固体材料构型和尺度是影响可燃特性的重要因素，由于构型的多样性以及构型和尺度耦合效应的复杂性，目前对其影响规律和机理尚未形成系统的认识。本文围绕固体材料可燃特性中的构型和尺度效应，循序渐进地开展了四个方面的实验研究工作：材料尺度和流动条件对一维（球形）材料燃烧与火焰熄灭影响机制；不同环境条件下二维（柱状）材料火焰传播特性，认识逆向（流动与火焰传播方向相反）、同向（流动与传播方向相同）、横向（流动垂直传播方向）火焰传播控制机理；用典型局部构型表征复杂材料结构特征，观测不同几何尺寸条件下两种典型构型材料火焰传播和可燃极限，研究复杂构型影响规律和燃烧机理；对向上火焰传播中的传热机制和尺度效应进行研究，分析远离熄灭极限和近极限火焰特征及尺度效应影响，可为深刻认识和改进向上传播测试方法提供参考。研究工作阐明了材料构型和尺度对可燃性影响机理，为全面认识和评价材料可燃性、发展可燃性评价方法提供科学基础。主要研究内容和结果如下：

开展落塔微重力实验，对静止环境中不同尺度的球形材料燃烧与火焰熄灭特性开展研究，并在地面常重力下对滞止流场中的球形材料可燃极限开展实验，揭示了材料尺度、流动速度、火焰拉伸、热损失等对火焰熄灭的影响机制。当球形材料直径增大时，火焰曲率减小引起火焰热反馈降低，而材料热惯性增加导致材料内部升温缓慢，固相传导热损失增大；火焰熄灭由固相热损失（包括表面辐射和传导热损失）控制，当材料直径较大时热损失达到临界值并引起火焰熄灭。在滞止流场驻点附近，球形材料燃烧的极限氧气浓度随火焰拉伸率a（与气流速度和材料直径相关）变化，二者构成U形可燃极限曲线；在火焰冷熄区，随着固相热损失减小可燃极限曲线向低氧浓度平移，可燃范围增大；在火焰吹熄区，可燃极限对固相热损失不敏感。球形材料火焰熄灭时的临界燃烧速率与环境流动、材料尺寸、固相热损失等有关，这些因素的影响可以用组合参数a^1/2ln(1+B)表征（B为传递数），临界燃烧速率随a^1/2ln(1+B)线性增加，这与文献中柱状材料在滞止流场中的燃烧速率变化规律相似，但是相同a^1/2ln(1+B)条件下，柱状材料有更大的临界燃烧速率。

对柱状材料表面逆向、同向、横向火焰传播开展实验研究，获得了流动速度、氧气浓度、火焰拉伸率等对火焰传播影响规律，分析环境因素和材料尺度的影响机制。关于逆向火焰传播，微重力实验揭示出低速流动中火焰传播的特点，结合地面实验结果将火焰传播速度与气流速度的关系分为三个不同的机理控制区：辐射区、传热区和化学反应区；尝试用火焰拉伸率关联不同气流速度时的火焰传播速度，发现由于不同尺寸材料的固相热损失不同，火焰拉伸率不能唯一地确定火焰传播速度。关于同向火焰传播，实验表明传播速度随气流速度增大而线性增加，随直径增大而减小，对于厚材料推导出了火焰传播速度对气流速度的依赖关系。火焰横向传播时，传播速度受气流速度和直径这两个参数共同影响，由于热厚材料的固相热损失不受尺度影响，火焰传播速度可与火焰拉伸率的1/2次方建立关联。

用凸台和凹槽结构代表典型的局部构型，研究复杂构型材料逆向、同向火焰传播与可燃极限特性。两种构型中的棱角位置附近，火焰向材料表面传递的热流量增加，材料局部的热惯性减小，因而此处的逆向、同向火焰具有最大的传播速度。逆向火焰传播中，相对于平板材料，棱角的存在使材料表面各处的火焰传播速度增大，并最终能够获得相同的传播速度；同向火焰传播中，材料表面火焰传播未达到稳定，且不同位置的火焰传播速度存在差异。将具有局部构型的材料等效成柱状材料，利用几何系数表征材料的受热程度，并基于柱状材料火焰传播理论，建立了复杂构型材料火焰传播速度的预测公式。实验结果和理论分析表明，复杂构型材料的可燃极限由其最小厚度决定，近极限条件下，材料最小热惯性主导火焰熄灭，复杂构型的极限氧气浓度与具有该构型最小厚度的平板材料的极限氧气浓度相同。

对材料可燃性测试方法—向上火焰传播试验的材料尺度（宽度和厚度）效应，以及近极限火焰特性进行研究。在不同的氧气浓度和环境压力下，通过详细测量火焰温度、固相内部温度、表面温度、质量损失速率等参数，获得热流量、传递数及变化规律，通过改变氧气浓度和环境压力，得到了这两个环境参数组合形成的不同可燃极限条件。远离熄灭极限时，随着平板材料宽度或厚度增加，火焰温度和火焰辐射热流量增加，传递数增大。近极限条件下，材料宽度不同时传递数差别不明显，但是厚度越小传递数越大，传递数随材料尺寸的变化规律与远离熄灭极限不同。与近极限的情况相比，远离熄灭极限条件时的传递数更大，而近极限时的传递数与氧气浓度有关，传递数呈现先减小再增大的非单调变化。根据传递数与火焰驻离距离之间的理论关系计算获得了远离极限和近极限条件下的传递数，与实验测量结果相比，远离极限条件下，由于未考虑燃料侧向扩散与固相热损失影响，理论计算结果略微偏大；近极限条件，理论计算与实验测量的差别更为显著，需要考虑近极限火焰特点对该理论进行完善。