不对称平行电线上的火焰蔓延与热传递

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Flame spread and heat transfer over asymmetric parallel electrical wires

　　

摘要

本研究通过实验探讨了在不同线间距和倾斜角条件下，具有不同芯径的不对称平行电线上的火焰蔓延与传热行为。与对称配置相比，不对称排列引入了方向性火焰相互作用和不均匀的火焰发展。研究识别出三种火焰传播状态，即同步传播状态、过渡传播状态和独立传播状态，它们之间的转变由临界线间距控制。由于浮力诱导流动与火焰相互作用之间的竞争效应，临界间距对倾斜角表现出非单调依赖性。火焰蔓延速度受间距和倾斜的强烈影响，在倾斜条件下随间距呈非单调变化。研究识别出一种称为"拖曳效应"的方向性热相互作用，作为不对称双线火焰蔓延的特征，其中较细的电线通过额外的对流和辐射传热增强了较粗电线上的火焰传播。结果表明，不对称双线系统中的火焰蔓延行为可以与相邻火焰之间的有效热反馈相关联。

引言

电气火灾已成为现代社会中主要的危险来源。作为电能的主要载体，电线在过载、老化或绝缘失效等条件下容易快速升温。这种升温可以点燃绝缘材料，在严重情况下，可能进一步引燃周围可燃物，导致大规模火灾。由于其隐蔽性引发和快速传播的特性，电线火灾往往造成重大财产损失和人员伤亡。在控制电线火灾行为的关键因素中，火焰蔓延速度在确定火灾发展和危险严重程度方面起着至关重要的作用[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。

电线火灾行为的研究始于20世纪80年代初，由Bakhman[7]、[8]开展。使用一种1 mm厚度的铜芯电线，外覆聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚乙烯（PE），获得了火焰蔓延速度，并将其确定为评估电线燃烧和蔓延过程的最关键因素。随后，相关研究探讨了外部和内部因素对火焰蔓延的影响。对于外部环境条件，外部热通量[9]、[10]、风场[11]、[12]、重力[13]、[14]以及压力对电线蔓延的影响得到了广泛讨论。相比之下，电线内部条件（包括电线材料[15]、芯径[16]、施加电场[17]、[18]以及电线倾斜角[19]、[20]）受到了更多关注。这些因素主要通过改变电线系统内的热量和质量传递来调节点火机制和燃烧过程，从而影响火焰蔓延速度。例如，Kikuchi和Fujita[21]研究了不同芯径的热薄绝缘电线的火焰蔓延速度，得出结论认为较细芯径的蔓延速度更高。随后，研究人员比较了Fe-PE和NiCr-PE电线（分别具有铁（Fe）和镍铬（NiCr）芯）上的火焰蔓延[22]。这项工作建立了电线芯的"热源/热汇"双重作用的核心见解，这已由Kobayashi和Huang[15]所证实。一方面，金属芯通过从上游燃烧区域移除能量来耗散热量；另一方面，它向下游热解前沿传导热量，为绝缘热解提供必要的热条件。这种双重效应导致不同芯热导率的电线表现出不同的燃烧行为：高热导率的芯使电线更难点燃，即使点燃后，也需要额外的热通量来维持稳定的火焰蔓延[23]。火焰形态（即火焰高度和火焰宽度）得到了进一步探索，Nakamura[24]随后基于单根电线火焰的传热分析提出了一种火焰蔓延速度的无量纲表征模型。同时，Hu报告称，由于显著的浮力效应，电线倾斜会影响火焰形状。具体而言，发现当电线倾斜角从-90°到90°变化时，火焰蔓延速度先减小后增大[25]。

虽然单根电线研究为理解电线火灾行为奠定了理论基础，但实际电气系统通常具有多线配置。在这种情况下，电线之间的相互作用使其燃烧行为与单根电线显著不同，表明现有的单根电线理论和模型不足以应对多线场景。之前对对称双线系统的研究报告了火焰合并、倾斜和分离现象，以及火焰特性随线间距的非单调变化。例如，Lu[26]量化了不同线间距和倾斜角条件下双线的火焰形态和火焰蔓延速度。Huang[27]观察到，随着双线间距增加，火焰蔓延经历三个阶段："连续合并"、"间歇合并"和"不合并"，当间距足够大时火焰完全分离。Luo[28]、[29]发现，在倾斜或垂直通道中，平均火焰高度、长度和蔓延速度始终高于无约束条件，这是由于烟囱效应、通道拉伸和壁面热反馈的综合作用所致。此外，Lu[30]进行了热薄Cu-PE双平行线的系列实验，涵盖不同的线间距和倾斜角条件。结果表明，火焰高度和蔓延速度随间距先增加后减小，这是由于氧气供应的变化所致。此外，建立了一种基于火焰形态和线间距的新型传热模型，该模型考虑了第二根电线提供的额外热量。

然而，之前关于双线系统的大多数研究都集中在具有相同电线特性的对称配置上，而实际电缆系统通常涉及具有不同直径和热特性的电线[31]。在这种不对称配置中，燃烧强度和固有火焰蔓延速度的差异可能导致不均匀的火焰发展、方向性火焰相互作用和额外的热耦合。与对称系统相比，这些效应引入了更复杂的传热行为，并可能显著改变火焰蔓延动力学。尽管它们具有重要的实际意义，但不对称火焰相互作用的机制及其对火焰蔓延的影响仍然理解不足。特别是，相邻电线之间方向性热传递的作用尚未得到系统研究。

为了解决这一问题，本研究通过实验研究了在不同线间距和倾斜角条件下，具有不同芯径的不对称平行双线上的火焰蔓延。特别关注火焰形态、传播状态和火焰蔓延速度。从传热角度进一步分析了间距和倾斜的影响。这一分析还使识别出"拖曳效应"成为可能，将其作为不对称双线火焰蔓延特有的方向性热反馈行为。研究目标是阐明不对称火焰相互作用的机制，并为实际电缆系统中的火灾风险评估和安全设计提供实验支持。

章节摘要

实验装置

为了系统地研究电线不对称性、间距和倾斜对火焰蔓延行为的影响，设计了一个受控实验装置。在本研究中，选择了两根具有不同芯径的电线来形成不对称平行双线配置，从而能够研究具有不同热特性的电线之间的方向性火焰相互作用。

电线芯由铜制成，直径为d_c，芯的表面涂覆着

火焰形状和不同的火焰传播类型

首先检查不同倾斜角下单根电线案例的火焰形态，为不对称双线系统提供参考。如图3所示，当倾斜角为零时，火焰因浮力而垂直上升，随着倾斜角增加而逐渐伸长。此外，与较粗电线上的火焰相比，较细电线上的火焰表现出略高的高度和较窄的宽度，这可归因于

结论

在本研究中，实验研究了在不同线间距和倾斜角条件下，具有不同芯径的不对称平行双线上的火焰蔓延行为。分析了火焰形态、传播状态和蔓延速度，以揭示两根电线之间的潜在相互作用机制。主要发现包括：

• 1)
  随着线间距增加，不对称双线上的火焰蔓延表现出从合并火焰到分离

CRediT作者贡献声明

卢凯华：撰写 – 审阅与编辑，监督，研究，经费获取。程可勤：撰写 – 原稿，研究，形式分析。苗如诚：撰写 – 原稿，研究，形式分析。郑碧贤：撰写 – 原稿，研究。廖旺雄：软件。李博：资源，数据管理。胡帆：撰写 – 审阅与编辑，研究。王杰：撰写 – 审阅与编辑，验证，监督，项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金的支持，项目编号为52376133和52574280。

卢凯华|程可勤|苗如诚|郑碧贤|廖旺雄|李博|胡帆|王杰