界面热阻对热颗粒引燃反应性材料行为的影响研究综述

搁浅

界面热阻对热颗粒引燃反应性材料行为的影响研究综述（ DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.01.070）

一、研究背景
在工业生产与日常生活中，反应性材料（Reactive Materials, RMs）如聚合物泡沫、粉尘堆积物等，常因意外接触高温颗粒而引发火灾或**事故。这些热颗粒可能来源于**飞溅、机械摩擦或设备故障等。理解热颗粒如何引燃周围材料，是火灾预防与安全管理的关键科学问题。
传统研究多假设热颗粒与材料之间为理想热接触，即界面温度连续。然而，实际接触面存在微观不平，导致热量传递受阻，形成界面热阻（Interface Thermal Resistance, ITR）。本文基于数值模拟，系统探讨了ITR对热颗粒引燃反应性材料过程的影响，首次将ITR与反应物消耗同时纳入点火模型中。

---

二、模型建立与数值方法
本文构建了一个一维球形对称的热传导-化学反应耦合模型，考虑了以下关键因素：

• 热颗粒与反应性材料之间的非理想热接触（采用辐射边界条件建模ITR）；
• 反应性材料的放热反应与反应物消耗；
• 材料参数如热导率、比热、密度、反应热、活化能等；
• 不同颗粒尺寸、初始温度、形状（平板、圆柱、球体）对点火行为的影响。
  

模型采用有限差分法求解，结合TDMA算法保证计算稳定性与收敛性。

---

三、主要研究发现1. 点火行为存在五种典型模式
通过数值模拟，识别出以下五种点火模式：

• 不点火：颗粒热量不足以引发持续反应；
• 不稳定点火：短暂反应后熄灭；
• 无闪燃稳定点火：反应持续进行但无明显温度跃升；
• 一次闪燃稳定点火：界面温度出现一次跃升后反应持续；
• 双闪燃稳定点火：界面温度出现两次跃升，反应最终稳定传播。
  

其中，“无闪燃稳定点火”为首次报道，可能与ITR的存在密切相关。
2. 界面热阻显著影响点火延迟时间与燃烧范围

• 点火延迟时间：ITR越大（即热传导越差），点火延迟时间越长。例如，在颗粒半径为6 mm、初始温度为973 K条件下，ITR较大时（j=2.0×10⁻⁸ W/m²K⁴）点火延迟为59.90 s，而ITR较小时（j=5.67×10⁻⁸ W/m²K⁴）仅为11.50 s。
• 燃烧范围：ITR越大，反应性材料的燃烧区域越小，完全燃烧所需的能量越高。
• 临界反应热：ITR越大，引发点火所需的临界反应热越高。例如，ITR较大时临界反应热为3.68×10⁶ J/kg，而ITR较小时为2.10×10⁶ J/kg。
  

3. 颗粒尺寸与初始温度对点火的影响在ITR较大时更显著

• 颗粒越大、初始温度越高，点火延迟时间越短；
• 在ITR较大的条件下，这种影响更为显著；
• 颗粒形状亦影响点火行为：在相同条件下，平板形颗粒点火最快，球形颗粒最慢。
  

---

四、理论贡献与工程意义
本研究首次将界面热阻与反应物消耗同时引入热颗粒点火模型，揭示了传统理想接触假设所忽略的关键物理机制。结果表明：

• 忽略ITR将低估点火所需的临界颗粒尺寸与初始温度；
• 在实际工业设备（如混合器、研磨机、螺旋输送器）中，热颗粒与材料之间的接触往往不理想，考虑ITR有助于更准确地评估火灾风险；
• 本研究为热斑引燃理论提供了新的视角，并为反应性材料的安全管理提供了理论依据。
  

---

五、结语与展望
随着工业自动化与微尺度热传导研究的深入，界面热阻在热安全问题中的重要性日益凸显。未来研究可进一步拓展至：

• 多颗粒系统的热耦合行为；
• 不同材料界面粗糙度对ITR的影响；
• 实验验证与模型耦合优化；
• 多物理场（热-质-力）耦合下的点火行为模拟。
  

通过理论与实验的进一步结合，将为火灾早期预警与反应性材料的安全设计提供更强有力的支持