【摘要】 针对BS 476-15锥形量热仪测试，解析膨胀型材料的热边界移动效应。通过视图因子模型量化非均匀辐照度分布与热吸收偏差，提升阻燃系统测试精度。

在BS 476-15标准台式锥形量热仪测试中，凝聚态材料的可燃性评估是消防安全工程的核心应用。该设备通过精准调控辐射热通量，为试样提供稳定的热负荷，确保火灾测试环境的一致性。

近年来，锥形量热仪的应用已扩展至膨胀型阻燃系统的热行为研究。然而，聚合物材料在热化学分解时产生的各向异性体积级变（干膜厚度可膨胀数十倍），引发了对试样热边界是否被充分理解的疑问。如图1所示，试样受热后顶部边界向锥形加热器移动，同时周长表面沿z方向延伸并暴露于热源：

图1 锥形量热计试验中膨胀系统的几何变化示意图。

为量化非均匀辐照度分布对热吸收的影响，Kang等人¹创新性地通过等高线积分法推导视图因子：

  • 计算平面元与截锥体在平行/垂直构型中的关系
  • 结合韩国KCL实验室的Schmidt-Boelter计直接测量验证

图2揭示了试样上表面（A1）至锥体倾斜区（A3）的视图因子计算难点​：

图2 漫射光从试样顶部表面的不同区域传输到锥形加热器的示意图。

解决方法基于能量守恒原理：dA1的实心角对应区域可转化为A2（黄色锥）与A4（蓝色锥）的几何差值（图3a）：

图3 (a)二重积分法和(b)轮廓积分法的几何系统示意图。

关键发现：

1.非均匀热负荷现象导致传统近似法与精确计算的偏差达12.8%

2.偏差主因：周长区域热吸收随膨胀显著增加（次要因素为顶面接近加热器）

3.基于视图因子绘制的坐标网格图（图3），可直观呈现辐照度非线性分布​

工程意义：

在量化膨胀型材料的热吸收时，必须考虑边界移动与周边暴露效应。本研究提供的视图因子模型为锥形量热仪测试的精准热力学分析奠定基础，尤其适用于几何动态变化的样品。

 

参考文献：1.Kang, S.;  Choi, S.; Choi, J. Y., View factor in cone calorimeter testing. Int. J. Heat Mass Transfer 2016, 93, 217-227.

 

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