（安全技术及工程专业论文）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.pdf

摘 要 ii 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。 关键词关键词：炭化可燃物 热解气体 流动特性 环境压力 辐射方向 abstract iii abstract the process of pyrolysis and ignition of combustible solid are an important stage for the occurrence and growth of fire. the process is also a complex physical and chemistry, containing every aspect of thermal dynamics: radiation, convection, conduction and mass transfer. the pyrolysis and ignition of charring materials heat radiation is a major subject which the numerous scholars research on. in the process, two key factors are concentration of combustible gas and temperature (or other energies, e. g. pilot), in which the concentration is affected by several factors, for example external radiation and density of solid. however, in some special conditions, for example the low ambient pressure environment, the flow characteristics of pyrolysis gas is different from the one in the normal condition; furthermore, the rule of pyrolysis process of solid to have the change. researcher before in field of this, the research work is not deep enough and sufficient. in addition, the research on the pyrolysis and ignition of charring material by the majority of researchers before supposes the heating surface of solid horizontal and the radiation heat flow vertical downward, but in actual fire process, many other typical operating modes, for example solid heating surface vertical, receives the horizontal incident heat flow, this kind of operating mode is similar with the construction fire the wall surface combustible substance receives the situation which outside other heat source (for example: flame) radiates. the present article analyzed the pyrolysis and ignition of charring materials under radiation in different ambient pressure condition and under the different radiation orientation experimentally and theoretically. the flowing characteristics of pyrolysis gas under the different condition have been conducted deep analysis and the discussion. according to the contrastive experiment in hefei and lhasa, the pyrolysis and ignition characteristics of wood under radiation at different altitude have been abstract iv obtained. the mass loss rate, surface temperature and ignition time have been measured during experiment. it is observed that the mass loss rate is higher, the surface temperature before ignition is higher and the ignition time is shorter in the environment of low pressure and oxygen of lhasa. it is analyzed that the low pressure benefits the releasing of combustible gas, which can easily reach to a critical condition. it is concluded that the occurrence of ignition of wood is easier in low pressure condition. the surface temperatures at the moment of ignition are the same in the two places. pyrolysis and ignition of wood under horizontal and vertical radiation has been conducted with experimental method. under the horizontal radiation, the mass loss rate and surface temperature are both higher than the one under vertical radiation, and the ignition time with pilot is shorter. the absorption of external radiation by pyrolysis gas is the factor causing the difference under the two conditions. the absorption of radiation by pyrolysis gases under horizontal and vertical radiation are different, according which and former model by researcher before, a model considering the influence of pyrolysis gas flowing on the boundary condition has been developed. the experiment data validated the accuracy of model. the difference between model and experiment has been analyzed. keywords: charring materials; flowing characteristics; pyrolysis gas; ambient pressure; radiation orientation 符号表 viii 符号表符号表 a 指前因子（s-1） b 修正系数 b 吸收率 c 相对浓度 cp 定压比热（kj kg-1 k-1） d 固体厚度（m） d 热解气体层厚度（mm） e 活化能（j mol-1） f 浮力（kg m s-2） g 重力加速度（m s-2） gr 格拉晓夫数 h 对流换热系数（w m-2 k-1） h 焓（j kg-1） k 反应速率（kg s-1） ，导热系数 （w m-1 k-1） kd 达西定律常数 l 样件厚度（m） ，样件边长（m） m 质量（kg） m 失重速率（wt% s-1） m 摩尔质量（g mol-1） p 压力（pa） pr 普朗特数 q 辐射热流（kw m-2） qp 热解反应热（j kg-1） r 常用气体常数（j mol-1 k-1） t 温度（） t 时间（s） 符号表 ix v 体积（m3） x 表面到固体内部的距离（m） u 热解气体速度（m s-1） 希腊字母 传热系数（m2 w-1 s-1） 密度(kg m3) 表面发射率，孔隙率 斯蒂芬-波尔兹曼常数（w m-2 k-4） 动力粘度（kg m-1 s-1） 吸收系数 下标 0 初始 环境 a 反应 c 炭层 cr 临界值 g 气体 h, hor 水平辐射 v, ver 垂直辐射 i 组分 ig 着火 p 热解中 peak 峰值 s 表面，固体 w 原始木材 图目录 x 图目录图目录 图图 1.1 木材热解过程中的内部压力分布 . 10 图图 1.2 样件放置方式不同造成的热解气体与辐射热流的相对方向不同 . 11 图图 2.1 炭化可燃物热解着火过程示意图 . 20 图图 3.1 可移动式小型早期特性实验台结构 . 33 图图 3.2 实验台实体图 . 33 图图 3.3 gardon 型辐射热流计实物图. 34 图图 3.4 mettler toledo 电子天平实物图 . 34 图图 3.5 7018 数据采集模块实物图 . 35 图图 3.6 实验样件一维处理示意图 . 35 图图 3.7 样件绝热处理与热电偶布置 . 36 图图 3.8 木材发生热解后的炭层深度 . 36 图图 3.9 木材热解过程示意图 . 38 图图 3.10 在 15 kw/m2的热流条件下木材在合肥和拉萨的失重对比 . 38 图图 3.11 在 20.5 kw/m2的热流条件下木材在合肥和拉萨的失重对比 . 39 图图 3.12 在 26 kw/m2的热流条件下木材在合肥和拉萨的失重对比 . 39 图图 3.13 在 31.5 kw/m2的热流条件下木材在合肥和拉萨的失重对比 . 40 图图 3.14 在 37 kw/m2 的热流条件下木材在合肥和拉萨的失重对比 . 40 图图 3.15 木材在拉萨和合肥两种环境下热解过程中的表面温度曲线，热流： 15kw/m2 . 43 图图 3.16 木材在拉萨和合肥两种环境下热解过程中的表面温度曲线，热流： 26kw/m2 . 43 图图 3.17 木材在拉萨和合肥两种环境下热解过程中的表面温度曲线，热流： 31.5kw/m2 . 44 图图 3.18 0 . 5 t与入射热流的线性关系 . 47 图图 4.1 水平垂直辐射实验台示意图， （a）垂直辐射， （b）水平辐射 . 55 图图 4.2 水平垂直辐射实验台实物图 . 55 图目录 xi 图图 4.3 水平和垂直辐射方向条件下木材失重速率 . 57 图图 4.4 水平和垂直辐射条件下热解气体流动示意图 . 57 图图 4.5 两种辐射方向条件下表面温度变化， 热流值分别为 16 kw/m2、 19 kw/m2、 21 kw/m2 . 59 图图 4.6 在直垂辐射条件下木材热解过程中表面温度曲线 . 60 图图 4.7 0.5 ig t和 0.55 ig t分别于入射热流的线性关系 . 62 图图 5.1 木材热解物理模型 . 68 图图 5.2 不同辐射方向条件下热解气体层的厚度示意图 . 72 图图 5.3 水平辐射情况下热解气体的逸出速度和气体层厚度 . 75 图图 5.4 在水平和垂直辐射条件下木材的失重速率计算结果 . 75 图图 5.5 在水平辐射情况下的模型实验结果对比情况（热流 27kw/m2、30kw/m2） . 76 图图 5.6 水平和垂直辐射两种工况下木材失重速率模型实验结果对比（热流 27kw/m2） . 77 图图 5.7 水平辐射和垂直辐射条件下木材热解失重对比（45kw/m2） . 77 图图 5.8 水平辐射和垂直辐射条件下木材热解失重对比（40kw/m2） . 78 图图 5.9 水平辐射和垂直辐射条件下木材热解失重对比（35kw/m2） . 78 图图 5.10 水平辐射和垂直辐射条件下木材热解失重对比（30kw/m2） . 79 图图 5.11 水平辐射和垂直辐射条件下木材热解失重对比（25kw/m2） . 79 图图 5.12 在水平和垂直辐射条件下失重速率峰值及峰值的差值 . 80 图图 5.13 在水平和垂直辐射条件下失重速率到达峰值的时间及时间差值 . 81 图图 5.14 在水平和垂直辐射条件下失重速率的差值 . 82 图图 5.15 垂直辐射方向不同热流条件下的表面温度的模型实验对比 . 82 图图 5.16 不同辐射方向条件下表面温度的模型实验对比 . 83 图图 5.17 水平辐射情况下着火实验的模型实验对比 . 85 图图 5.18 垂直辐射情况下着火时间的模型实验对比 . 85 图图 5.19 0.55 ig t与入射热流的线性关系 . 86 表目录 xii 表目录表目录 表表 3.1 拉萨、合肥两地的环境条件 . 32 表表 3.2 拉萨和合肥两地木材的着火温度 . 45 表表 3.3 木材分别在合肥、拉萨两地的着火时间 . 46 表表 4.1 水平和垂直辐射条件下对流换热系数 . 58 表表 4.2 水平和垂直辐射条件下木材的有引火源着火时间 . 61 表表 5.1 热解模型的输入参数 . 73 表表 5.2 水平辐射和垂直辐射失重速率峰值及峰值之差 . 80 表表 5.3 水平辐射和垂直辐射失重速率到达峰值的时间及时间之差 . 81 表表 5.4 着火时间的计算结果 . 84 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。 除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。 与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：_ 签字日期：_ 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 公开 保密（_年） 作者签名：_ 导师签名：_ 签字日期：_ 签字日期：_ 第 1 章 绪论 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 研究背景 火灾是在时间和空间上失去控制的燃烧现象，一旦发生，人类的生命和财产 完全将会受到巨大的损失。同时，“火”又是人类发展过程中不可缺少的部分，是 人类从荒蛮走向文明的关键因素。所以要想合理的利用“火”，使其在人类的生活 中成为帮手而不是害人的帮凶，需要从基本原理上去研究“火”或者燃烧现象，研 究其发生、发展过程，以达到预防火灾发生、保证人类生命财产安全的目的。 燃烧是指还原剂（可燃物）与氧化剂（通常指氧气）在一定条件下发生剧烈 放热反应的过程，而火灾过程中燃烧的载体（可燃物）通常有三中类型：固体、 液体和气体。 其中固体火灾是最普遍的一种， 也是与人类的生产生活密切相关的 一类火灾。例如建筑火灾中，通常是由于建筑内的固体可燃物着火、蔓延而引发 大规模火灾，同时固体可燃物燃烧时释放的烟气通常含有大量的有毒有害气体， 严重影响了人们的生命安全， 所以固体可燃物的燃烧特性是火灾安全科学领域中 的重要研究课题。按照热解行为的不同，固体可燃物可大致分为两类，即炭化固 体可燃物和非炭化固体可燃物。 其中炭化固体可燃物热解过后会形成以炭为主要 成分的固体残留物，导致可燃物整体的热物性参数产生一定的变化；非炭化固体 可燃物热解完全产生挥发份，而不会产生固体残留物。以上两类可燃物的典型代 表分别为木材和有机玻璃（pmma） 。木材以其易加工性和易获得性的优点，在 建筑材料和装饰材料中都有大量的应用，然而其作为易燃材料，一旦发生着火， 容易引发大规模火灾，对人们的生命和财产安全造成极大的威胁。所以木材的燃 烧特性在火灾安全研究领域受到了广泛的关注1-16。 通常情况下， 木材这一类炭化可燃物的燃烧过程包含非常复杂的物理化学过 程，可以概括为以下几个过程2,5,6： （1）木材在加热的作用下温度逐渐升高； （2） 当达到一定温度时发生热解反应，生成包含可燃性热解气体的挥发性物质和炭； （3）产生的可燃性气体在多孔介质（炭层）中流动，最后从表面逸出； （4）可 燃性气体与外界空气中的氧气混合，当达到临界条件时（临界浓度和临界温度） ， 第 1 章 绪论 2 将会出现火焰； （5）火焰提供维持木材持续热解和燃烧的热量，直至燃料燃尽。 在以上所列出的燃烧过程中，热解和着火是燃烧的初始过程，是导致燃烧的发生 甚至引发大规模火灾的关键阶段， 所以木材的热解着火特性是火灾科学研究中的 重要方面1,2。 固体可燃物的着火方式通常可分为两种1,2：有引火源着火（pilot-ignition） 或强迫着火（force-ignition） ；无引火源着火（spontaneous-ignition）或自动着火 （auto-ignition） 。以何种方式着火取决于是否存在引火源（通常为小火焰、电火 花或电热丝等） 。在火灾科学的研究中，有火源着火更加值得关注，因为2： （1） 着火更容易发生； （2） 这种着火方式与火蔓延关系密切； （3）在实际当中，火 源的存在是无法避免的。而对于木材这种炭化可燃物来说，在无火源的条件下， 着火的形式又可以分为气相着火 （flame-ignition） 和炽热着火 （glowing-ignition） 。 气相着火是指通常情况下的有火焰出现的着火现象；炽热着火是指没有火焰出 现， 但是在炭化固体可燃物表面发生剧烈的氧化还原反应，并伴随有发光放热的 现象。目前，两种形式着火的发生条件，以及从炽热着火向气相着火的转变过程 也是火灾科学领域中的重要研究课题1,2。 1.2 国内外研究现状 对炭化固体可燃物的热解过程的研究包括化学动力学方面的研究以及传热 传质方面的研究。 其中动力学方面的研究是热解特性研究的基础，而传热学方面 的研究可以表观固体总体的能量变化情况， 更加直接的描述固体热解过程中的温 度变化和热解挥发份的流动情况。 炭化固体可燃物的热解和着火作为火灾科学和 燃烧学领域的重要研究方面，国内外学者对其进行了大量的实验和理论研究， babrauskas1、atreya2、quintiere3、drysdale4、kanury5、welker7、di blasi12 等人的综述性文章均回顾了炭化可燃物热解着火特性的研究进展。 通过文献阅读 及整理，可以对前人研究工作大致总结如下。 1.2.1 实验研究 对固体可燃物热解着火过程的实验研究是在实验室建立中小尺寸模型， 模拟 第 1 章 绪论 3 实际火灾工况，从而得到火灾的发生发展规律，同时实验研究也为建立更加完善 的理论模型提供基础数据，从而更加准确的预测火灾的发生和发展过程。针对建 筑火灾的特点， 传热方式通常是来自火焰或高温烟气的直接对流传热， 以及火焰、 顶棚高温烟气层和高温墙壁的辐射传热。 腔室火灾中的辐射传热的程度要远远大 于对流传热，是引发可燃物发生着火的主要传热方式18，因此大部分针对可燃 物热解着火特性的实验研究主要是在以辐射作为对可燃物的加热方式的实验台 上展开的。对于此类实验台，辐射源是其中的核心部分，为了更有效的模拟实际 火灾工况下的热辐射作用，研究者选用过多种不同类型的热源作为辐射源，包括 电阻型辐射源10,13-15,17、气体火焰19,20、高温钨丝灯21,22、和 co2激光器8,23等。 目前应用最广泛的是电阻型辐射源，例如美国国家标准技术研究院（nist）设 计和研发的锥形量热仪（cone calorimeter）24以及美国俄亥俄大学的 osu 量热 计25均是采用电热丝这一电阻型热源作为辐射源，此两个实验台已成为 astm 的标准试验测试装置。 研究热辐射作用下固体可燃物的热解着火特性， 需要测量几个基本参数， 即： 着火时间、表面温度、失重速率等。研究者对着火时间的测量结果相差很大1， 这是因为：有无引火源的存在对着火特性有较大影响1,2,26，引火源通常为小火 焰27、 电热丝28、 电火花29,30等， 而且引火源的位置对着火也有一定的影响2,31。 测量固体表面温度的方法通常采用热电偶8,15,16,32及红外热像仪33进行测量，另 外有一些研究者通过外推法，利用所测量的内部温度来估算表面温度34。部分 学者16,35还测量了固体的失重速率和固体表面的挥发分质量流率。 热辐射作用下炭化固体可燃物热解及着火的实验研究， 通常分别针对外部因 素和内部因素两方面来展开。其中：外部影响因素主要包括：辐射热流强度、辐 射方向、引火源、对流作用、氧气浓度、环境压力等；而内部影响因素主要包括： 可燃物的热物性、热解动力学、含水率、纹理方向、实验样件尺寸、炭层的影响 等。 spearpoint 和 quintiere36利用锥形量热计研究了热流强度、木材种类及木材 纹理方向对木材热解及着火过程的影响， 发现低入射热流与高入射热流情况下的 着火机理有很大差异， 其研究中定义的高热流和低热流的分界点为 40kw/m2， 在 低入射热流段着火发生之前出现的木材表面炽热燃烧（glowing combustion）形 第 1 章 绪论 4 成的高温区域可以起到一个类似引火源的作用， 导致局部产生火焰并蔓延至整个 表面，而在高入射热流条件下，固体表面整体迅速出现火焰；其研究同时发现顺 纹（along grain，入射热流与纹理方向平行）情况下木材的着火临界热流比横纹 （across grain，入射热流与纹理方向垂直）情况下更难发生着火。 boonmee 等人15进一步针对低热流下（30%时，氧浓度再增加，着火时间没有明显的变化。 delichatsios14研究了低氧浓度条件下（15-21%）木材在有引火源情况下着 第 1 章 绪论 6 火特性的影响， 研究发现在其测试范围内的氧气浓度变化对木材的着火时间影响 很小，但是在高热流条件下（50kw/m2） ，临界着火失重速率随着氧浓度的增大 而减小，而在低热流条件下变化不大。总体来说在低氧浓度环境下固体可燃物的 着火特性与正常氧浓度下的差别不大。 王亚飞等人48通过实验研究了高原低压低氧环境下木材热辐射作用下的热 解及着火特性，发现拉萨的低压环境下的木材着火时间更短，认为高海拔下的低 压环境更有利于木材热解气体的释放，从而导致更容易发生着火，而拉萨的高原 低氧条件并没有对木材的着火起到明显的限制作用。 hirsch 等人49研究了不同环境压力下致使发生着火的氧浓度的临界值， 发现 环境压力对发生着火的临界氧气相对浓度影响不大，而对临界氧分压有一定影 响，环境总压力越大，临界氧分压越大。 bilbao 等人50研究了含水率对木材热解过程的影响， 测量了不同含水率的木 材在热解过程中的内部温度，发现含水率越高内部升温速率越慢，并发现在水的 沸点附近，内部温度增长曲线会出现短时间的停止增长，当水分蒸发完全时，温 度继续上升。simms 等人39研究了木材含水率对木材着火特性的影响，发现木 材的含水率越高，着火时间越长，认为木材含水率对于影响到了内部的热传导过 程，从而使得着火时间产生了变化。 nussbaum 等人50通过实验研究了木材样件尺寸对着火时间的影响，发现较 大尺寸的样件着火时间更短，这主要是由于可燃热解气体的局部浓度不同造成 的；ritchie 等人52研究了样品尺寸对木材热释放速率的影响，发现样件尺寸对 热释放速率的峰值有影响，样件尺寸越大峰值越高。 1.2.2 理论模型研究 简单的说，固体热解模型就是一种模拟固体传热、化学反应、生成热解气体 等过程的算法53，是基于基本的物理化学原理和物质固有特性，加以适当的假 设而形成的数学表观。 建立有效的热解模型的目的是准确预测固体在热解过程中 的热特性变化，如温度、失重、生成热解气体的浓度等等。 一个完善的热解模型包括化学反应动力学过程和物理传递过程， 按照其考虑 的物理传递的复杂程度可以分为两类54： （1）仅考虑固相的物理化学变化过程 第 1 章 绪论 7 简化模型； （2）同时考虑固相和气相物理化学过程的全面模型。 对于第一类模型， 模型忽略了气相过程， 仅将热解及着火看作固相传热过程， 简化了模型的求解，有时可以得到解析解，但是这一类模型需要确定一定的临界 条件来判断着火的发生8-10,27，临界条件包括临界失重速率和临界表面温度，所 以这一类模型更依赖于实验数据。热辐射作用下固体可燃物热解着火模型，通常 设定一个入射热流，而其他边界条件设定为绝热，所以往往这一类模型大部分描 述的是一维过程4,9,10,12,15。 其中 kung9所建立的模型是第一类模型的代表， 其用 固相一维瞬态热传导过程来描述热解过程， 同时考虑到了热解挥发份与固相的热 交换作用，并将这一作用通过能量守恒方程中的源项来描述；而热解过程中的化 学动力学过程用一阶单步阿伦尼乌斯方程来表达， 模型中假设热解气体产生后立 即离开固体，热解反应速率与热解气体的生成速率相等。 weatherford 和 sheppard55通过研究炭化材料的着火机理，确定了以热波由 表面传递到样件中心的时间的着火判据。ritchie 等人56利用全局解析模型来确 定达到木材样件表面的净入射热流，忽略了复杂的气相过程；而对于固相部分， 考虑炭化材料的热物性是时间、局部固相温度及位置的函数。 相对于以上几个模型对化学动力学过程的简化 （即采用单步一阶总体反应模 型），有些研究者采用多步反应模型，以更加准确的描述热解过程中的化学反应 过程及产物。panton 和 rittmann57假设木材热解生成中间产物和挥发份，中间 产物经过再次分解生成最终的固体残留物和气体， 其模型还考虑到了热解过程中 空隙率的变化。di blasi12,58也将热解动力学过程看成两步反应过程，第一步反 应为木材分解出炭、焦油、可燃气体，第二步反应为焦油进一步反应成炭和可燃 气体。 rhodes 和 quintiere59用积分模型描述了 pmma 的着火和燃烧过程， 经过对 模型的改进，spearpoint 和 quintiere36描述了炭化材料的热解过程，boonmee 和 quintiere15通过对模型的再次改进，预测了木材的自动着火过程；delichatsios 等人60利用积分模型确定了木材的着火时间；ji 等人61利用积分模型较好的预 测了在变热流条件下木材的自动着火过程。以上几个积分模型的优点是模型简 单，便于实际应用，然而其缺点是需要假设一个内部温度分布函数（如：多项式 形式和指数形式） ，结合边界条件确定温度分布函数中的常数参量，再将最终确 第 1 章 绪论 8 定的温度分布函数代入积分形式的能量守恒方程中，得到常微分方程，最后求解 常微分方程，求解的结果很依赖于确定的温度分布函数，并且忽略了热解过程中 化学反应动力学的影响，可能造成计算结果误差较大。 热解模型的可靠性对于热解过程中的物理变化和输入参数的依赖性都很大， kansa 等人62将木材的孔隙率和渗透性考虑到了模型中， 其模型假设热解气体在 固体中的流动遵循 darcy 定律，模拟结果发现当木材表面完全炭化时，样件的失 重速率达到峰值。dai 等人63通过对 kung 模型的改进，引入 darcy 定律，模拟 了木材在不同环境压力条件下的热解特性，计算结果显示，在低压环境中热解气 体更容易释放，且木材的失重速率较大。以上的模型中都是假设热射热流为均匀 的， 在这种情况下可以应用一维模型来计算，但是在某些情况下入射热流并不是 均匀的， 这时就需要利用多维模型， 例如 di blasi64的二维模型中也应用了 darcy 定律来描述挥发份的流动；park 等人65通过二维模型计算了固体内部的压力分 布和温度分布；yuen 等人66建立了三维的热解模型，其模型中考虑了较多的影 响因素，包括了材料的各向异性、内部水分蒸发、材料内部的热传导、热物性的 变化等，内部流动遵循 darcy 定律。 对于第二类模型，其物理化学变化过程比较复杂，考虑到了固-气两相过程， 就需要处理固-气界面的传递，所以这一类模型往往是通过数值方法来求解12,55。 kashiwagi8建立了考虑到固-气两相的一维热解模型来预测固体可燃物的自动着 火，在固相方面考虑到了内部的辐射传热，在气相方面考虑了有限反应速率动力 学模型，模型假设当气相边界条件达到预定的临界值时则发生着火。 di blasi 等人67的模型中考虑到了热解气体对辐射的吸收作用，并将对辐射 的吸收得到的能量加入到气相能量守恒方程中，认为在特定的热流条件下，热 解气体对辐射的吸收有很大的影响。 kung68在其固相模型的基础上耦合了气相模型，研究了垂直木块的燃烧， 在计算质量、动量、能量及组分方程时，引入了简化的边界层。kim 等人69通 过简化的计算方法求解了气相传递过程，研究了垂直放置木材的自然对流问题。 zhou 等人70通过模型求解了 pmma 在有引火源条件下的着火过程， 模型计 算出了热解气体在垂直方向上的速度场， 再由速度场的计算结果计算组分和能量 方程；模型中设定一个确定的着火温度，当气相温度达到该温度时，着火就会发 第 1 章 绪论 9 生。 tsai 等人71计算了 pmma 在有无引火源条件下的着火，在其固相部分利用 简单的一维热传导方程计算出固-气界面的边界条件，在气相部分利用总体动力 学模型来计算。其着火时间的计算结果与实验吻合的较好，但是当入射热流较小 时，该模型的计算结果不太理想，因为能量较小以至不能引发气相反应。 nakamura 等人72,73的气相模型模拟了自动着火和火蔓延的情况，并且考虑 到了环境氧浓度的影响。 上述的热解数值模型，从计算方法上又可以分为积分模型和微分模型（偏微 分方程模型） 。如 rhodes 和 quintiere59、spearpoint 和 quintiere36、boonmee 和 quintiere15、delichatsios 等人60、ji61的模型都属于积分模型，这一类模型的优 点是计算简单，便于实际应用，但非常依赖与温度分布函数，如果从实验中能够 精确的测得温度分布，输入准确的热物性参数，应用此类模型应用比较方便。而 偏微分方程模型的计算非常复杂，一般需要用数值方法来求解，但其基于基本的 物理规律，所以有较明确的物理意义，可信度比较高。上述的 kung9、di blasi12,58、park 等人65、yuen 等人66等模型是偏微分方程模型的代表。目前偏 微分方程模型是模拟热辐射作用下固体可燃物热解着火中普遍采用的数学方法。 1.2.3 热解气体的流动特性对木材热解的影响 在对热辐射条件下的炭化可燃物的热解着火过程的研究中， 一些研究者通过 实验的方法11,14,15,26,31,38,46,47表观地得到木材的着火规律， 没有考虑到热解气体的 流动，而在模型建立过程中，一些模型也只考虑到了固相热传导过程9,55-58，而 忽略了气相过程，虽然一些研究者提出的模型中包含气相过程67-73， 但是其针对 的是热解气体离开固体后的过程，包含一些气相反应的过程。而对热解气体在固 体内部的流动过程以及气体在固体内部与固相之间的热交换过程研究较少。di blasi12以及 spearpoint36等人的研究中得出， 在木材的热解气体的产生和流动过 程中，在固体内部会产生压力分布，如图 1.1 所示。di blasi12假设热解气体在 木材这种多孔介质中的流动遵循 darcy 定律， 热解气体是在以压力梯度为驱动力 的作用下流动的，压力梯度的大小决定了热解气体流动速度的大小，从而也会影 响到木材整体的失重情况和热解情况。 在固体内部形成的压力分布受热解气体的 第 1 章 绪论 10 生成速率影响，即受到热解速率的影响，同时也受到木材所处的环境条件影响， 例如不同的压力环境，不同的辐射方向等。而热解气体在固体内部的流动必定与 固体发生能量交换，导致木材热解的整体进程发生改变；另外热解气体在固体边 界的流动速度也使得固体的边界条件发生变化，从而影响到木材的热解。 图图 1.1 木材热解过程中的内部压力分布（引自文献 36） 从我们的研究中发现，在高原的低压低氧环境中，木材热解速率更快（实验 中样件的失重速率大） ，更容易发生着火，这一现象似乎与通常的概念不同。初 步认为这是由于热解气体在不同环境中的流动特性不同所导致的， 所以需要对木 材的热解着火机理进行深入的研究。 在另外一些实验中发现， 实验样件的放置方式不同， 也造成着火特性的不同， 例如样件的水平放置和垂直放置。因为热解气体流动方向始终是向上的，而入射 热流与热解气体流动的相对方向的不同也造成木材着火特性的差别。如图 1.2 所 示，图的左半部分为样件水平放置，热解气体朝向辐射源流动，图的右半部分为 样件垂直放置，热解气体的流动方向与辐射热流入射方向垂直，而热解气体对入 射热流有吸收作用8,37，在两种放置方式情况下，热解气体的浓度边界层的厚度 有较大差别，所以造成对辐射吸收程度的差别，从而影响木材热解的边界条件。 第 1 章 绪论 11 图图 1.2 样件放置方式不同造成的热解气体与辐射热流的相对方向不同 综上所述热解气体流动特性对木材热解有比较大的影响， 特别是在特