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，隨著對節(jié)能建筑的需求越來越大，有機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)計也可能對保溫材料的火災(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。前人對某些因素對保溫材料火蔓延特性的影響進行了一定程度的研究，但是對于建筑保溫材料火蔓延特性仍然需要進行更深入的研究。
　　本文對試樣寬度，環(huán)境壓力共同作用對聚氨酯保溫材料火蔓延特性的影響進行了實驗研究。同時，對于聚氨酯保溫材料的火蔓延機理進行了理論分析。實驗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冪律關(guān)系，但與環(huán)境壓力成正幕律關(guān)系。對火蔓延過程中溫度分布的分析表明，火蔓延的預(yù)熱區(qū)可分為兩個區(qū)域:遠場區(qū)域和近場區(qū)域。兩個區(qū)域之間的差別是對流傳熱對材料表面的作用，在遠場中對流區(qū)域的作用是冷卻，而在近場區(qū)域中則是加熱效果。另外，本文還對試樣寬度和環(huán)境壓力對火蔓延特性的影響進行了傳熱理論

4、分析。理論分析得到的結(jié)果與實驗結(jié)果在變化趨勢上相一致。
　　通過設(shè)計并進行兩組實驗，研究了U型結(jié)構(gòu)以及壓力對聚氨酯保溫材料向下和向上火焰蔓延的影響。對火蔓延的特征參數(shù)如火蔓延速度，質(zhì)量損失速率和火焰高度進行了分析。并對兩種情況進行了理論分析，提出了在這兩種情況下的U型結(jié)構(gòu)對火蔓延特性影響的假說模型。
　　對于U型結(jié)構(gòu)向下火蔓延而言，實驗結(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，但是其增大的趨勢逐漸減

5、慢。相對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?，火焰高度和質(zhì)量損失速率與環(huán)境壓力均成正相關(guān)。通過對U型結(jié)構(gòu)火蔓延過程的空氣卷吸機制進行分析發(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。理論分析與實驗結(jié)果符合較好。<

6、br>　　對于U型結(jié)構(gòu)向上火蔓延而言，實驗發(fā)現(xiàn)U型結(jié)構(gòu)對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)進深的增加而增大。并且火焰蔓延到某一距離所用時間隨U型結(jié)構(gòu)因子的增大成負指數(shù)關(guān)系并存在上下邊界?？梢酝茢?，上下邊界分別對應(yīng)于平面結(jié)構(gòu)情況和邊墻長度無限長的情況下的火焰蔓延到某一距離所用的時間。而上下邊界則可以用來評估和預(yù)測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)對預(yù)熱區(qū)熱反饋的增強作用以及空氣卷吸所誘導(dǎo)的氣體流動是影響火蔓延特性的關(guān)鍵因素。另外，隨U型結(jié)構(gòu)加深而增強的誘導(dǎo)氣流的冷卻作用以及對燃燒效率的減小作用是形成火焰蔓延到某一距離所用時間的下邊界的原因。
　　為了研究小尺寸條件下U型結(jié)構(gòu)對火蔓延的影響的模型能否適用于實際應(yīng)用場合中，本文對此進行了大尺寸實驗驗證，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，并與小尺寸實驗中U型結(jié)構(gòu)的火災(zāi)危害進行了對比分析。通過大尺寸實驗對小

8、尺寸實驗的理論分析進行檢驗驗證以更好地揭示U型結(jié)構(gòu)的影響機制。結(jié)果表明，大尺寸條件下建筑外立面U型結(jié)構(gòu)設(shè)計會增加建筑的火災(zāi)危險性:火蔓延速度和火焰高度隨結(jié)構(gòu)因子而增大。火焰蔓延到一定距離所需要的時間與結(jié)構(gòu)因子成指數(shù)下降趨勢。這與小尺寸實驗的結(jié)果的趨勢相同。理論分析和實驗結(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保溫材料在實際應(yīng)用中的火災(zāi)危害將隨之增加，而這并不僅限于對建筑物的外墻保溫的場合。此外，實際應(yīng)用場合下