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表面朝向：解锁典型固体可燃物着火与侧向火蔓延的密码

一、引言

1.1研究背景与意义

火灾作为一种极具破坏力的灾害，时刻威胁着人类的生命财产安全和社会的稳定发展。回顾历史，众多重大火灾事故触目惊心，如2010年11月15日发生在上海静安区的高层住宅大火，这场火灾因施工违规操作引发，造成58人遇难，71人受伤，直接经济损失达1.58亿元。再如2019年4月15日，法国巴黎圣母院突发大火，这座拥有800多年历史的哥特式建筑遭受重创，其标志性的尖塔倒塌，大量珍贵文物和艺术品面临损毁风险，这场火灾不仅是法国文化遗产的重大损失，更是全人类文明的伤痛。这些惨痛的案例只是全球火灾事故中的冰山一角，据统计，全世界每天发生火灾1万多起，每年因火灾导致的人员伤亡和财产损失难以估量。

在火灾的发展过程中，固体可燃物的着火特性及火蔓延行为起着关键作用。固体可燃物广泛存在于我们的生活和生产环境中，建筑中的木质结构、家具、装修材料，以及工业生产中的原材料、产品等，一旦这些固体可燃物被点燃，火势便可能迅速蔓延，形成大面积火灾。而表面朝向作为固体可燃物的一个重要属性，对其着火特性及火蔓延过程有着显著影响。不同的表面朝向会导致热量传递、氧气供应以及火焰形态等方面的差异，进而影响着火的难易程度和火蔓延的速度、方向。例如，在垂直表面上，火焰会受到浮力的作用向上蔓延，其蔓延速度往往比水平表面更快；而倾斜表面的火蔓延情况则更为复杂，火焰的传播方向和速度会受到倾斜角度的影响。

深入研究表面朝向对典型固体可燃物着火特性及侧向火蔓延的影响，具有极其重要的现实意义和理论价值。从现实应用角度来看，这一研究成果可为建筑防火设计提供科学依据。在建筑设计阶段，合理选择建筑材料的放置方式和表面朝向，能够有效降低火灾发生的风险和火势蔓延的速度，为人员疏散和消防救援争取宝贵时间。同时，对于工业生产中的仓库布局、设备安装等方面，考虑固体可燃物的表面朝向因素，也有助于预防火灾事故的发生，减少经济损失。从理论研究层面而言，该研究能够丰富和完善火灾科学的基础理论体系。通过揭示表面朝向与固体可燃物着火及火蔓延之间的内在联系和作用机制，可以为火灾数值模拟提供更准确的参数和模型，提高火灾预测的精度和可靠性，推动火灾科学的进一步发展。

1.2国内外研究现状

在固体可燃物着火特性的研究领域，众多学者已取得了丰硕的成果。早期的研究主要聚焦于材料自身的热物理性质对着火的影响，例如木材、塑料等常见固体可燃物的热解温度、热导率、比热容等参数与着火难易程度之间的关系。有学者通过热重分析（TGA）等实验手段，详细研究了不同木材在不同升温速率和气氛条件下的热解行为，发现木材的热解过程可分为多个阶段，每个阶段的热解特性和活化能都有所不同，这些热解特性直接影响着木材的着火性能。

随着研究的不断深入，外部环境因素对固体可燃物着火特性的影响逐渐成为研究热点。其中，热辐射作为一种重要的外部能量输入方式，对固体可燃物着火有着显著作用。相关研究表明，当固体可燃物受到外部热辐射时，其表面温度会迅速升高，达到热解温度后分解产生可燃气体，进而着火燃烧。研究人员通过实验测量和数值模拟，建立了热辐射强度与固体可燃物着火时间、着火温度之间的定量关系，为火灾风险评估提供了重要依据。此外，氧气浓度也是影响固体可燃物着火的关键因素之一。在低氧环境下，可燃物的燃烧反应速率会受到抑制，着火难度增加；而在富氧环境中，着火则更容易发生，且燃烧更为剧烈。有学者通过改变实验环境中的氧气浓度，研究了不同固体可燃物在不同氧浓度下的着火特性，揭示了氧气浓度与着火概率、着火延迟时间之间的内在联系。

在固体可燃物火蔓延方面，国内外的研究同样取得了长足进展。对于水平表面的火蔓延，早期研究主要关注火焰蔓延速度与材料特性、环境温度等因素的关系。实验结果表明，火焰在水平固体表面蔓延时，其蔓延速度相对较为稳定，且与材料的可燃性、热导率等参数密切相关。随着研究的深入，研究人员开始关注火焰在水平表面蔓延过程中的传热传质机理，通过建立数学模型，对火焰的热传递、可燃气体的扩散等过程进行了详细描述，进一步深化了对水平表面火蔓延的认识。

垂直表面的火蔓延研究也备受关注。由于垂直表面上火焰受到浮力的作用，其蔓延过程与水平表面存在明显差异。研究发现，火焰在垂直表面向上蔓延时，会形成一个向上的火焰羽流，该羽流会加速热量向未燃区域的传递，从而使火蔓延速度加快。学者们通过实验和数值模拟，对垂直表面火蔓延的火焰形态、温度分布、火蔓延速率等参数进行了深入研究，并建立了相应的理论模型。例如，基于边界层理论和热传导方程，建立了垂直壁面火蔓延的数学模型，能够较好地预测火焰在垂直表面的蔓延行为。

尽管在固体可燃物着火和火蔓延方面已经取得了众多研究成果，但在表面朝