2024年4月6日发(作者：映众显卡怎么样)

材料厚度对火焰向下传播特性的影响

朱凤;王双峰;李丹

【摘 要】在常重力静止空气环境中对厚度连续变化的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)

平板表面火焰向下传播进行实验研究,分析了材料厚度对火焰传播特性的影响.结果

表明,材料厚度增加时,火焰长度和材料热解长度单调增加,而当材料厚度减小时,材料

热解长度和火焰长度先增加后减小.在这两种情况下,均存在热薄材料和热厚材料的

转变厚度,其值与文献中使用均匀厚度材料得到的实验结果及理论预测一致;材料厚

度小于该转变厚度时,火焰传播速度与材料厚度呈反比关系,大于该厚度时,火焰传播

速度不随材料厚度变化,这分别符合热薄材料和热厚材料火焰传播速度的理论模

型.%Experiments were conducted in a quiescent air environment at normal

gravity to investigate downwardflame spread over a

polymethylmethacrylate (PMMA)sheet whose thickness varies continuously

along its length,and the effect of fuel thickness on flame spread was

experimental results show that,with increasingfuel

thickness,both flame length and pyrolysis length increase

monotonically,while both parameters increasefirst and then decrease when

the fuel thickness transition between thermally-thin and

thermallythickfuel regime is found in both cases,and the transition

thickness agrees well with both previously publishedexperimental result

obtained for uniform fuel samples and theory the fuel

section whose thickness issmaller than the transition thickness,the flame

spread rate is inversely proportional to sample thickness,while forthe

thicker section the flame spread rate is independent of fuel

relationships between flame spreadrate and fuel thickness revealed by the

present experiments agree well with the theoretical models for

thermallythinfuel and thermally-thick fuel,respectively.

【期刊名称】《燃烧科学与技术》

【年(卷),期】2018(024)001

【总页数】6页(P21-26)

【关键词】火焰传播;热薄材料;热厚材料;转变厚度

【作 者】朱凤;王双峰;李丹

【作者单位】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;

中国科学院大学工程科学学院,北京 100049;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;中国科学院大学工程科学学院,北京 100049;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;中国科学院大学工程

科学学院,北京 100049

【正文语种】中 文

【中图分类】TK16

火焰沿着固体材料表面传播的特性受到材料属性的影响，如材料的形状、厚度等

[1-8]．关于材料厚度对火焰传播行为的影响，de Ris[1]首先通过理论计算推导出

热薄材料和热厚材料表面火焰传播速度与厚度之间的关系，即热薄材料表面火焰传

播速度随着材料厚度的增加而降低，火焰传播速度与材料厚度呈反比，而热厚材料

表面火焰传播速度不受材料厚度变化的影响．在相同的外界气流条件下，具有热厚

特性的材料表面火焰传播速度要小于具有热薄特性的材料的表面火焰传播速度，这

得到了实验证实[2-7]．

目前关于材料厚度对火焰传播影响的研究仍不完善，火焰传播速度随着厚度变化的

规律是使用单一厚度的样品进行实验得到的[3,6-7,9-13]．Ayani等[13]对单一厚

度的平板试样表面火焰传播进行了研究，证实了火焰传播速度与厚度倒数之间的线

性关系. Bhattacharjee等[6,11]通过实验和数值计算得出在空气中自然对流条件

下，材料热薄和热厚的转变半厚度约为5.2,mm．Jomaas等[12]对具有一定形状

结构的试样进行实验，结果表明，有凹槽的试样表面火焰传播速度是平板试样表面

传播速度的2倍，随着凹槽宽度的增加，火焰传播速度先增加后降低；而试样厚

度突然增加或突然降低时，火焰的形状结构之间也存在差别．厚度连续变化是一种

常见的材料构型，此时表面火焰传播的规律并不清楚，火焰传播对厚度变化的响应

特性尤其值得关注．

本文对厚度连续变化的材料进行火焰传播实验，研究厚度变化对材料表面火焰传播

特性的影响．通过对不同厚度变化率的材料进行实验，获取材料由薄向厚变化和由

厚向薄变化时的火焰传播现象，分析火焰传播速度、火焰长度和材料热解长度等的

变化规律，以及火焰传播特性对厚度变化的响应．

1 实验方法

实验布置示意和试样的放置情况如图1所示.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)试样总长

230,mm，宽度60,mm、细端厚度0.5,mm、粗端厚度从13.75～23,mm不等，

细端的角度θ分别为4°、5°和6°，加工误差约±0.4°．实验所用试样的尺寸特征

见表1．为了保证火焰的二维性，试样的两侧分别用不锈钢片夹住边缘，不锈钢片

的宽度为20,mm，因此用于燃烧的试样宽度为20,mm．同时，不锈钢片起到支

架支撑作用．试样底端距离实验台表面约40,cm，以保证试样处于开放空间

中．为了避免实验时燃烧产物的污染，将装置放置在通风柜中，通风柜不密封，以

保证氧气供给．为了避免通风对实验的影响，实验时，关闭排风系统，实验结束后

打开排风系统进行通风．实验分两种情况：一种是试样细端向上放置，即材料由薄

向厚变化(Δτ＞0)；另一种是粗端向上放置，即材料由厚向薄变化(Δτ＜

0)．PMMA主要物理特性参数如表2所示．

图1 实验布置示意Fig.1 Schematic of the experimental setup

实验时将试样固定在试样架上，利用点火丝对试样的上端进行点火，使火焰沿着试

样表面逆风向下传播．在现场观察记录的同时，用CCD摄像机从正面记录试样点

燃和火焰传播的过程，用于进一步分析，图像记录频率为25 帧/s．通过图像可以

分析得到火焰传播速度、热解长度和火焰长度等火焰特征参数．同一条件下，实验

重复进行2～3次．在处理数据时，为了保证火焰达到稳定状态，试样上端

20,mm长度的部分不进行处理．

表1 试样尺寸Tab.1 Configuration of test samples工 况细端厚度/mm粗端厚

度/mm变化角度/(°)有效宽度/mm 1 0.50 14.0 4 20 2 0.50 18.6 5 20 3 0.50

22.8 6 20

表2 PMMA物理特性参数Tab.2 Physical properties of PMMA参 数 数 值 参

考文献密度ρ/(kg·m-3) 1,190 [13]比热c/(J·kg-1·K-1) 1,465 [13]热传导率

λs/(W·m-1·K-1) 0.21 [13]热解温度Tv/K 673 [13]参考热扩散速率α*/(cm2·s-1)

2.13 [8]

2 结果分析与讨论

2.1 火焰传播现象

图2是火焰传播过程中的典型火焰形态，对应的是细端向上(θ＝5°)和粗端向上(θ

＝4°)的情况．在本文的研究中，火焰长度和材料热解长度的定义如图2所示，对

细端向上的试样，由于在火焰传播过程中，火焰形态基本为层流火焰，以PMMA

表面火焰传播方向上的最大火焰长度为火焰长度，可以观测到的热解部分的上边缘

到火焰前锋位置为热解长度．对粗端向上的试样，火焰向下逆风传播过程中，试样

的边缘被夹板夹住的部分也会出现火焰，由于浮力的作用，使得火焰燃烧剧烈，出

现“Y”形火焰，火焰中间平面至火焰前锋的距离定义为中间火焰长度，火焰的最

大长度定义为最大火焰长度．

图2 火焰特征尺寸和材料热解长度的定义Fig.2 Definition of the characteristic

flame length and pyrolysis length

材料由薄向厚变化(Δτ＞0)时，火焰传播过程中的典型图像如图3(a)所示．在火焰

传播初期，是稳定的层流燃烧火焰，随着试样厚度的增加，火焰出现跳动，直接表

现为火焰长度的变化．热解长度和火焰长度随厚度的变化如图4所示．结果表明，

随着火焰逆风向下传播，热解长度随着厚度的增加不断增加，火焰长度也随之增

加．在特定的厚度时，热解长度的变化速率随着厚度变化率的增加而减小．随着火

焰向下传播，火焰长度也逐渐增加．这种变化表明，在火焰传播过程中，热解长度

和火焰长度都没有达到稳定．在材料厚度小于5,mm时，火焰长度几乎线性增加，

但随着材料厚度的增加，火焰出现跳动，火焰长度出现波动．结果还表明，在特定

的厚度时，随着厚度变化率的增加，火焰的长度变短．热解长度和火焰长度随厚度

及厚度变化率的变化表现出相同的变化趋势．

图3 火焰传播过程中的典型图像Fig.3 Typical images of a spreading flame

图4 材料由薄向厚变化时材料热解长度和火焰长度随厚度的变化Fig.4Variation

of pyrolysis length and flame length with increasing fuel thickness

材料由厚向薄变化(Δτ＜0)时，火焰传播过程中的典型图像如图3(b)所示．与厚度

连续增加(Δτ＞0)时不同，在着火后的初始阶段，就形成了剧烈燃烧的火焰，火焰

燃烧过程中出现明显的随机跳动现象，火焰更加旺盛，火焰长度随机变化．这种现

象一直持续到燃烧结束．热解长度和火焰长度随着厚度的变化如图5所示．为了

显示火焰传播随着时间的变化，在给出两个特征尺度与厚度的变化关系时，采用了

逆序的横轴坐标．对θ＝6°的试样，火焰由热厚向热薄传播时，火焰长度的不规则

跳动更加明显，所以此处没有统计火焰长度．当火焰传播至试样厚度10,mm左右

时，火焰包裹了试样，热解区长度不能明确读出，所以也没有统计热解长度的变化．

材料厚度由厚向薄变化(Δτ＜0)时，火焰热解长度随着厚度的减小出现先增加后减

小的变化规律．火焰传播过程中，火焰中间部分的长度随着厚度的变化规律与热解

长度相同．最大火焰长度随着火焰向下传播不断增加．与前一种情况相比，厚度连

续减小(Δτ＜0)时，火焰长度的变化更加明显，这就表明随着火焰向下传播，剧烈

燃烧的火焰引起的浮力作用更加强烈．

图5 材料由厚向薄变化时材料热解长度和火焰长度随厚度的变化Fig.5 Variation

of pyrolysis length and flame length with decreasing fuel thickness

2.2 火焰传播速度

根据火焰传播过程的图像记录，可以获得不同时刻火焰锋面位置，从而计算火焰传

播速度．对实验获得的图像，选取火焰的中心线对火焰锋面进行跟踪，从而得到火

焰位置随时间的变化．在读取火焰位置随时间的变化时，选取火焰离开试样上端大

于20,mm距离后的时间作为初始时间．图6(a)和(b)分别给出了厚度连续增加的3

种试样和厚度连续减小的3种试样(θ为4°、5°、6°)的火焰锋面相对位置随时间的

变化．对厚度连续增加的材料表面的火焰传播实验，在火焰稳定传播后的1,000,s

内，火焰位移随时间的增加速率逐渐减小，这表明在试样厚度较小时火焰的传播速

度随厚度的增加逐渐减小．在大约1,000,s后，火焰稳定向前传播，火焰位置与时

间存在较好的线性关系，即随着试样厚度的增加，火焰保持稳定的传播速度．当材

料厚度连续减小时，在火焰稳定传播后大约2,400,s内，火焰位移随时间线性增加，

即随着试样厚度的降低，火焰保持稳定的传播速度．大约2,400,s后，火焰位移随

着时间的增加速率变大，这表明随着试样厚度的减小，火焰传播速度增加．在火焰

位移随时间线性变化区域，对数据进行线性拟合，拟合直线的斜率即表示火焰的传

播速度．火焰锋面位移随时间不是线性变化的部分，对曲线拟合后，求取各点的斜

率，得到火焰传播的瞬时速度．

图6 火焰锋面位置随时间的变化Fig.6 Position of flame leading edge as a

function of time

图7(a)和(b)分别是由厚向薄变化(Δτ＜0)和由薄向厚变化(Δτ＞0)两种情况时不同

厚度变化率的试样表面火焰传播速度随厚度的变化，图中同时给出了Ayani等[13]

对单一厚度的试样(最大厚度10,mm，最小厚度1,mm)逐一测试得到的火焰传播

速度结果．两种情况下，在厚度小于10,mm的范围内，测量的火焰传播速度与用

单一厚度的试样测得的火焰传播速度几乎相同，在厚度变化率不同时，测量的火焰

传播速度差别不大，几种情况下火焰传播速度的微小差别是由于实验误差引起的．

de Ris[1]给出的热薄材料和热厚材料热区表面火焰传播速度的计算公式为

式中：λg为气相热传导率；ρg为气相密度；cg为气相比热容；λs为燃料热传导

率；ρs和cs为燃料密度和比热容；Tf为绝热火焰温度；Tv为燃料热解温度；T∞

为环境温度；Veqv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[1]给出了等效气流速度的计算公式为

公式(1)和(2)预测的火焰传播速度随厚度的变化曲线也标示在图7中．对于薄材料，

在厚度变化率不同时火焰传播速度随厚度变化趋势与理论预测一致，即火焰传播速

度随着厚度的增加而降低，整体来看，火焰传播速度与厚度倒数呈线性关系，即实

验结果小于理论预测结果是由于理论计算模型中假设了气流速度均匀分布以及火焰

附着在固体材料表面等，这种假设会给火焰传播速度的理论预测带来严重的误差，

与实验结果相比，最大可达10倍[5]．

图7 火焰传播速度随试样厚度的变化Fig.7 Flame spread velocity as a function

of fuel thickness

对热厚材料，外界环境条件(氧气浓度和气流速度)一定时，火焰传播速度与厚度无

关，根据公式(2)和(3)计算出的火焰传播速度为0.041,mm/s．本文实验结果表明，

在试样的热厚部分火焰传播速度约为0.041,mm/s，并在一个较小的范围内波动，

这与理论预测相符合．Fernandez-Pello等[2]对厚度为10,mm的PMMA进行实

验，测得的火焰传播速度约为0.042,mm/s，也与本文结果一致．

2.3 热薄材料和热厚材料之间的转变

由图7可知，火焰沿厚度连续变化的固体材料表面传播过程中，存在一个转变厚

度，试样厚度小于该厚度时，火焰传播速度随着厚度的增加而减小；大于该厚度时，

火焰传播速度不随厚度的变化而变化．该厚度即材料由热厚向热薄转变的厚度．

当热薄材料厚度达到其厚度的上限时，材料将会向热厚材料转变，此时利用热薄材

料火焰传播速度理论的预测结果应与用热厚材料火焰传播速度预测结果相

等．Bhattacharjee等[6]得到热薄和热厚的转变半厚度为

无量纲化后得到

利用式(4)计算得到的临界厚度约为5.1,mm，用式(5)对图7中的实验数据进行处

理，得到无量纲的火焰传播速度与试样厚度之间的关系，如图8所

示.Bhattacharjee等[6]理论预测结果高于实验结果，这是由于实际的化学反应受

到有限化学反应速率的影响.在Γ≥1时，火焰传播速度保持不变，当Γ＜1时，火

焰传播速度随着Γ的增加而降低．这种变化规律对所有厚度变化率的试样都适

用．也就是说，对所有厚度变化率的试样，不管材料厚度连续增加还是连续降低，

热厚和热薄的转变半厚度都约为5.1,mm．Bhattacharjee等[11]在热区火焰传播

理论的基础上，推导出自然对流条件下热厚和热薄材料的转变厚度计算公式，

PMMA材料的转变半厚度为5.2,mm，这与实验结果符合得很好．

图8 无量纲火焰传播速度随无量纲材料厚度的变化Fig.8Non-dimensional flame

spread velocity as a function of non-dimensional fuel thickness

T’ien等[8]考虑材料热传导的特征厚度以及特征时间尺度，通过量纲分析得到热

薄和热厚材料的转变半厚度为

将表2中PMMA材料的物理特性参数代入该式可得τcrit＝5.7,mm，与本文结果

基本相同．这表明，用厚度连续变化的试样测试得到的热厚和热薄的转变厚度与用

均匀厚度试样逐一进行测试的结果是一致的，从而可提供一种确定热厚和热薄材料

转变厚度的快捷方法．

3 结 论

(1) 当材料厚度连续增加时，火焰长度和材料热解长度单调增加，而当材料厚度连

续减小时，火焰长度和材料热解长度先增加后减小．

(2) 厚度连续增加或减小时，对于空气环境中向下传播的火焰而言热薄和热厚

PMMA之间发生转变的临界半厚度均约为5.1,mm，与文献中使用均匀厚度材料

得到的实验结果以及相应的理论预测结果一致．

(3) 当材料厚度小于转变厚度时，火焰传播速度与材料厚度呈反比关系，大于该厚

度时，火焰传播速度与材料厚度无关，这符合热薄材料和热厚材料火焰传播速度的

理论模型．

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