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1、耦合建筑外立面结构影响的PU保温材科火蔓延特性研究近年来 , 随着对节能建筑的需求越来越大, 有机建筑外保温材料被广泛用于建筑外保温领域。得益于其优良的保温性能和低廉的价格, 聚氨酯成为了世界范围内使用的典型保温材料之一, 被广泛应用于建筑的保温节能工程。然而此类建筑保温材料本身极易燃烧, 如果处理不当 , 聚氨酯保温材料以及其它类似的泡沫材料的使用可能会导致很高的建筑火灾危害。此外, 建筑物的外立面设计也可能对保温材料的火灾行为和火灾危害产生较大的影响。聚氨酯保温材料的燃烧特性和火蔓延行为较为复杂, 收到许多因素如样品的性质 , 尺寸 , 环境参数 , 几何构等的影响。前人对某些因素对保温材
2、料火蔓延特性的影响进行了一定程度的研究, 但是对于建筑保温材料火蔓延特性仍然需要进行更深入的研究。本文对试样宽度 , 环境压力共同作用对聚氨酯保温材料火蔓延特性的影响进行了实验研究。同时 , 对于聚氨酯保温材料的火蔓延机理进行了理论分析。实验得到了火蔓延过程中固相和气相的温度分布。也得到了试样宽度, 环境压力对聚氨酯表面火蔓延特性的拟合关系。结果显示 , 即使压力不同 , 水平火焰蔓延的无量纲火焰高度与试样宽度均成相同的一 n 次方幂律关系。而质量损失速率与试样宽度和环境压力均成正幂律关系。此外 , 火蔓延速度与试样宽度成负幂律关系, 但与环境压力成正幂律关系。 对火蔓延过程中温度分布的分析表
3、明, 火蔓延的预热区可分为两个区域：远场区域和近场区域。两个区域之间的差别是对流传热对材料表面的作用, 在远场中对流区域的作用是冷却 , 而在近场区域中则是加热效果。 另外 , 本文还对试样宽度和环境压力对火蔓延特性的影响进行了传热理论分析。理论分析得到的结果与实验结果在变化趋势上相一致。通过设计并进行两组实验 , 研究了 U 型结构以及压力对聚氨酯保温材料向下和向上火焰蔓延的影响。对火蔓延的特征参数如火蔓延速度, 质量损失速率和火焰高度进行了分析。并对两种情况进行了理论分析, 提出了在这两种情况下的U 型结构对火蔓延特性影响的假说模型。对于 U 型结构向下火蔓延而言 , 实验结果显示 , 随
4、着 U 型结构因子的增大 , 火蔓延速度和质量损失速率逐渐增大, 但是其增大的趋势逐渐减慢。相对于没有边培的工况而言 , 有边培工况下火蔓延速度以及质量损失速率比没有的情况下的增幅最高分别约为20%和 40%。而平均火焰高度随着U 型结构因子的增加略有增大。火蔓延速度, 火焰高度和质量损失速率与环境压力均成正相关。通过对 U 型结构火蔓延过程的空气卷吸机制进行分析发现, 在理论上 , 向下的火蔓延速度与U 型结构的诱导气流速度成正比。 而诱导气流速度随U 型结构因子和质量损失速率的增加而增加, 并随背墙宽度的减小而减小。理论分析与实验结果符合较好。对于U 型结构向上火蔓延而言 , 实验发现 U
5、型结构对向上火蔓延有显著的影响。结果显示无论在平原还是在高原上, 火蔓延速度和质量损失速率均随U 型结构进深的增加而增大。 并且火焰蔓延到某一距离所用时间随U 型结构因子的增大成负指数关系并存在上下边界。可以推断 , 上下边界分别对应于平面结构情况和边墙长度无限长的情况下的火焰蔓延到某一距离所用的时间。 而上下边界则可以用来评估和预测U 型结构的火蔓延行为。此外 , 平原的火蔓延速度比高原的高得多。理论分析表明 ,U 型结构对预热区热反馈的增强作用以及空气卷吸所诱导的气体流动是影响火蔓延特性的关键因素。另外 , 随 U 型结构加深而增强的诱导气流的冷却作用以及对燃烧效率的减小作用是形成火焰蔓延
6、到某一距离所用时间的下边界的原因。为了研究小尺寸条件下 U 型结构对火蔓延的影响的模型能否适用于实际应用场合中 , 本文对此进行了大尺寸实验验证 , 研究大尺寸情况下建筑外立面 U 型结构的火灾危害 , 并与小尺寸实验中 U 型结构的火灾危害进行了对比分析。通过大尺寸实验对小尺寸实验的理论分析进行检验验证以更好地揭示U 型结构的影响机制。结果表明 , 大尺寸条件下建筑外立面 U 型结构设计会增加建筑的火灾危险性：火蔓延速度和火焰高度随结构因子而增大。火焰蔓延到一定距离所需要的时间与结构因子成指数下降趋势。 这与小尺寸实验的结果的趋势相同。理论分析和实验结果符合较好。 根据本文获得的结果 , 随材料尺寸的增大 ,PU保温材料在实际应用中的火灾危害将随之增加, 而这并不仅限于对建筑物的外墙保温的场合。此外 , 实际应用场合下 , 建筑物外立面 U 型结构将极大地加快火蔓延速度, 这会增加建筑的火灾隐患。 本文得到的结果可用于聚氨酯保温材料火灾行为的预测和建筑火灾危害的评估中。同时也对建筑的安全设计具有指导意义。