环境温度和风速对木材火蔓延及燃烧痕迹的影响

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随着我国社会经济和城市化的快速发展,人们使用的可燃物的种类和数量越来越多,导致火灾事故频繁发生,造成巨大经济损失和大量人员伤亡,还会对气候环境和生态系统造成不同程度的破坏。因此,预测火灾事故的发展规模、分析火灾痕迹,可对火灾防控、火灾救援和火灾调查提供重要的指导作用。可燃物的火蔓延过程决定了火灾的发展规模和造成的损失,所以深入探索可燃物的火蔓延过程对于防控火灾具有重要作用。同时,火蔓延过程中产生的热量、火焰和烟气的混合物作用于物体表面形成火灾痕迹,对火灾从发生到发展再到熄灭的全过程都有见证,因此分析燃烧痕迹有助于我们分析火灾的起火点以及起火原因,对火灾调查具有重要意义。本文对强迫对流顺风下表面火蔓延进行研究,探究环境温度和风速对火蔓延过程的影响,同时分析不同环境温度和风速下形成的火灾痕迹的区别并探究其规律。木材作为固体可燃物是非常普遍存在的,本文以细木工板这种典型的木材作为研究对象,根据《ASTM-E84-06建筑材料表面燃烧特性的实验方法》搭建的斯坦纳隧道炉作为实验平台,研究环境温度和风速对细木工板火蔓延的影响,并作理论分析。首先对固体可燃物火蔓延过程进行系统分析,对经典的火蔓延模型进行介绍,了解固体可燃物演变机制,为后文的实验研究分析提供理论基础。本文利用斯坦纳隧道炉实验平台,研究环境温度和风速对固体火蔓延的影响,分析CO浓度、CO2浓度、SO2浓度、NOx浓度、火蔓延速率、火蔓延距离、热释放速率、质量损失率、产烟率的变化特征,从传热传质角度分析火蔓延,并推导火蔓延速度与环境温度和风速之间的关系。观察在不同环境温度和风速下所形成的火灾痕迹,分析细木工板表面的痕迹的变化规律;同时对燃烧后的余烬用电子扫描显微镜(SEM)观察其微观形貌,从微观角度来分析环境温度和风速对顺风火蔓延的影响。主要研究结论如下:环境温度对细木工板火蔓延和火灾痕迹的影响:(1)随着环境温度升高,火蔓延距离和火蔓延速度逐渐增大,火蔓延速度与环境温度之间近似线性关系;(2)随着环境温度的升高,总体上产烟率峰值越来越小和热释放速率峰值逐渐增大;(3)随着环境温度的升高,CO和CO2产量越来越大,产生速率也越来越快;(4)随环境温度的升高,细木工板炭化块的大小逐渐变小,炭化块的数量增多,细木工板管胞纤维结构和木质素烧毁破坏更严重,烟熏痕迹越来浓。环境风速对细木工板火蔓延和火灾痕迹的影响:(1)随着风速的增大,火蔓延距离增大,在1.8m/s处,火蔓延距离下降;(2)在风速为0.4m/s-1.6m/s时,火蔓延速率随着风速的增大而增大,满足线性增长,在风速为1.6m/s-2.0m/s时,火蔓延速率骤增,近似指数增长;(3)环境风速的增大会导致CO和CO2产量越来越大;(4)在低风速时,风起助燃作用;超过一定范围后,风起吹熄作用;(5)风速的增加会导致细木工板的引燃时间变长,燃烧时间变短,随着风速增大,火源引燃细木工板的位置越往后。
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