微重力強迫對流條件下高溫導線過載著火與火蔓延機制

項目面向空間站等載人航天器導線火災，利用落塔、低壓艙等實驗條件，針對微重力強迫對流條件下高溫導線過載的著火、火蔓延與煙霧特征，（1）首次發(fā)現(xiàn)了FEP導線噴射“球狀”著火的現(xiàn)象。將Pilot著火延遲時間劃分為氣泡破裂時間、氣相混合時間和化學反應時間，其中氣泡破裂時間包括熱解時間、氣泡形成時間，所占比例最大。建立了氣泡破裂時間與表面張力、絕緣皮厚度等相關關系，引入Damk?hler數(shù)，揭示了著火延遲時間隨環(huán)境壓力和氧氣濃度的演化規(guī)律和變化機理。同時，揭示了導線熱老化與氣壓對著火的影響機制，較低溫度與較高溫度熱老化分別造成導線絕緣皮結晶度與熱解溫度升高與降低，從而對導線著火延遲時間分別造成增大與減小的兩種不同效應，并且揭示了著火時間與壓力成“U”形曲線關系的兩種主控機制；（2）首次給出了低壓、不同氧氣濃度條件下PE導線火滴落與火蔓延的極限區(qū)間，揭示了導線火在熄滅極限狀態(tài)線芯隨氧氣濃度、氣壓變化“熱沉”與“熱源”的轉換機制；闡明了紫外老化對不同傾角ETFE高溫導線向上與向下火蔓延速率的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)紫外老化后導線熱解溫度降低，火蔓延速率加大，尤其對向上火蔓延影響更大。同時，建立了近熄滅極限區(qū)與冪指數(shù)區(qū)熱薄材料火蔓延不同的物理化學主控機制，并量化了兩個區(qū)域火蔓延速率與氣壓、氧氣之間的依賴關系，近熄滅極限非線性區(qū)，Damk?hler數(shù)較小，火蔓延為氣相動力學主控，火蔓延速度對氧氣深度依賴大；冪指數(shù)線性區(qū)Damk?hler數(shù)大，熱傳遞主控，火蔓延速度對壓力依賴相應增加；（3）針對微重強迫對流條件下FEP導線過載噴射火，熱泳采集了煙顆粒并進行了電鏡圖像分析，揭示了微重力強迫對流高溫導線碳黑煙顆粒初級粒子的分形凝并動力學規(guī)律。利用煙霧消光陰影圖像分析，闡明了微觀形譜參數(shù)（凝團回轉半徑、前置因子、分形維數(shù)）以及宏觀體積濃度的變化特征。這些研究為深入理解微重下導線火災的發(fā)生與發(fā)展機理，發(fā)展導線材料可燃極限研究方法以及火災探測技術，提供了重要的實驗與理論支撐。

針對微重力強迫對流條件下高溫導線過載FEP絕緣皮材料著火、火蔓延的過程，采用微重力落塔與低壓艙實驗手段，研究微重力強迫對流條件對熱解破裂固氣多相傳熱傳質(zhì)，以及氣泡表面張力梯度、粘性力梯度等主控生長動力學過程的影響機制，求解熱解破裂時間、噴射氣體速度等臨界參數(shù)與邊界條件的關系模型；研究高溫導線破裂噴射氣體擴散混合、氣相引導的物理與化學過程，揭示不同氧濃度、強迫氣流速度條件下，導線表面及碳黑輻射熱損速率、氣相化學反應及過載焦耳釋熱速率影響火蔓延的競爭作用機制，建立氣相著火延遲時間，以及碳黑輻射影響下火蔓延速度與強迫對流拉伸率（stretch rate）、Damkohler數(shù)等關系模型，為載人航天導線火災防治提供實驗與理論支撐。

1.熱力著火不僅與燃料的物理化學性質(zhì)有關，而且與系統(tǒng)的熱力條件有關。

2.放熱強烈時，放熱曲線將向上移動,從而使著火點（著火溫度）下降。

3.系統(tǒng)溫度高于Toi時，系統(tǒng)將在燃氣達到Toi時開始著火，并向穩(wěn)定燃燒方向發(fā)展。

4.著火點與系統(tǒng)所處熱力狀況有關，即使同一種燃氣，著火溫度也不是常數(shù)。

5.升高壓力將使反應物濃度增加，放熱強烈,因而使反應速度增加。

6.燃氣可燃成分濃度增加，著火點降低。

系統(tǒng)溫度為T0時，有2個交點，其中2點為不穩(wěn)定點。溫度升高或降低都會使系統(tǒng)向遠離2點的方向發(fā)展，如放熱﹥散熱，T將不斷升高；放熱﹤散熱，溫度將不斷降低。而1點卻是個穩(wěn)定點，當系統(tǒng)溫度逐漸升高時，M線將向右移動（如圖1所示）。當它們之間只有一個切點時，也就是系統(tǒng)穩(wěn)定的極限位置。系統(tǒng)溫度再高時，放熱將永遠大于散熱。 ?發(fā)熱曲線與散熱曲線的切點，稱著火點，相應與該點上的溫度稱為著火溫度或自燃溫度 。

1.煤塵云的著火溫度隨著煤塵粒徑的減小而降低，粒徑小于180目的煤塵著火溫度比40-100目煤塵的著火溫度低90℃。

2.煤塵層著火溫度隨煤塵粒徑的減小、煤塵層厚度的增加而降低。粒徑在100-120目范圍內(nèi)的煤塵層著火溫度比粒徑小于180目的煤塵層著火溫度低50-70℃；15mm厚的煤塵層著火溫度要比5mm厚的煤塵層著火溫度低20-40℃。

3.同一種類的煤塵，其層狀著火溫度比云狀著火溫度要低。本次實驗所選煤塵同一粒徑范圍內(nèi)，煤塵層著火溫度比煤塵云著火溫度要低170~ 200℃。

4.對于特定的粉塵云，著火源在一定的溫度或能量范圍內(nèi)，著火是不穩(wěn)定的，著火率是變化的，粉塵云的最低點火溫度是在一定的實驗次數(shù)條件下測得的，實驗次數(shù)越多，測得的結果越準確。在引用這些參數(shù)值指導生產(chǎn)時，還應考慮一定的安全系數(shù) 。2100433B

即可燃物開始燃燒。可燃物必須有一定的起始能量，達到一定的溫度和濃度，才能產(chǎn)生足夠快的反應速度而著火。大多數(shù)均相可燃氣體的燃燒是鏈式反應，活性屮間物的濃度 在其中起主要作用。如果鏈產(chǎn)生速度超過鏈中止速度，則活性中間物濃度將不斷增加，經(jīng)過一段時間的積累(誘導期)就自動著火或爆炸。著火溫度除與可燃混合物的特性有關外，還與周圍環(huán)境的溫度、壓力，反應容器的形狀、尺寸等向外散熱的條件有關。當氧化釋放的熱量超過系統(tǒng)散失的熱量時，燃料就會快速升溫而著火。這種同流動和傳熱有密切聯(lián)系的著火稱為熱力著火，它是多數(shù)燃料在燃燒設備內(nèi)所經(jīng)歷的著火過程。在燃料的活性較強、燃燒系統(tǒng)內(nèi)壓力較高和散熱較少的情況下，燃料的熱力著火溫度會變得低一些。在一定壓力下，可燃物有著火濃度的低限和高限，在這個范圍以外，不管溫度多高都不能著火。在大氣壓力下,某些可燃氣體在空氣中的著火性質(zhì)如附表所示。

工程中使用得較為普遍的著火方法是強迫著火，它是用外部能源或熾熱物體如電火花、引燃火炬、高溫煙氣回流等點燃冷的可燃物。在點燃部位首先出現(xiàn)火焰，然后通過湍流混合和傳熱,火焰鋒面逐漸擴展到整個可燃物。 強迫著火是由點火源向周圍可燃氣體加熱，因此點燃溫度要高于可燃物的自燃溫度。