不同倾角和间距条件下平行双导线火蔓延实验研究_朱宗林.pdf

引用格式：朱宗林，陆凯华，贾欣苗，等不同倾角和间距条件下平行双导线火蔓延实验研究安全与环境工程，（）：，（）：不同倾角和间距条件下平行双导线火蔓延实验研究朱宗林，陆凯华，贾欣苗，徐华升，周勇雕（中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 ）摘要：航空导线存在于航空飞行器内各元器件之间以实现系统与零部件间的能量运输和信息传递，一旦导线发生故障极易引发火灾，开展航空导线火蔓延行为研究具有重要意义。选取线芯直径为 和、绝缘层厚度为 的两种聚乙烯绝缘铜导线（）为研究对象，通过导线火蔓延实验，探究不同倾角和间距条件下平行双导线火蔓延行为。结果表明：无论是单导线还是平行双导线，在导线倾角由 至 的变化过程中，火蔓延速率均为先减小后增大，当导线水平放置时火蔓延速率最低；平行双导线火蔓延行为与单导线显著不同，主要体现在当平行双导线间距增加时火蔓延速率首先增大，当平行双导线上火焰根部开始分离时火蔓延速率达到最大值，随后火蔓延速率减小，最终与单导线火蔓延速率趋于一致；倾斜放置的平行双导线更容易产生火蔓延现象，火蔓延速率也较同导线间距条件下水平放置的双导线更高，当导线间距为时倾斜放置的平行双导线可形成稳定火蔓延，而在较小的导线间距条件下火蔓延速率可达峰值，其危险性更强；通过视频分析和图像处理发现，平行双导线火蔓延速率与火焰根部宽度之间呈现明显的正相关关系。关键词：平行双导线；导线火；导线倾角；导线间距；火蔓延速率中图分类号：；文章编号：（）收稿日期：开放科学（资源服务）标识码（）：基金项目：国家自然科学基金项目（）作者简介：朱宗林（），男，硕士研究生，主要研究方向为线缆火灾。：通讯作者：陆凯华（），男，博士，副教授，主要从事火灾动力学方面的研究。：，（，（），）：，第 卷第期 年月安 全 与 环 境 工 程 ，：；航空导线广泛存在于航空航天器的电路及零件设备中，参与能量的输送、信息的传递，一旦导线过载、短路、绝缘老化损坏都有可能引发火灾，而在特定环境下火灾还可能点燃导线可燃绝缘层导致火灾快速扩散。世界航空航天飞行史上发生过数次由航空导线火灾造成的大型灾难事故，给人类利用空间资源、探索太空的行为蒙上了巨大的阴影。近年来，广大学者针对航空导线燃烧及火蔓延行为开展了大量的研究，主要以单根导线燃烧行为为主，并 提 出 了 相 应 的 理 论 模 型。如：等、等和 等模拟了常重力和微重力环境下，不同直径线芯、氧气浓度及线芯材料对热薄绝缘层导线火蔓延速率的影响，发现在微重力环境中，当氧气浓度大于 时，火焰传播速率高于常重力环境中的垂直向下火焰传播速率，且线芯直径越小，火蔓延速率越大，并认为在常重力环境中火蔓延速率是评估电线上火焰蔓延的熄灭特性的关键值，其控制着未燃区域的 热 量损失；等和 等在存在外部流及微重力条件下进行了火蔓延实验，发现在微重力环境中，速度为 的外部逆流对铜芯导线火蔓延行为无明显影响，并根据横向气流对电线绝缘层火焰蔓延和熄灭的作用，提出了基于特征长度（火焰基部宽度、气相特征长度）的分析模型。此外，等研究了水平与竖直导线熔融液滴滴落行为，等研究了通电聚乙烯导线火焰蔓延伴随的熔融液滴行为，发现熔融液滴的出现呈现周期性，并得到不同电流下导线熔融液滴滴落时间和滴落频率的变化规律；等 研究发现火焰沿单导线向下蔓延时，施加过高的电压和频率，熔融液滴滴落会导致火焰传播过程中的火焰熄灭，当火焰向上蔓延时，施加高电压和高频率会导致在多个位置形成球状液滴，多个小火焰段将从主火焰中喷出，降低了火焰传播速率；等 建立了导线上火焰点燃传播模型，系统地解释了从点火向火焰稳定传播的过渡机制；等 通过研究在低压环境中水平放置的导线火焰蔓延速率的变化规律，提出了对应于具有高热导率和低热导率导线火焰蔓延的“导线驱动”和“火焰驱动”两种火蔓延驱动模式；等 选用聚乙烯绝缘铜（）导线和聚乙烯绝缘镍铬芯（）导线在拉萨和合肥两地开展了低压条件下不同热导率内芯导线水平及倾斜放置时火蔓延行为研究，发现单导线倾斜程度越大，火蔓延速率也越大；王晓伟 对典型通电导线的燃烧特性和烟颗粒形谱特征进行了研究。从上述的研究成果来看，国内外针对导线火蔓延行为的研究大多仍局限于单导线，包括不同气压和倾角条件下导线火蔓延速率、熔滴滴落行为等，然而实际工程应用中，导线往往呈现双导线或多导线平行分布排列，但目前针对双导线乃至多导线火蔓延行为的研究仍十分有限。等 对两种无卤阻燃 导线开展了燃烧实验，发现增加导线间距会使导线点燃时间延长，且第一、第二个热释放速率峰值略微增大，而当导线间距大于 时，火灾特征参数基本不受距离的影响；陆勇 开展了平行双导线火蔓延的实验研究，从定性的角度分析了平行双导线火蔓延速率的变化规律，但未对平行双导线进行更加深入的研究。因此，本文将进一步探究导线倾角和导线间距对平行双导线火蔓延行为的影响，尝试从传热及火焰形态特征参数等多角度对平行双导线火蔓延行为进行探讨。实验设计本实验选择了两种不同线芯直径的导线，线芯材料为铜芯，外敷聚乙烯材料绝缘层，双导线通过导线火蔓延实验装置平行排布，导线尺寸如图所示。其中，为 导 线 间 距（）；为 导 线 线 芯 直 径（）；为导线绝缘层厚度（）。具体导线规格参数如表所示。图为由角钢拼接而成的平行双导线火蔓延实验装置，通过调节导线距离，角钢与角钢的间距以及相对高度，可实现双导线任意间距、之间任意角度的调节，从而实现平行双导线火蔓延实 验。为 了 使 双 导 线 同 步 点 燃，本 实 验 采 用 镍铬合金电阻丝材质的加热线圈作为点火安全与环境工程 ：第 卷图实验导线尺寸示意图 表实验导线规格参数 导线编号 图平行双导线火蔓延实验装置 装置，两线圈接入稳定后的 交流电压通过并联连接方式实现同时接电、断电。本研究选取了典型导线倾角和间距条件，针对上述两种导线开展了常压、无风环境下平行双导线火蔓延实验，同时设置了单导线火蔓延对照实验，用于验证前人关于单根导线倾斜放置时火蔓延研究得出的规律以及与本研究所得的平行双导线火蔓延规律进行比较分析。为了避免实验误差，每种工况进行次重复实验，具体实验工况设置如表和表所示。其中，实验导线倾角为负时为向下火蔓延实验；实验导线倾角为正时为向上火蔓延实验；实验导线倾角为 时为水平火蔓延实验。表不同导线倾角的实验工况设置 导线材质导线编号导线间距导线倾角（）、单根、表不同导线间距的实验工况设置 导线材质导线编号导线倾角（）导线间距、实验结果与讨论2.1平行双导线火蔓延行为分析由于导线倾角变化火蔓延行为相似，故此处仅截取导线在间距为 时不同倾角条件下稳定蔓延段平行双导线典型正面火焰形态图（见图）进行分析。为了便于比较及数据处理，将倾斜双导线火焰图旋转至导线水平方向再截取相同长度的实验段导线长度，火焰形态图中红色箭头为重力加速度的方向。图不同倾角条件下平行双导线典型正面火焰形态图（导线，导线间距为，图例大小为 ）（）第期朱宗林等：不同倾角和间距条件下平行双导线火蔓延实验研究由图可以看出：在平行双导线向上和向下火蔓延（和 ）时，随着导线倾斜程度逐渐增大，火焰沿导线方向被拉长，火焰宽度明显变大，火焰包裹的导线长度更长，同时火焰前锋处的外表面轮廓与导线之间的夹角变小，火焰更加贴近导线。图为本实验获取的不同间距条件下平行双导线典型侧面火焰形态图。实验中发现，当平行双导线紧贴在一起时，即导线间距为时，并不能形成导线火蔓延，此处不一并列出；而当导线间距逐渐增加后，火蔓延行为较为稳定。图不同导线间距条件下平行双导线典型侧面火焰形态图 由图可以看出：当水平、导线在间距小于 时，两根导线上的火焰完全融合，当导线间距为 时火焰根部出现微弱分离现象，而当导线间距为 时火焰根部分离明显；而倾斜导线间距为 时火焰根部出现微弱分离现象，当导线间距为 时火焰根部分离明显，而继续增加导线间距，当导线间距为 时火焰尖端已产生分离，直至导线间距为 时火焰已完全分离。此时，火焰尖之间空气卷吸强度较强，形成负压区，因而火焰呈现略微倾斜状态。同时，由于绝缘层燃烧不充分，导线火焰下方与导线之间存在熔融液滴。水平火蔓延时主要是在导安全与环境工程 ：第 卷线间距为 时出现熔融液滴滴落现象，如图所示，分别对应熔融液滴滴落前、滴落时、刚滴落完内的火焰形态变化，呈现一定的周期性。图平行双导线火蔓延熔融液滴滴落过程 当平行双导线向下火蔓延（）过程中存在较明显的熔融液滴沿导线滑落的现象，导线倾角增大，熔融液滴沿导线向下滑移的距离越大，火焰前锋区可以观察到或处熔融液滴；反之，平行双导线向上火蔓延（）过程中，火焰前锋区的熔融液滴滑落现象并不明显（见图），这将对导线火蔓延速率产生重要的影响。图平行双导线火焰前锋区的熔融液滴滑落现象 从上述现象可以看出，平行双导线火蔓延行为与单导线火蔓延行为并不相同，主要区别在于在不同导线间距条件下火焰的融合分离行为不一，火焰间卷吸作用机制与传热机制将产生本质性改变。为了便于后续的分析，定义符号为火蔓延速率，定义符号为不受扰动时的火焰根部宽度（被火焰包裹的导线长度），见图。不同导线倾角条件下平行双导线火蔓延速率分析图给出了不同导线倾角条件下平行双导线火蔓延速率分布曲线。由图可以看出：当平行双导线倾角由 向 变化过程中，火蔓延速率先减小后增大，整体呈图火蔓延速率及火焰根部宽度定义 图不同导线倾角条件下平行双导线火蔓延速率分布曲线 “”形；当导线水平放置，即导线倾角为 时火蔓延速率最低；在相同导线倾角条件下，向下火蔓延速率比向上火蔓延速率更高，即倾角为负时平行双导线的火蔓延速率随导线倾角的变化更为明显；此外，倾角为负时平行双导线的火蔓延速率明显大于单导线，其火灾危险性大大增加。分析原因认为：（）平行双导线火蔓延过程中火焰将对火焰前方预热区域进行传热，绝缘层预热区域单位时间获得的热量越多，瞬时火蔓延速率越快，反之，则火蔓延速率越慢；当导线倾斜放置时，火焰沿导线方向被拉长，同时火焰前锋处的外表面轮廓与导线之间的夹角变小，火焰距离导线表面的距离更近，火焰对导线未燃区的辐射、对流增强，导线瞬第期朱宗林等：不同倾角和间距条件下平行双导线火蔓延实验研究时热解速率加快，最终表现为火蔓延速率增大，火蔓延速率曲线呈现为“”形。（）火焰沿导线向下蔓延时火蔓延速率比向上蔓延时要快，主要是由于火焰向下蔓延过程中有熔融液滴出现，而熔融液滴在聚集、重力作用下沿导线滑行较长一段距离过程中不断放热直至凝固滴落，此过程导线未燃区域源源不断受到高温熔融液滴的预热，此种熔融液滴超前于火焰前锋的现象导致且加剧了火焰向下蔓延速率大于向上火蔓延速率的差异，这与 等的研究结论一致，而火焰向上蔓延熔融液滴滑落现象不明显，因而火焰向上蔓延的速率较慢；此外，火焰向下蔓延速率与向上蔓延速率的差异与导线的材质有关，铜芯导线是高热导率导体，在火焰向下蔓延时预热区域获得的热量主要来自于线芯的传热，即铜芯导线火蔓延过程中主要由“导线驱动”进行热量传递，其热传导的作用远大于火焰向上火焰蔓延时导线受内芯热传导的作用，使得火焰向下蔓延的速率大于向上蔓延的速率。不同导线间距条件下平行双导线火蔓延速率分析图给出了水平放置的平行双导线在不同导线间距条件下火蔓延速率分布曲线。图水平放置的平行双导线在不同导线间距条件下火蔓延速率分布曲线 由图可以看到：两种线芯直径的水平双导线火蔓延速率随导线间距的变化规律是相似的，均是先增大再逐渐减小，最终与单导线火蔓延行为趋于一致；当双导线完全贴合在一起时（即导线间距为时），火焰无法蔓延，原因在于导线之间的空气供给不足，氧气浓度较低致使火蔓延无法持续；而当导线间距为 时，水平放置的双导线火蔓延速率达到最大值，这与前文所述的导线分离现象相对应，在导线间距从增大为 的过程中，火焰根部逐渐分离，导线间空气卷吸强度增强，有更多的氧气进入双导线内部参与反应，因而燃烧更为充分，进而加剧向导线表面的传热，使绝缘层气化、消耗速度加快，火蔓延速率不断增大；当导线间距达 后，再增大导线间距并不能显著提高空气卷吸强度，而火焰的分离将降低火焰向导线的传热，因而导线间距继续增加火蔓延速率反而降低，这是由于当导线间距足够大后，火焰之