耦合建筑外立面結(jié)構(gòu)影響的PU保溫材料火蔓延特性研究.pdf

1、近年來，隨著對(duì)節(jié)能建筑的需求越來越大，有機(jī)建筑外保溫材料被廣泛用于建筑外保溫領(lǐng)域。得益于其優(yōu)良的保溫性能和低廉的價(jià)格，聚氨酯成為了世界范圍內(nèi)使用的典型保溫材料之一，被廣泛應(yīng)用于建筑的保溫節(jié)能工程。然而此類建筑保溫材料本身極易燃燒，如果處理不當(dāng)，聚氨酯保溫材料以及其它類似的泡沫材料的使用可能會(huì)導(dǎo)致很高的建筑火災(zāi)危害。此外，建筑物的外立面設(shè)計(jì)也可能對(duì)保溫材料的火災(zāi)行為和火災(zāi)危害產(chǎn)生較大的影響。聚氨酯保溫材料的燃燒特性和火蔓延行為較為復(fù)雜，收

2、到許多因素如樣品的性質(zhì)，尺寸，環(huán)境參數(shù)，幾何構(gòu)等的影響。前人對(duì)某些因素對(duì)保溫材料火蔓延特性的影響進(jìn)行了一定程度的研究，但是對(duì)于建筑保溫材料火蔓延特性仍然需要進(jìn)行更深入的研究。
　　本文對(duì)試樣寬度，環(huán)境壓力共同作用對(duì)聚氨酯保溫材料火蔓延特性的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。同時(shí)，對(duì)于聚氨酯保溫材料的火蔓延機(jī)理進(jìn)行了理論分析。實(shí)驗(yàn)得到了火蔓延過程中固相和氣相的溫度分布。也得到了試樣寬度，環(huán)境壓力對(duì)聚氨酯表面火蔓延特性的擬合關(guān)系。結(jié)果顯示，即使壓力

3、不同，水平火焰蔓延的無量綱火焰高度與試樣寬度均成相同的-n次方冪律關(guān)系。而質(zhì)量損失速率與試樣寬度和環(huán)境壓力均成正幕律關(guān)系。此外，火蔓延速度與試樣寬度成負(fù)冪律關(guān)系，但與環(huán)境壓力成正幕律關(guān)系。對(duì)火蔓延過程中溫度分布的分析表明，火蔓延的預(yù)熱區(qū)可分為兩個(gè)區(qū)域:遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域和近場(chǎng)區(qū)域。兩個(gè)區(qū)域之間的差別是對(duì)流傳熱對(duì)材料表面的作用，在遠(yuǎn)場(chǎng)中對(duì)流區(qū)域的作用是冷卻，而在近場(chǎng)區(qū)域中則是加熱效果。另外，本文還對(duì)試樣寬度和環(huán)境壓力對(duì)火蔓延特性的影響進(jìn)行了傳熱理論

4、分析。理論分析得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在變化趨勢(shì)上相一致。
　　通過設(shè)計(jì)并進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)，研究了U型結(jié)構(gòu)以及壓力對(duì)聚氨酯保溫材料向下和向上火焰蔓延的影響。對(duì)火蔓延的特征參數(shù)如火蔓延速度，質(zhì)量損失速率和火焰高度進(jìn)行了分析。并對(duì)兩種情況進(jìn)行了理論分析，提出了在這兩種情況下的U型結(jié)構(gòu)對(duì)火蔓延特性影響的假說模型。
　　對(duì)于U型結(jié)構(gòu)向下火蔓延而言，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著U型結(jié)構(gòu)因子的增大，火蔓延速度和質(zhì)量損失速率逐漸增大，但是其增大的趨勢(shì)逐漸減

5、慢。相對(duì)于沒有邊墻的工況而言，有邊墻工況下火蔓延速度以及質(zhì)量損失速率比沒有的情況下的增幅最高分別約為20％和40％。而平均火焰高度隨著U型結(jié)構(gòu)因子的增加略有增大?；鹇铀俣龋鹧娓叨群唾|(zhì)量損失速率與環(huán)境壓力均成正相關(guān)。通過對(duì)U型結(jié)構(gòu)火蔓延過程的空氣卷吸機(jī)制進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在理論上，向下的火蔓延速度與U型結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)氣流速度成正比。而誘導(dǎo)氣流速度隨U型結(jié)構(gòu)因子和質(zhì)量損失速率的增加而增加，并隨背墻寬度的減小而減小。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。<

6、br>　　對(duì)于U型結(jié)構(gòu)向上火蔓延而言，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)U型結(jié)構(gòu)對(duì)向上火蔓延有顯著的影響。結(jié)果顯示無論在平原還是在高原上，火蔓延速度和質(zhì)量損失速率均隨U型結(jié)構(gòu)進(jìn)深的增加而增大。并且火焰蔓延到某一距離所用時(shí)間隨U型結(jié)構(gòu)因子的增大成負(fù)指數(shù)關(guān)系并存在上下邊界。可以推斷，上下邊界分別對(duì)應(yīng)于平面結(jié)構(gòu)情況和邊墻長(zhǎng)度無限長(zhǎng)的情況下的火焰蔓延到某一距離所用的時(shí)間。而上下邊界則可以用來評(píng)估和預(yù)測(cè)U型結(jié)構(gòu)的火蔓延行為。此外，平原的火蔓延速度比高原的高得多。理論分析表

7、明，U型結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)熱區(qū)熱反饋的增強(qiáng)作用以及空氣卷吸所誘導(dǎo)的氣體流動(dòng)是影響火蔓延特性的關(guān)鍵因素。另外，隨U型結(jié)構(gòu)加深而增強(qiáng)的誘導(dǎo)氣流的冷卻作用以及對(duì)燃燒效率的減小作用是形成火焰蔓延到某一距離所用時(shí)間的下邊界的原因。
　　為了研究小尺寸條件下U型結(jié)構(gòu)對(duì)火蔓延的影響的模型能否適用于實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合中，本文對(duì)此進(jìn)行了大尺寸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究大尺寸情況下建筑外立面U型結(jié)構(gòu)的火災(zāi)危害，并與小尺寸實(shí)驗(yàn)中U型結(jié)構(gòu)的火災(zāi)危害進(jìn)行了對(duì)比分析。通過大尺寸實(shí)驗(yàn)對(duì)小

8、尺寸實(shí)驗(yàn)的理論分析進(jìn)行檢驗(yàn)驗(yàn)證以更好地揭示U型結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制。結(jié)果表明，大尺寸條件下建筑外立面U型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)增加建筑的火災(zāi)危險(xiǎn)性:火蔓延速度和火焰高度隨結(jié)構(gòu)因子而增大?；鹧媛拥揭欢ň嚯x所需要的時(shí)間與結(jié)構(gòu)因子成指數(shù)下降趨勢(shì)。這與小尺寸實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的趨勢(shì)相同。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。
　　根據(jù)本文獲得的結(jié)果，隨材料尺寸的增大，PU保溫材料在實(shí)際應(yīng)用中的火災(zāi)危害將隨之增加，而這并不僅限于對(duì)建筑物的外墻保溫的場(chǎng)合。此外，實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合下