着火前木材传热传质过程的试验和理论研究

论文题目: 着火前木材传热传质过程的试验和理论研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 工程热物理

作者: 俞自涛

导师: 岑可法,胡亚才

关键词: 火灾,木材,传热,传质,热物性,多孔结构,热重分析,有限元分析

文献来源: 浙江大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本文针对着火前木材传热传质过程中的关键问题,从木材的热物性、结构特性以及热解特性等主要影响因素入手进行了试验分析,建立一个包含加热、干燥、热解等过程的综合热传导模型,对火灾早期木材的传热传质规律进行理论分析。首先,在一维瞬态法热物性的测试理论基础上,提出了针对木材热物性测试的一维导热微分方程的短时间计算公式,对红松、落叶松两种木材热物性进行了测试,结果满足要求。文中研究了25～100℃范围内,气干木材的导热系数与含水率、密度、孔隙率、温度及热流方向的关系,研究表明:木材导热系数与密度成正比关系,与孔隙率成反比关系:对于针叶材,导热系数与密度及孔隙率成线性变化关系,而对于阔叶材其变化关系近似成二次曲线;气干木材的导热系数随着温度的升高近似呈线性增加:热流平行于纹理方向的导热系数大于垂直于纹理方向的导热系数,两者的比值大约在1.8～2之间。对含水率处于纤维饱和点以下湿木材的热物性研究表明:当含水率小于10%,木材比热与温度的变化大体成线性关系,而含水率大于10%,其变化关系近似成指数关系。试验研究发现干燥木材的比热基本上不受树种的影响。在25～200℃内,热流平行于纹理方向的木材导热系数要大于其垂直于纹理方向的导热系数,前者是后者的2.4～3倍:这种差异与细胞壁内分子链结构的构成方向有关。另外,木材径向与弦向的导热系数尽管有差别,但并不明显,尤其是随着温度的升高,两者的差异越来越小。木材多孔结构的显微观察发现:木材的传热特性随着木材多孔部分的孔隙分布和孔隙大小的不同而变化,在含水率相同的情况下,孔隙率高而孔隙小的木材其传热能力较弱。不同气氛下的木材热重分析结果表明:在空气气氛下,木材热解过程释放的可燃挥发性气体更容易发生的氧化反应,与惰性气氛下的反应相比,反应程度更加剧烈;氮气气氛下木材的成炭率要高于空气气氛的成炭率;在一定气氛下,木材热解失重过程中的特征温度值和失重率,在不同树种之间的差异较小;升温速率的提高会加剧木材热解反应。最后,针对暴露于一个高温辐射热源前的木材传热传质问题建立了三维瞬态导热模型和水分迁移模型,采用有限元对高温辐射条件下木材内部的瞬态温度分布和含水率分布进行了计算。建立了小型辐射换热试验台,对模型计算结果进行验证,通过对试验结果和计算结果的比较分析,计算模型对着火温度和着火时间的预测与试验值比较接近,相对误差在7%以内。从温度曲线的整体变化趋势来看,计算结果与试验结果的变化趋势比较一致,特别是着火前的温度变化过程,计算结果与试验结果吻合较好。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

§1．1 前言

§1．2 研究背景和目的

§1．3 木材热物性研究现状

§1．4 热物性测试方法及仪器

§1．5 木材传热过程理论模型的研究现状

§1．6 本文的研究内容

参考文献

第二章瞬态热物性测试理论及试验台

§2．1 前言

§2．2 瞬态法热物性的测试理论

§2．3 瞬态热物性测试试验装置

§2．4 瞬态试验台测试结果分析

§2．5 本章小结

参考文献

第三章木材热物性的试验研究

§3．1 前言

§3．2 常温下气干木材导热系数的试验研究

§3．3 常温下湿木材热物性的试验研究

§3．4 高温下木材热物性的试验研究

§3．5 木材结构对传热特性影响的试验研究

§3．6 本章小结

参考文献

第四章木材热解过程的热重分析

§4．1 前言

§4．2 试验方法和仪器

§4．3 试验结果分析及讨论

§4．4 木材热解表观反应动力学模型

§4．5 本章小结

参考文献

第五章着火前木材传热传质过程的理论模型

§5．1 前言

§5．2 着火前木材传热、传质过程模型的建立

§5．3 模型中有关参数的确定

§5．4 本章小结

参考文献

第六章模型计算和试验结果的比较分析

§6．1 前言

§6．2 模型计算方法的介绍

§6．3 模型计算结果与分析

§6．4 试验结果与模型预测结果的比较分析

§6．5 本章小结

参考文献

第七章全文总结

致谢

发布时间: 2005-10-08

着火前木材传热传质过程的试验和理论研究

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