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阴燃

/smoldering/
最后更新 2023-02-02
浏览 288
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缓慢、低温、无焰的燃烧形式。

英文名称
smoldering
所属学科
工程热物理及动力工程

阴燃持续时间较长,由固体燃料表面的氧化反应提供使之维持的热量。多发生于多孔材料中,如纤维素、聚氨酯泡沫或泥炭等。最常见的阴燃例子就是香烟的燃烧。从动力学的角度来讲,阴燃涉及多步热化学反应,包括多孔物质热解产生可燃气体、焦炭、灰分(不再参与反应),随后可燃气体和焦炭分别发生氧化反应,其中气体产物的氧化反应可导致阴燃向明火的转化。

根据氧气供应和阴燃传播的相对方向,阴燃可分为正向阴燃和逆向阴燃两种。当氧气供应和阴燃前锋传播的方向相同时,为正向阴燃;反之,则为逆向阴燃。

阴燃的主要研究方法为动力学模拟及实验模拟。阴燃的实验模拟始于19世纪30年代,场景是煤矿中煤尘的阴燃。之后的二十年间,陆续有研究对粉尘和多孔纤维材料的阴燃速率进行实验模拟。直至1967年,日本学者金原寿郎等人首次基于滞留层假设及热动力学理论构建了阴燃传播速率的预测模型,促进了阴燃的动力学模拟研究。至1977年及随后的十多年间,大量研究工作陆续出现。尤其是美国国家标准技术研究所的T.J.奥乐米勒博士,其发展的多步热化学反应动力学模拟方法及相应的实验模拟方法,推动了阴燃模拟的进一步发展。21世纪以来,遗传算法等方法也不断被应用于阴燃的模拟,进一步提高了动力学模拟与实验模拟结果的准确性。阴燃动力学模拟已经由早期的一维模型扩展到二维模型,对正向及逆向阴燃等均实现了准确的模拟工作。

阴燃的传播受多方面的因素影响,包括:①固体材料的性质及尺寸。质地松软、细微、杂质少的材料阴燃性能好,主要由于该类材料保温、隔热性能好,热量不容易散失,如棉花的阴燃等。②外加空气流速度。空气流动促进了氧气向阴燃区的传输,还增加了区域间热量的传递,特别是对于大粒径的粉尘,这种影响的效果更明显,当然如果空气流速过大,阴燃就会转变为有焰燃烧。③阴燃的传播方向。相同环境下,向上传播的阴燃速度最快,水平传播的次之,向下传播速度最慢。

阴燃不仅是住宅火灾、工业火灾的一大主因,还是自然界中森林火灾的主要诱因之一。家居、商场在装修过程中大量使用的易燃、可燃高分子材料,如软质聚氨酯泡沫,导热性极差、容易造成热量积累,很容易因为随意丢弃的烟头或者电火花就引起阴燃,而且能持续数个小时,因现象不明显而难以被发现,极易造成分解性燃烧,产生氰化氢、一氧化碳等剧毒性气体,使人吸入后几秒钟就中毒身亡,且燃烧产生大量烟气,降低空间能见度,使人失去逃生能力。泥炭和煤层中的阴燃是地球上蔓延最广、持续最久的燃烧现象,它使古老的固定碳分解,释放出大量的温室气体和烟颗粒,导致世界范围内的生态破坏和局部地区的雾霾危害。一旦发生,可持续数月甚至数年之久,除非大雨、气候变化或者消防干预,才能使之减缓。而一般情况下,大范围的泥炭火或煤层火是无法人为扑灭的。阴燃往往比有焰燃烧产生更多的有毒气体,在一定的条件下可以转化成明火。

与有焰燃烧相比,阴燃的反应温度和传播速度都低得多:典型的阴燃峰值温度为450~700℃(煤炭阴燃的温度可达1000℃),而有焰燃烧的峰值温度约为1500℃。典型的阴燃传播速度约为1毫米/分钟,而有焰燃烧的传播速度可较此高两个数量级。通常情况下,阴燃很难被发现和探测到,所以它一旦形成并最终转化成明火,将迅速吞没可燃物,造成比普通有焰燃烧更严重的后果。

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