)行關(guān)聯(lián)．圖8給出了無量綱的火焰?zhèn)鞑ニ俣入S數(shù)變化．從圖8可以看出，＜100時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著數(shù)的增加而增加，這表明在該過程中氣相化學(xué)反應(yīng)對(duì)火焰?zhèn)鞑ビ兄匾绊懀辉诒疚臏y(cè)試的范圍內(nèi)，＞100時(shí)，無量綱的火焰?zhèn)鞑ニ俣葞缀醪浑S數(shù)的變化而發(fā)生變化，這表明在該區(qū)域內(nèi)，氣相傳熱對(duì)火焰?zhèn)鞑テ鸬街鲗?dǎo)作用．
圖8?無量綱火焰?zhèn)鞑ニ俣入SDamk?hler數(shù)的變化
2.2?向上火焰?zhèn)鞑?/h3>
圖9 向上傳播火焰圖像(＝21%，p＝40kPa，圖像對(duì)應(yīng)相鄰時(shí)刻，時(shí)間間隔均為40s)
圖10 向上傳播火焰根部位置隨時(shí)間的變化(＝21%)
2.3?熄滅極限
在一定的氧氣濃度下，當(dāng)環(huán)境壓力降低至某個(gè)極限值時(shí)，材料表面的火焰?zhèn)鞑⒉荒芫S持．另一方面，在一定的環(huán)境壓力下，當(dāng)氧氣的濃度降低至某個(gè)極限值時(shí)火焰不能維持．由氧氣濃度和環(huán)境壓力決定的火焰熄滅極限是衡量材料可燃性的重要特征參數(shù)，表示了材料的可燃極限范圍．
圖11給出了環(huán)境壓力小于140kPa，氧氣濃度低于50%范圍內(nèi)PMMA表面向上和向下傳播火焰的熄滅極限曲線，對(duì)火焰向下傳播，極限曲線的上方為火焰?zhèn)鞑^(qū)域，曲線的下方為火焰熄滅區(qū)域．對(duì)火焰向上傳播，火焰?zhèn)鞑ビ袃煞N模式：RFB(retreating flame base)和FR(fuel regression)．在燃料退化燃燒的區(qū)域，火焰根部穩(wěn)定在點(diǎn)火位置，火焰長(zhǎng)度不斷增加；在火焰根部退后燃燒的區(qū)域，火焰根部向上移動(dòng)，繼續(xù)降低壓力就會(huì)使火焰熄滅．
圖11?PMMA表面向上和向下傳播火焰的熄滅極限
3?結(jié)?論
(2) 對(duì)向上傳播火焰，存在依賴于氧氣濃度的臨界環(huán)境壓力，將火焰?zhèn)鞑澐殖蓛煞N傳播模式：火焰根部退后傳播和燃燒退化燃燒．當(dāng)環(huán)境壓力小于臨界壓力時(shí)，火焰為根部退后傳播模式；當(dāng)環(huán)境壓力大于臨界壓力時(shí)，火焰為燃料退化燃燒模式．兩種傳播模式的轉(zhuǎn)變壓力隨著氧氣濃度的增加而降低．
(3) 熱厚材料表面向上和向下傳播火焰均存在由氧氣濃度和環(huán)境壓力決定的熄滅極限，在實(shí)驗(yàn)研究的參數(shù)范圍內(nèi)，隨著氧氣濃度或環(huán)境壓力的增加，材料的可燃極限范圍增大．對(duì)向上傳播火焰，存在火焰根部退后傳播區(qū)，該區(qū)域的存在使得向上傳播火焰的可燃極限范圍大于向下傳播火焰，擴(kuò)大了材料的可燃范圍．
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Effects of Ambient Pressure on Flame Spread over Thermally-Thick Solid Material
Zhu Feng1, 2，Wang Shuangfeng1, 2
(1. Key Laboratory of Microgravity，Institute of Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2. School of Engineering Science，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)
ambient pressure；flame spread；flame extinction；thermally-thick material
TK16
A
1006-8740(2019)05-0401-07
10.11715/rskxjs.R201812028
2018-12-28．
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1738117)；中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)資助項(xiàng)目(XDA04020410，XDA04020202-10).
朱?鳳（1988—??），女，博士研究生，zhufeng@imech.ac.cn.
王雙峰，男，博士，研究員，sfwang@imech.ac.cn.
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