环境压力对热厚固体材料表面火焰传播的影响

朱 凤，王双峰

环境压力对热厚固体材料表面火焰传播的影响

朱 凤1, 2，王双峰1, 2

(1. 中国科学院力学研究所中国科学院微重力重点实验室，北京 100190；2. 中国科学院大学工程科学学院，北京 100049)

环境压力；火焰传播；火焰熄灭；热厚材料

环境压力和氧气浓度是空间载人航天器设计时必须要考虑的两个参数．国际上，未来载人航天器舱内大气环境将优先考虑低总压(50～60kPa)、高氧气浓度(体积分数30%～34%)的非标准大气[1]．在我国的载人探月工程中，建议月球着陆停留阶段的总压保持(58±4)kPa，氧分压保持(21±2)kPa；登月服优先选用40kPa纯氧压力[2]．氧气浓度增加会使火焰温度升高，环境压力降低会使材料表面的对流散热减小，这使得低压环境中存在切实的火灾风险．掌握相应环境中材料的燃烧特性，对航天器的防火安全具有重要的意义．

在低压力环境下，火焰诱导的浮力流动速度减小，使得氧气在火焰中停留时间增大，但由于化学反应速率降低，化学反应时间增加，这使得气相化学反应在低压环境下成为影响火焰传播的主要因素[7]．火焰传播控制机理的改变使得在低压环境下的火焰传播过程表现出新的特点，但对这些特点的认识还不 清楚．

本文在不同环境压力下对热厚PMMA表面火焰传播进行研究，考察向上和向下的火焰传播特点．通过比较向上和向下两种火焰传播模式下的火焰熄灭极限和近压力极限附近的火焰传播特点，分析压力和氧气浓度对火焰传播的影响．在自然对流条件下，火焰向上传播的方向与自然对流方向相同，即同向传播；火焰向下传播的方向与自然对流方向相反，即逆向传播．

1 实验方法

燃烧实验过程在一个密封的实验舱内进行，如图1所示．实验舱直径为600mm，长920mm，体积约为260L．实验舱的左右和前面各有一个SiO2的玻璃窗口用于实验观测．实验舱的后面，有一个端口，用于连接电连接器和固定气体的进口和出口．实验系统由试样支撑系统、气体供给与控制系统、图像采集系统组成．实验布置如图2所示，实验时，实验样品固定在试样架上．对火焰向下传播实验，点火电热丝贯穿试样宽度方向，固定在试样表面的凹槽中，距离试样下游约5mm．试样架长212mm，宽71mm，以保证气流到达火焰前能充分发展．对火焰向上传播实验，试样的点火端敞开，以保证火焰同向传播过程中火焰根部气流充分．电热丝位于试样的下端，以减少火焰传播过程中电热丝对气流的影响．实验材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，试样厚10mm，长50mm，宽20mm，密度1.19g/cm3．为了减少实验过程中试样向试样架的热量损失，在试样架与试样之间填充0.5mm厚的云母片．在实验舱内距离试样约20cm的地方，放置一根K型热电偶，用于测量实验舱内的温度变化．测量结果表明实验过程中实验舱内的温度变化小于2℃．

图1 实验舱

图2 实验布置示意(单位：mm)

气体供给和控制系统用于提供所需要的压力和氧气浓度条件，包括绝对压力传感器、氧气浓度传感器、风扇、高压气瓶、真空泵和连接管线．压力传感器和氧气浓度传感器分别用于监测实验舱内的压力和氧气浓度．实验时，先排出实验舱内的空气至设定的压力，再充入氧气或氮气至最终的环境压力从而产生指定的氧气浓度和压力条件，实验舱内压力和氧气体积分数误差为±1%．在实验舱内部前后分别设置一个风扇，在充入气体后，打开风扇至少5min以保证气体能够充分混合．为了保证实验时气体充分静止，在风扇关闭至少5min后再进行点火．图像采集系统用于从正面和侧面记录试样点燃、火焰传播和熄灭的过程，包括一台彩色CMOS(PointGrey GS3-U3-41C6C-C)摄像机和一台数码摄像机(Sony DCR-TRV900E)．

实验所用的O2-N2混合气中氧气的体积分数O2分别为21%、30%、40%和50%，所用的环境压力最大为200kPa．实验时，每次降低舱内压力，直至不能获得稳定的火焰传播．为了获得火焰向下传播的极限氧气浓度，还对氧气浓度低于21%的情况进行了测量．

实验步骤如下：将试样安装在试样架上，试样架放置在实验舱中间位置的平台上．关闭实验舱的舱门．打开真空泵，排出实验舱内的压力至设定的压力值，压力稳定后，充入氧气或氮气至所需要的压力和氧气浓度．打开风扇，持续转动5min，使气体充分混合．之后，关闭风扇，气体充分静止后点火丝加电．用两台摄像机分别从正面和侧面记录试样点燃、火焰传播和熄灭的过程，记录帧率为25帧/s．根据获得的图像对材料的火焰传播过程进行分析，当火焰传播距离小于2cm时，认为此时的环境压力为该环境下火焰传播的极限压力．

2 结果分析与讨论

2.1 向下火焰传播

图3 向下传播火焰图像(＝40%)

图4 向下传播火焰示意

图5 火焰驻离距离随压力的变化

图6给出了不同氧气浓度时向下传播火焰的速度随压力的变化，为多次实验的算术平均结果．图中同时给出了Bhattacharjee等[7, 14]数值计算和实验测量的结果．氧气体积分数一定时，在本文研究的压力范围内，火焰传播速度随着压力的增大而增大．需要指明的是，在不同的氧气浓度下，火焰在固体材料表面传播时，存在着热薄固体向热厚固体转变的半厚度．实验、数值计算和理论分析研究发现[7, 15-16]，在氧气体积分数为21%的环境条件下，火焰在固体材料表面传播时，热薄向热厚转变的临界半厚度为5mm．氧气浓度升高，对应的临界厚度减小．氧气体积分数为50%时，临界厚度约为1mm．在氧气浓度不变时，临界厚度随着压力的降低而增加．氧气体积分数为50%，压力为25kPa时，临界厚度约2mm.在本文研究的氧气浓度和压力范围内，10mm厚度的试样可以认为是热厚材料．

图6 不同氧气浓度时火焰向下传播速度随压力的变化

火焰在固体表面传播时，当热辐射和化学反应影响都较小时，称之为火焰传播的热区，在该区域内，火焰向固相的热传导对火焰传播起主导作用．对热区逆向传播的火焰，Bhattacharjee等[7]给出了理论计算公式

式中：g、g和g分别为气相热传导率、气相密度和气相比热容；s为燃料热传导率；s和s为燃料密度和比热容；f为绝热火焰温度；v为燃料热解温度；∞为环境温度；eqv称为等效气流速度，表示火焰前锋位置处的流动速度，对垂直平板，de Ris[17]给出了等效气流速度的计算公式

式中：g为气相热扩散率；v为特征气相温度．

由于火焰温度与氧气浓度之间的关系可以近似为[18]

图7 火焰传播速度随()的变化

为了研究化学反应对火焰传播的影响，这里将火焰传播速度利用热区火焰传播理论进行无量纲处理，得到无量纲的火焰传播速度．通过计算数，将两者进行关联．图8给出了无量纲的火焰传播速度随数变化．从图8可以看出，＜100时，火焰传播速度随着数的增加而增加，这表明在该过程中气相化学反应对火焰传播有重要影响；在本文测试的范围内，＞100时，无量纲的火焰传播速度几乎不随数的变化而发生变化，这表明在该区域内，气相传热对火焰传播起到主导作用．

图8 无量纲火焰传播速度随Damköhler数的变化

2.2 向上火焰传播

图9 向上传播火焰图像(＝21%，p＝40kPa，图像对应相邻时刻，时间间隔均为40s)

图10 向上传播火焰根部位置随时间的变化(＝21%)

2.3 熄灭极限

在一定的氧气浓度下，当环境压力降低至某个极限值时，材料表面的火焰传播将不能维持．另一方面，在一定的环境压力下，当氧气的浓度降低至某个极限值时火焰不能维持．由氧气浓度和环境压力决定的火焰熄灭极限是衡量材料可燃性的重要特征参数，表示了材料的可燃极限范围．

图11给出了环境压力小于140kPa，氧气浓度低于50%范围内PMMA表面向上和向下传播火焰的熄灭极限曲线，对火焰向下传播，极限曲线的上方为火焰传播区域，曲线的下方为火焰熄灭区域．对火焰向上传播，火焰传播有两种模式：RFB(retreating flame base)和FR(fuel regression)．在燃料退化燃烧的区域，火焰根部稳定在点火位置，火焰长度不断增加；在火焰根部退后燃烧的区域，火焰根部向上移动，继续降低压力就会使火焰熄灭．

图11 PMMA表面向上和向下传播火焰的熄灭极限

3 结 论

(2) 对向上传播火焰，存在依赖于氧气浓度的临界环境压力，将火焰传播划分成两种传播模式：火焰根部退后传播和燃烧退化燃烧．当环境压力小于临界压力时，火焰为根部退后传播模式；当环境压力大于临界压力时，火焰为燃料退化燃烧模式．两种传播模式的转变压力随着氧气浓度的增加而降低．

(3) 热厚材料表面向上和向下传播火焰均存在由氧气浓度和环境压力决定的熄灭极限，在实验研究的参数范围内，随着氧气浓度或环境压力的增加，材料的可燃极限范围增大．对向上传播火焰，存在火焰根部退后传播区，该区域的存在使得向上传播火焰的可燃极限范围大于向下传播火焰，扩大了材料的可燃范围．

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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．

国家自然科学基金资助项目(U1738117)；中国科学院空间科学战略性先导科技专项资助项目(XDA04020410，XDA04020202-10).

朱 凤（1988—  ），女，博士研究生，zhufeng@imech.ac.cn.

王双峰，男，博士，研究员，sfwang@imech.ac.cn.