高原环境中硬质聚氨酯和聚苯乙烯泡沫的火蔓延特性研究

【摘要】西藏高原地区地域辽阔,历史文物古建筑众多,但由于其经济发展相对比较落后,因此火灾发生后的救援行动开展难度较大,造成火灾伤亡率较高,许多发生在民用建筑内的火灾事故往往也会造成较大的危害和损失,又加之西藏高原火灾往往容易在寺庙、宫殿等人员密集的文物古建筑内发生,其造成的损失更是非常巨大的。因此西藏高原地区的火灾安全问题和火灾防治技术亟需引起人们的关注和重视。近些年来,由于西藏高原地区建筑节能技术发展的需要,建筑保温材料在高原地区也开始得到应用,而在常压环境中建立起来的固体火蔓延模型无法适用于高原地区,因此我们有必要在西藏高原地区开展常用建筑保温材料的火蔓延研究。硬质聚氨酯(Rigidpolyurethane,PUR)泡沫和聚苯乙烯(Polystyrene,PS)泡沫(主要包括模塑聚苯乙烯EPS和挤塑聚苯乙烯XPS两种)作为现在国内市场上应用最为广泛的两种有机建筑保温材料,均具有非常优良的保温性能,但是根据我国现行建筑设计防火规范的要求,它们的最低耐火极限是B2级(可燃),因此在使用的过程中存在着很大的安全隐患。因此本文选择这两种典型有机建筑保温材料作为实验研究对象,其中硬质聚氨酯泡沫属于热固性可炭化材料,而聚苯乙烯泡沫则属于热塑性材料,两者在热行为上存在着很大的差别。本文分别在西藏高原地区(拉萨,平均海拔3658米)和平原地区(合肥,平均海拔30米)开展了一系列硬质聚氨酯和聚苯乙烯泡沫的小尺寸火蔓延实验,通过实验测量得到了火蔓延过程中火焰长度与火焰高度、火蔓延速度、气相与固相温度、热解质量流率等关键参数,并结合燃烧学、传热传质学、火灾动力学等理论知识进行分析,研究了试样宽度、外加辐射热流以及试样倾斜角度与环境压力和绝对氧气浓度之间的耦合作用对两种建筑保温材料火蔓延过程的影响,分别揭示了上述参数对两种建筑保温材料火蔓延的作用规律并建立了相关的火蔓延数理模型。本文首先研究了不同试样宽度和环境压力与氧气浓度作用下PUR泡沫的水平火蔓延过程,分别得到了试样宽度与环境压力对PUR泡沫水平火蔓延火焰高度与火蔓延速度的影响规律和机制,并通过验证方法得到了火蔓延速度与环境压力关系式中幂指数的实验值。其次,本文还对外加辐射热流和环境压力与氧气浓度等因素对PUR和PS泡沫水平火蔓延的传热机制影响进行了研究,发现PUR和EPS泡沫火蔓延速度的负二分之一次方与外加辐射强度成负线性关系,并通过计算得到了平原地区PUR泡沫参数C的理论值,进而应用控制体积内能量守恒的方法详细分析了PUR和EPS泡沫水平火蔓延传热过程,建立了有外加辐射条件下PUR和EPS泡沫水平火蔓延速度的简化表达式。最后本文详细地分析了高原与平原地区试样倾斜角度对PUR和PS泡沫向上和向下火蔓延的影响机理,得到了PUR泡沫的不同倾斜角度向上火蔓延过程中火焰长度与热解长度和单位宽度热释放速率之间的拟合关系式,并依据修正瑞利数的值对不同倾斜角度PUR泡沫向上火蔓延过程的流动状态进行了划分,进而依照不同的流动状态将拟合关系式中幂指数的值进行了分类；由质量流率表达式以及临界熄灭条件出发,推导得到了火蔓延不能维持的临界修正瑞利数表达式；发现了PUR泡沫向下火蔓延速度和稳定质量流率在试样倾斜角度小于火蔓延速度转变角度范围内均与试样倾斜角度正弦值的1／3次方之间符合良好的线性关系；揭示了材料表面受热塌缩和熔融体流动两个因素对不同倾斜角度PS泡沫向上和向下火蔓延过程中火蔓延行为及特征规律的影响机理。
【作者】周洋；
【导师】孙金华；
【作者基本信息】中国科学技术大学，安全科学与工程，2014，博士
【关键词】硬质聚氨酯泡沫；聚苯乙烯泡沫；火蔓延；试样宽度；外加辐射强度；试样倾斜角度；

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