微重力强迫对流条件下高温导线过载着火与火蔓延机制

Aimed at the ignition and flame spread of the FEP insulation of overloaded high temperature wire under microgravity and forced flow conditions, by using drop tower and low air pressure cabin, this project will investigate the influence mechanism of microgravity and forced flow conditions upon the solid-gas heat and mass transfer of pyrolysis and bursting, and upon the bubble growth dynamics dominating by surface tension and viscous force, solve the theoretical relationships between bursting time, bursting gas velocity and boundary conditions; analyze the physical mixing and chemical induction process of the bursting gas, reveal the competing mechanism between wire surface and soot radiation heat loss rate and gas reaction and Joule heat release rate upon flame spread, establish the theoretical models of ignition delay time, soot affecting flame spread speed with forced flow stretch rate, Damkohler number, thus give experimental and theoretical supports for manned space wire fire prevention.

针对微重力强迫对流条件下高温导线过载FEP绝缘皮材料着火、火蔓延的过程，采用微重力落塔与低压舱实验手段，研究微重力强迫对流条件对热解破裂固气多相传热传质，以及气泡表面张力梯度、粘性力梯度等主控生长动力学过程的影响机制，求解热解破裂时间、喷射气体速度等临界参数与边界条件的关系模型；研究高温导线破裂喷射气体扩散混合、气相引导的物理与化学过程，揭示不同氧浓度、强迫气流速度条件下，导线表面及碳黑辐射热损速率、气相化学反应及过载焦耳释热速率影响火蔓延的竞争作用机制，建立气相着火延迟时间，以及碳黑辐射影响下火蔓延速度与强迫对流拉伸率（stretch rate）、Damkohler数等关系模型，为载人航天导线火灾防治提供实验与理论支撑。

项目面向空间站等载人航天器导线火灾，利用落塔、低压舱等实验条件，针对微重力强迫对流条件下高温导线过载的着火、火蔓延与烟雾特征，（1）首次发现了FEP导线喷射“球状”着火的现象。将Pilot着火延迟时间划分为气泡破裂时间、气相混合时间和化学反应时间，其中气泡破裂时间包括热解时间、气泡形成时间，所占比例最大。建立了气泡破裂时间与表面张力、绝缘皮厚度等相关关系，引入Damköhler数，揭示了着火延迟时间随环境压力和氧气浓度的演化规律和变化机理。同时，揭示了导线热老化与气压对着火的影响机制，较低温度与较高温度热老化分别造成导线绝缘皮结晶度与热解温度升高与降低，从而对导线着火延迟时间分别造成增大与减小的两种不同效应，并且揭示了着火时间与压力成“U”形曲线关系的两种主控机制；（2）首次给出了低压、不同氧气浓度条件下PE导线火滴落与火蔓延的极限区间，揭示了导线火在熄灭极限状态线芯随氧气浓度、气压变化“热沉”与“热源”的转换机制；阐明了紫外老化对不同倾角ETFE高温导线向上与向下火蔓延速率的影响规律，发现紫外老化后导线热解温度降低，火蔓延速率加大，尤其对向上火蔓延影响更大。同时，建立了近熄灭极限区与幂指数区热薄材料火蔓延不同的物理化学主控机制，并量化了两个区域火蔓延速率与气压、氧气之间的依赖关系，近熄灭极限非线性区，Damköhler数较小，火蔓延为气相动力学主控，火蔓延速度对氧气深度依赖大；幂指数线性区Damköhler数大，热传递主控，火蔓延速度对压力依赖相应增加；（3）针对微重强迫对流条件下FEP导线过载喷射火，热泳采集了烟颗粒并进行了电镜图像分析，揭示了微重力强迫对流高温导线碳黑烟颗粒初级粒子的分形凝并动力学规律。利用烟雾消光阴影图像分析，阐明了微观形谱参数（凝团回转半径、前置因子、分形维数）以及宏观体积浓度的变化特征。这些研究为深入理解微重下导线火灾的发生与发展机理，发展导线材料可燃极限研究方法以及火灾探测技术，提供了重要的实验与理论支撑。