微重力強(qiáng)迫對(duì)流條件下高溫導(dǎo)線過載著火與火蔓延機(jī)制結(jié)題摘要

項(xiàng)目面向空間站等載人航天器導(dǎo)線火災(zāi)，利用落塔、低壓艙等實(shí)驗(yàn)條件，針對(duì)微重力強(qiáng)迫對(duì)流條件下高溫導(dǎo)線過載的著火、火蔓延與煙霧特征，（1）首次發(fā)現(xiàn)了FEP導(dǎo)線噴射“球狀”著火的現(xiàn)象。將Pilot著火延遲時(shí)間劃分為氣泡破裂時(shí)間、氣相混合時(shí)間和化學(xué)反應(yīng)時(shí)間，其中氣泡破裂時(shí)間包括熱解時(shí)間、氣泡形成時(shí)間，所占比例最大。建立了氣泡破裂時(shí)間與表面張力、絕緣皮厚度等相關(guān)關(guān)系，引入Damk?hler數(shù)，揭示了著火延遲時(shí)間隨環(huán)境壓力和氧氣濃度的演化規(guī)律和變化機(jī)理。同時(shí)，揭示了導(dǎo)線熱老化與氣壓對(duì)著火的影響機(jī)制，較低溫度與較高溫度熱老化分別造成導(dǎo)線絕緣皮結(jié)晶度與熱解溫度升高與降低，從而對(duì)導(dǎo)線著火延遲時(shí)間分別造成增大與減小的兩種不同效應(yīng)，并且揭示了著火時(shí)間與壓力成“U”形曲線關(guān)系的兩種主控機(jī)制；（2）首次給出了低壓、不同氧氣濃度條件下PE導(dǎo)線火滴落與火蔓延的極限區(qū)間，揭示了導(dǎo)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(zhuǎn)換機(jī)制；闡明了紫外老化對(duì)不同傾角ETFE高溫導(dǎo)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(dǎo)線熱解溫度降低，火蔓延速率加大，尤其對(duì)向上火蔓延影響更大。同時(shí)，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(xué)主控機(jī)制，并量化了兩個(gè)區(qū)域火蔓延速率與氣壓、氧氣之間的依賴關(guān)系，近熄滅極限非線性區(qū)，Damk?hler數(shù)較小，火蔓延為氣相動(dòng)力學(xué)主控，火蔓延速度對(duì)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(duì)壓力依賴相應(yīng)增加；（3）針對(duì)微重強(qiáng)迫對(duì)流條件下FEP導(dǎo)線過載噴射火，熱泳采集了煙顆粒并進(jìn)行了電鏡圖像分析，揭示了微重力強(qiáng)迫對(duì)流高溫導(dǎo)線碳黑煙顆粒初級(jí)粒子的分形凝并動(dòng)力學(xué)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(tuán)回轉(zhuǎn)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(dǎo)線火災(zāi)的發(fā)生與發(fā)展機(jī)理，發(fā)展導(dǎo)線材料可燃極限研究方法以及火災(zāi)探測(cè)技術(shù)，提供了重要的實(shí)驗(yàn)與理論支撐。

針對(duì)微重力強(qiáng)迫對(duì)流條件下高溫導(dǎo)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(shí)驗(yàn)手段，研究微重力強(qiáng)迫對(duì)流條件對(duì)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(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過程的影響機(jī)制，求解熱解破裂時(shí)間、噴射氣體速度等臨界參數(shù)與邊界條件的關(guān)系模型；研究高溫導(dǎo)線破裂噴射氣體擴(kuò)散混合、氣相引導(dǎo)的物理與化學(xué)過程，揭示不同氧濃度、強(qiáng)迫氣流速度條件下，導(dǎo)線表面及碳黑輻射熱損速率、氣相化學(xué)反應(yīng)及過載焦耳釋熱速率影響火蔓延的競(jìng)爭(zhēng)作用機(jī)制，建立氣相著火延遲時(shí)間，以及碳黑輻射影響下火蔓延速度與強(qiáng)迫對(duì)流拉伸率（stretch rate）、Damkohler數(shù)等關(guān)系模型，為載人航天導(dǎo)線火災(zāi)防治提供實(shí)驗(yàn)與理論支撐。

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

2.放熱強(qiáng)烈時(shí)，放熱曲線將向上移動(dòng),從而使著火點(diǎn)（著火溫度）下降。

3.系統(tǒng)溫度高于Toi時(shí)，系統(tǒng)將在燃?xì)膺_(dá)到Toi時(shí)開始著火，并向穩(wěn)定燃燒方向發(fā)展。

4.著火點(diǎn)與系統(tǒng)所處熱力狀況有關(guān)，即使同一種燃?xì)猓饻囟纫膊皇浅?shù)。

5.升高壓力將使反應(yīng)物濃度增加，放熱強(qiáng)烈,因而使反應(yīng)速度增加。

6.燃?xì)饪扇汲煞譂舛仍黾?，著火點(diǎn)降低。

系統(tǒng)溫度為T0時(shí)，有2個(gè)交點(diǎn)，其中2點(diǎn)為不穩(wěn)定點(diǎn)。溫度升高或降低都會(huì)使系統(tǒng)向遠(yuǎn)離2點(diǎn)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(diǎn)卻是個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)溫度逐漸升高時(shí)，M線將向右移動(dòng)（如圖1所示）。當(dāng)它們之間只有一個(gè)切點(diǎn)時(shí)，也就是系統(tǒng)穩(wěn)定的極限位置。系統(tǒng)溫度再高時(shí)，放熱將永遠(yuǎn)大于散熱。 ?發(fā)熱曲線與散熱曲線的切點(diǎn)，稱著火點(diǎn)，相應(yīng)與該點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(diǎn)火溫度是在一定的實(shí)驗(yàn)次數(shù)條件下測(cè)得的，實(shí)驗(yàn)次數(shù)越多，測(cè)得的結(jié)果越準(zhǔn)確。在引用這些參數(shù)值指導(dǎo)生產(chǎn)時(shí)，還應(yīng)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(dá)到一定的溫度和濃度，才能產(chǎn)生足夠快的反應(yīng)速度而著火。大多數(shù)均相可燃?xì)怏w的燃燒是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，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(shí)間的積累(誘導(dǎo)期)就自動(dòng)著火或爆炸。著火溫度除與可燃混合物的特性有關(guān)外，還與周圍環(huán)境的溫度、壓力，反應(yīng)容器的形狀、尺寸等向外散熱的條件有關(guān)。當(dāng)氧化釋放的熱量超過系統(tǒng)散失的熱量時(shí)，燃料就會(huì)快速升溫而著火。這種同流動(dòng)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(shè)備內(nèi)所經(jīng)歷的著火過程。在燃料的活性較強(qiáng)、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(huì)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(gè)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?xì)怏w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(qiáng)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?zé)煔饣亓鞯赛c(diǎn)燃冷的可燃物。在點(diǎn)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(kuò)展到整個(gè)可燃物。 強(qiáng)迫著火是由點(diǎn)火源向周圍可燃?xì)怏w加熱，因此點(diǎn)燃溫度要高于可燃物的自燃溫度。