线性上升热流下木材热解过程的温度分布及炭化速率研究

论文摘要

固体可燃物受热时，达到一定温度后会发生热解，并生成炭及可燃挥发分，可燃气体从固体表面逸出后与环境中的氧气混合，当达到点燃的临界条件时即可点燃形成气相火焰并开始蔓延。因此在火灾发生的早期，能否准确预测固体可燃物的热解行为决定了能否较好的模拟火灾的发生和发展过程。炭化材料燃烧后会留下相当数量的残余物，主要是炭，其典型代表是木材。木材是火灾中最常见的可燃物之一，能否准确预测木材在火灾的发生和发展阶段的燃烧特性对火灾安全设计有着极其重要的作用。 热辐射是室内火灾中热传递的主要方式，并且决定着火灾的蔓延和发展。国内外学者的实验和模型工作基本都是在外部辐射热流保持恒定的情况下进行的，而对于通常的室内火灾过程，可燃物接受到的辐射热流随着火灾的发展而不断变化，因此，有必要对变化热流下木材的燃烧特性进行研究。 在前人工作的基础上，本文研究了木材在变化热流条件下的热解，炭化及点燃过程中的现象和规律，研究工作主要包括以下几个方面： 利用火灾早期特性实验台研究了随时间线性上升辐射热流下不同种类木材的热解和点燃过程，分析了热流变化率及木材密度对点燃时间、表面温度及内部温度分布等关键参数的影响。研究表明热流变化率及木材密度对木材的点燃时间都有很大影响，点燃时间随着热流变化率的增加而减小，利用点燃时间和热流变化率之间的乘幂函数关系推导得到的变化热流下木材点燃所需的临界热流变化率为0.02kW·m-2·s-1，点燃时间和木材密度之间的线性函数关系表明，点燃时间随着密度的增加而增加，这分别是由其外部和内部热传递速率决定的。对于同种木材，其温升速率随着热流变化率的上升而增加，而在相同的外部辐射条件下，密度较小的木材样品表面附近升温较快。点燃时刻的表面温度随着热流变化率的上升而降低，而密度对其影响不大，温度值在340℃—520℃范围内。 在实验研究的基础上，建立了变化热流下木材热解的偏微分模型并利用模型进行计算分析。研究了不同热流变化率下木材的温度分布，并与实验结果进行了比较，发现模型可以较好的预测热解过程中的温升。对比了不同热流条件下木材

论文目录

• 目录
• 致谢
• 中文摘要
• Abstract
• 符号表
• 图例目录
• 第一章 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 数值模拟研究
• 1.2.3 变化热流研究
• 1.3 研究目的和主要内容
• 1.4 本文的章节安排
• 参考文献
• 第二章 木材燃烧的基本理论
• 2.1 木材的物理结构和化学组成
• 2.2 木材的主要物理性质
• 2.3 木材的燃烧过程
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 上升热流条件下木材热解的实验研究
• 3.1 实验平台
• 3.2 木材样品种类及物性参数
• 3.3 木材样品条件及热边界处理
• 3.4 测量系统及实验结果分析
• 3.4.1 辐射热通量
• 3.4.2 点燃时间
• 3.4.3 木材内部温度
• 3.4.4 木材表面温度
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 变化热流下木材热解的偏微分模型
• 4.1 炭化材料热解模型的建立及基本假设
• 4.2 热解模型的控制方程
• 4.3 热解模型的输入参数
• 4.4 热解模型的计算结果
• 4.1.1 内部温度分布
• 4.4.2 变化热流与恒定热流温升过程对比
• 4.4.3 不同热流下吸收相同能量时表面温度对比
• 4.4.4 温度梯度
• 4.5 含水率对温升过程的影响
• 4.6 热解模型对输入参数的敏感度分析
• 4.6.1 表面发射率
• 4.6.2 木材导热系数
• 4.6.3 炭导热系数
• 4.6.4 木材比热
• 4.7 本章小结
• 参考文献
• 第五章 变化热流下木材的炭化速率
• 5.1 木材炭化速率研究回顾
• 5.1.1 ASTM E119及ISO 834工况实验
• 5.1.2 小尺寸实验
• 5.1.3 全尺寸实验
• 5.1.4 影响炭化速率的主要因素
• 5.1.5 炭化速率模型
• 5.2 变化热流下的木材炭化速率
• 5.3 不同热流条件下的木材炭化速率
• 5.4 变化热流下影响木材炭化速率的主要因素
• 5.4.1 热流变化率
• 5.4.2 木材密度
• 5.4.3 炭化速率与主要影响因素的经验关系式
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结及展望
• 6.1 本文的主要工作
• 6.2 本文的主要创新点
• 6.3 进一步工作展望
• 攻读博士学位期间发表的学术论文