随着城市建设的高速发展,我国的建筑数量大幅增加,每年新增建筑面积超过20亿平方米,成为世界之最。建筑外墙所用的材料中不乏可燃材料,特别是近年来建筑行业推行全面节能,挤塑聚苯乙烯(XPS)、模塑聚苯乙烯(EPS)、聚氨酯(PU)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等有机类保温材料得到广泛应用,未经阻燃处理的该类材料具有很高的火灾危险性,造成建筑外立面火灾事故频频发生。高层建筑占地面积小,提高土地利用率,扩大市区空地,利于城市绿化,改善卫生环境;高层建筑向高空发展,充分地利用有限的土地资源,可以有效地缓解城市用地紧张的问题,因此高层建筑的数量和高度得到了快速的发展。由于管理疏忽,近年来高层建筑火灾频发,因此建筑外立面的火灾安全需高度关注,外立面火蔓延行为亟待深入研究。现代建筑的外墙存在很多竖向通道,例如凹型外墙形成的竖向通道、幕墙和主体结构之间的竖向通道等。当外立面可燃材料发生火灾时,火蔓延会受到竖向通道的显著影响。为了研究外墙竖向通道结构作用下可燃材料的火蔓延特性,通过实验和理论研究两种方式开展研究。建立了相关的实验平台来进行实验研究。外墙竖向通道的重要特征参数包括结构因子(侧墙长度与背墙长度的比值)、幕墙覆盖率,通过改变以上特征尺寸,观测火蔓延特性、火焰结构和温度场结构,并且基于火蔓延速度模型,将上述测得的特征参数代入模型,建立新的相关的理论模型。最后将实验结果与理论计算得到的结果进行比较来验证理论模型的可靠性。主要的研究工作包括:(1)研究了封闭式竖向通道结构因子对XPS逆流火蔓延的影响。获得了边墙限制作用下的逆流火的火焰结构,火蔓延速度等特征参数。通过改变边墙长度,获得了不同结构因子情况下,竖向通道中的诱导气流和幕墙表面的温度场,发现了火焰辐射和气流冷却作用两者之间的竞争机制,以传热的模型为基础建立了适合于封闭的竖向通道中逆流火蔓延的理论模型。从传热控制和氧气供应两方面分析了火蔓延的控制机理,探讨了传热控制情况下辐射换热和对流换热两种方式的重要性。采用图像分析法获得了不同结构因子情况下的火焰高度,发现了影响火焰高度的两种因素:氧气供应、烟囱效应。分析了烟囱效应作用下的流速和流场结构,建立了火蔓延过程中竖向通道中诱导气流流量的预测模型。(2)研究了凹型外墙结构因子对PMMA顺流火蔓延的影响。通过对热解前锋进行监测,获得了热解前锋与火蔓延速度之间的线性关系,得到顺流火蔓延速度与结构因子之间的关系。通过引入卷吸系数,建立了相关的火蔓延模型,预测了对流控制的顺流火蔓延速度,并对已有的辐射控制的顺火蔓延模型进行了优化。基于热释放速率与火焰高度之间的理论基础,计算得到了火焰高度与热解高度之间的关系,揭示了凹型通道对火焰高度和火蔓延速度的作用机制。通过比较火蔓延速度的计算值与实验值之间的关系,证实了模型的可靠性。(3)结合实际的外墙结构,以XPS保温板为实验材料,研究了外墙结构因子和幕墙覆盖率耦合作用下的顺流火蔓延特性。通过改变结构因子和覆盖率,分析了竖向通道内部的温度变化、火焰高度的变化,建立了热解长度与火焰高度之间的拟合关系式。揭示了预热区长度与结构因子、覆盖率之间的关系,以传热理论为基础建立了顺流火蔓延模型。该论文有图37幅,表5个,参考文献72篇。