典型木材表面火蔓延行为及传热机理研究

论文摘要

固体可燃物表面火蔓延是森林火灾、建筑火灾以及工业火灾中普遍存在的燃烧现象，是火灾科学研究的一个基础问题。固体可燃物火蔓延是固相热解及气相燃烧化学反应相耦合的过程，这使得控制火蔓延行为的传热与传质过程复杂，造成了固体可燃物表面火蔓延过程的诸多方面还没有被完全认识，因而一直是火灾基础研究的热点。 本文选用典型碳化固体可燃物木材（泡桐）为研究对象，通过实验和理论分析对木材表面火蔓延行为、火焰精细结构及火焰附近的流场特征进行了全面系统的研究。 可燃物热解过程为引发可燃物着火以及随后的火蔓延过程提供必要的燃料，对火蔓延过程是否发生、维持均起着关键作用，同时，固体可燃物热解产物的化学组成对建立科学的火蔓延模型是十分必要的。本文使用热分析仪研究了空气氛围与氮气氛围中泡桐热分解过程，求出了泡桐热解动力学参数，并分析了不同升温速率对热解过程的影响，进而采用气相色谱-质谱联用仪对泡桐木在130℃、300℃和550℃热解温度下的热解气体组成进行了研究，并分析了不同热解温度对生成热解气体成分的影响规律。 研究了试样厚度、宽度以及试样放置角度、环境温度、外加流场等因素对泡桐表面火蔓延行为的影响，得到了不同实验条件下火蔓延速度、火焰高度、火焰颜色以及火焰温度等表征可燃物火蔓延行为的特性参数，分析了火蔓延速度、火焰突变与表征火蔓延行为的特征参数之间的内在联系规律。 用纹影仪研究了火焰周围流场的整体形态，并用微距镜头观察了试样表面火焰前端流场的结构与变化，提出了表征纹影流场特征的两个参数ω与Lp，分析了试样在不同厚度条件下与表面火焰熄灭过程中这两个参数的变化规律。用粒子示踪技术定量测定了试样表面的流场特征，提出了适合本研究DPIV速度场重建的方法，揭示了火蔓延过程中及火焰发生突变时试样表面的流场特征。 用微细热电偶组对火焰前端气相中温度场和试样表面的温度变化进行了实验测量，根据试验结果分析了可碳化热厚固体可燃物火蔓延行为差异的主要原因。研究了试样表面火焰前端的温度场和热解前锋位置的传热模式，并对试样内

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 符号表
• 图例目录
• 表例目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 火灾现象及危害
• 1.1.2 固体可燃物表面火蔓延
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 国内外对可燃固体表面火蔓延研究回顾
• 1.2.2 目前存在的问题
• 1.3 研究目标及技术方案
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 技术方案
• 1.4 本文章节安排
• 第二章 固体可燃物表面火蔓延理论基础
• 2.1 表征固体可燃物火蔓延行为的参数
• 2.1.1 火焰颜色
• 2.1.2 火焰形状
• 2.1.3 火焰高度
• 2.1.4 热解温度
• 2.1.5 固体可燃物表面火蔓延速度
• 2.1.6 固体可燃物表面火蔓延极限与火蔓延加速过程
• 2.2 固体可燃物表面火蔓延理论模型
• 2.2.1 固体可燃物在逆流条件下火蔓延模型
• 2.2.2 固体可燃物在顺流条件下火蔓延模型
• 2.2.3 固体可燃物在不同放置角度下火蔓延理论分析
• 2.2.4 碳化固体可燃物火蔓延模型
• 2.3 本章小结
• 第三章 典型木材热解特性及热解气体分析
• 3.1 实验用木材的物性参数
• 3.1.1 木材的化学组成
• 3.1.2 木材的含水率
• 3.1.3 木材的导热系数
• 3.1.4 木材的比热
• 3.2 木材热解及燃烧的一般过程
• 3.2.1 木材燃烧一般过程
• 3.2.2 木材热解过程
• 3.3 木材热分解特性及动力学试验研究
• 3.3.1 空气氛围下泡桐热解动力学
• 3.3.2 氮气氛围下木材热解动力学
• 3.4 泡桐热解气体成分与相对组成
• 3.4.1 实验仪器及条件
• 3.4.2 热解气体分析
• 3.4.3 裂解温度的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 木材表面火蔓延行为特性的实验研究
• 4.1 固体可燃物火蔓延场景
• 4.1.1 自身因素
• 4.1.2 外部因素
• 4.2 火蔓延实验装置及实验材料
• 4.2.1 实验材料准备
• 4.2.2 火蔓延实验装置
• 4.3 实验结果及分析
• 4.3.1 试样厚度对火蔓延行为的影响
• 4.3.2 试样宽度对火蔓延行为的影响
• 4.3.3 试样放置角度对表面火蔓延行为的影响
• 4.3.4 流场速度对火蔓延行为的影响
• 4.3.5 环境温度对火蔓延行为的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 木材表面火焰前端流场结构
• 5.1 纹影摄像装置及工作原理
• 5.1.1 纹影摄像原理
• 5.1.2 实验系统的几何光路
• 5.2 试样表面流场的纹影图像
• 5.2.1 火焰周围流场划分
• 5.2.2 火焰前端流场特征
• 5.2.3 试样表面火焰熄灭过程的纹影图像
• 5.3 试样表面火焰流场的定量测量
• 5.3.1 DPIV速度场测量技术
• 5.3.2 DPIV测量误差分析
• 5.3.3 示踪粒子选择
• 5.3.4 DPIV速度场重建
• 5.3.5 实验系统
• 5.3.6 无火焰时试样表面的流场特征
• 5.3.7 火蔓延过程中试样表面的流场特征
• 5.3.8 火焰发生突变时试样表面的流场特征
• 5.4 本章小结
• 第六章 木材表面火蔓延过程中的温度场及传热分析
• 6.1 微细热电偶测温及误差分析
• 6.1.1 微细热电偶测温
• 6.1.2 微细热电偶测温误差分析
• 6.2 试样放置角度为0-90°上下表面温度
• 6.3 放置角度为-90°-0试样表面温度分布与传热分析
• 6.3.1 热电偶布置
• 6.3.2 温度-时间曲线
• 6.3.3 上下表面的温度场
• 6.3.4 火焰向试样表面的传热
• 6.4 不同厚度试样火焰前端的温度分布与传热分析
• 6.4.1 温度-时间曲线
• 6.4.2 火焰前端温度场
• 6.4.3 热解前锋位置的传热分析
• 6.4.4 与热解区相耦合的火蔓延模型
• 6.5 试样内部温度的模拟计算
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本研究的主要结论
• 7.2 论文的主要创新点
• 7.3 进一步工作展望
• 攻读学位期间发表的学术论文