热解气体流动特性对炭化可燃物热解着火特性影响规律研究

论文摘要

在火灾的发生发展过程中,固体可燃物的热解及着火过程是一个重要的阶段。热解着火是复杂的物理化学变化过程,包含了热物理现象中的辐射、对流、热传导及传质等多方面。炭化可燃物在热辐射条件下的热解着火过程是众多学者普遍关注的研究主题,这一过程中包含两个关键因素:热解气体的浓度和温度(或其他能量,如引火源),其中热解气体的浓度受到多方面因素的影响,例如辐射热流、固体本身密度等;而在一些特殊环境中,例如低压环境下,炭化可燃物热解气体的流动特性会受到一定程度的影响,从而导致可燃固体本身的热解着火规律发生改变,之前的学者针对这一方面的研究工作还不够充分;此外,之前大部分研究者对于辐射条件下炭化可燃物的热解着火过程的研究,将工况设为可燃物受热表面水平,辐射热流垂直向下,而在实际火灾过程中,有许多其他典型工况,例如固体受热表面垂直,受到水平的入射热流,这种工况类似于建筑火灾中墙面可燃物受到其他外热源(如火焰)辐射的情况。本文在不同环境压力条件和不同辐射方向的热辐射条件下对炭化可燃物的热解着火过程进行了实验研究和理论分析,重点对不同条件下热解气体的流动特性进行了深入的分析和讨论。通过在拉萨和合肥的对比实验,得到了在不同海拔高度条件下,木材在热辐射条件下的热解着火特性。实验测量了木材在受热热解过程中的失重速率、表面温度变化过程以及着火时间。实验发现在拉萨的低压低氧环境中,木材热解过程中的失重速率更大,着火前的表面温度更高,着火时间更短;进而分析指出:低压环境更有利于热解气体的释放,使得失重速率更大,热解气体更容易达到临界浓度,导致着火时间更短,而拉萨的低氧条件对发生着火的限制作用不明显;此外通过实验测得,在拉萨和合肥两地,木材发生着火是的表面温度是相同的。本文对水平辐射和垂直辐射情况下的木材热解着火特性做了对比实验,测量了两种工况下木材样件热解过程中的失重速率、表面温度及着火时间。实验发现:在水平辐射工况下木材的失重速率更大,表面温度更高,在有引火源的情况下着火时间更短;通过分析得出,造成两种工况下木材热解特性产生差异的主要原因是热解气体对辐射热流的吸收程度不同;在水平辐射条件下,热解气体层的厚度较水平辐射条件下薄,对辐射热流的吸收程度较小,因此木材样件表面所接受到的净入射热流更大。依据在水平辐射和垂直辐射工况下热解气体对辐射热流的吸收差异,在前人经典模型的基础上,考虑了热解气体的流动对热解模型边界条件的影响,建立了预测水平和垂直辐射两种工况下木材热解着火的数值模型。通过模型与实验结果的对比,验证了模型的准确性和适用性;进而利用该改进模型计算了不同入射热流条件下木材的失重速率、表面温度、着火时间等热解着火关键参数。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号表
• 图目录
• 表目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 实验研究
• 1.2.2 理论模型研究
• 1.2.3 热解气体的流动特性对木材热解的影响
• 1.3 本文的研究目的和研究内容
• 1.4 本文的章节安排
• 参考文献
• 第2章 炭化可燃物热解及着火的基础理论
• 2.1 炭化可燃物的热解基础基础理论
• 2.2 炭化可燃物的着火基本理论
• 2.2.1 着火判据
• 2.2.2 着火理论模型
• 2.3 压力对炭化可燃物热解着火的影响
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第3章 环境压力对木材热解着火过程影响的实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验台介绍
• 3.2.1 辐射源及主体部分
• 3.2.2 辐射热流计、电子天平和采集模块
• 3.2.3 实验样件的处理
• 3.3 实验过程及细节
• 3.4 实验结果分析和讨论
• 3.4.1 失重速率
• 3.4.2 表面温度
• 3.4.3 着火时间和临界热流
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第4章 不同辐射方向下炭化可燃物热解着火特性实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验的布置与操作
• 4.3 实验结果与分析
• 4.3.1 失重速率
• 4.3.2 表面温度
• 4.3.3 着火时间和临界热流
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第5章 炭化可燃物热解气体的流动特性对着火的影响的模型研究
• 5.1 引言
• 5.2 考虑热解气体流动特性的固体可燃物热解模型
• 5.2.1 模型的建立及基本假设
• 5.2.2 模型的控制方程
• 5.2.3 模型的输入参数
• 5.3 模型计算结果及讨论
• 5.3.1 失重速率
• 5.3.2 表面温度
• 5.3.3 着火时间
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第6章 总结和展望
• 6.1 本文的主要内容和结论
• 6.2 本文的创新点
• 6.3 进一步工作展望
• 致谢
• 博士期间发表的学术论文