（安全技术及工程专业论文）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.pdf

博士学位论文：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的温升过程、吸收相同能量时的表面温度以及温度梯度，表明恒定热流及上升热流条件下的结果有很大差异，恒定热流下温度在初始阶段随时间的上升很快，后期逐渐趋于平缓，而在上升热流条件下温度在初始阶段随时间的上升较为缓慢，但在后期其上升趋势比恒定热流下更为明显。分析了热解模型对木材表面发射率、导热系数、比热以及炭导热系数等输入参数的敏感度。最后利用模型的温度计算结果分析了炭化层厚度随时间的变化过程，从而研究变化热流下木材的炭化速率。研究表明线性模型可以很好地描述变化热流下木材的炭化过程，在逐渐增大的辐射热流及逐渐增厚的炭化层这两个因素的共同作用下，变化热流下的木材炭化速率在开始炭化后基本保持恒定不变，而乘幂模型可以很好地描述恒定热流下木材的炭化过程，炭化速率随时间逐渐降低，恒定热流下的平均炭化速率要大于变化热流下的炭化速率。对变化热流下热流变化率及木材密度对炭化速率的影响进行了分析，并对变化热流下木材炭化速率与热流变化率及木材密度之间关系提出了一个经验关系式。关键词：变化热流，木材，热解，温度分布，炭化速率abstractixa b s t r a c tw h e ns u b j e c t e dt oe x t e r n a lh e a t i n g ，s o l i dc o m b u s t i b l es t a r tt od e c o m p o s e ，g i v i n gam i x t u r eo fv o l a t i l es p e c i e sa n d ，s o m e t i m e s ，c h a ra sp r o d u c t s t h em i x t u r eo ft h ev o l a t i l e se m i t t i n gf r o mt h es o l i ds u r f a c ea n dt h ea m b i e n to x y g e nw i l lb ei g n i t e dw h e nt h ec r i t e r i ao fi g n i t i o na r ea c h i e v e d c h a r r i n gm a t e r i a lw i l lp r o d u c tl a r g ea m o u n to fs o l i dc a r b o n a c e o u sr e s i d u a l ，m a i n l yd l a r ，a 佥e rc o m b u s t i o n w o o di st ob ec o n s i d e r e da st h em o s tr e p r e s e n t a t i v eo fc h a r r i n gm a t e r i a l sa n di so n eo ft h em o s tp o p u l a rc o m b u s t i b l e si naf i r e s ot h ec a p a b i l i t yt op r e d i c tt h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fw o o di sq u i t ei m p o r t a n tt of i r es a f e t ye n g i n e e r i n g t h e r m a lr a d i a t i o ni st h em a i nm e t h o do fh e a tt r a n s f e ri nac o m p a r t m e n tf i r e t h ep r e v i o u se x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a ls t u d i e sw e r ea l m o s tc o n d u c t e dw i t ht h ee x t e r n a lh e a tf l u xi m p o s e do nt h es p e c i m e ni sf i x e da n di sn o tv a r i e dw i t ht i m e w h i l e ，i nac o n l m o nc o m p a r t m e n tf i r e ，t h ee x t e r n a lh e a tf l u xi m p o s e do nt h ec o m b u s t i b l e sw i l lv a r yc o n t i n u o u s l y w i mt h eg r o w t ho ff i r e s oi ti sn e c e s s a r yt oe x a m i n et h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fw o o de x p o s e dt ov a r i a b l eh e a tf l u x e s b a s e do nt h ef o r m e rw o r k ，t h i sp a p e re x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l ye x a m i n e st h ep y r o l y s i s ，c h a r r i n ga n di g n i t i o np r o c e s so fw o o de x p o s e dt ov a r i a b l eh e a tf l u x e s ，a sf o l l o w i n g ：t h er a d i a t i o np l a t f o r mf o rs t u d y i n gt h ef i r eb e h a v i o ro fc o m b u s t i b l e si su t i l i z e dt or e s e a r c ht h ep y r o l y s i sa n di g n i t i o no fd i f f e r e n tw o o ds p e c i e su n d e rh e a tf l u x e sl i n e a r l yi n c r e a s i n gw i t ht i m e t h ei n f l u e n c e so fi n c r e a s i n gr a t eo fh e a tf l u xa n dw o o dd e n s i t yo nt h ei g n i t i o nt i m e ，s u r f a c et e m p e r a t u r ea n di n t e r n a lt e m p e r a t m ed i s t r i b u t i o na r ee x a m i n e d i ti sf o u n dt h a tb o t ho ft h e mw i l la f f e c tt h ei g n i t i o nt i m e t h ei g n i t i o nt i m ew i l ld e c r e a s ew i t hal a r g e ri n c r e a s i n gr a t eo fh e a tf l u xa n das m a l l e rw o o dd e n s i t yt h i si sd e t e r m i n e db yt h ee x t e r n a la n di n t e r n a lh e a tt r a n s f e rr e s p e c t i v e l y t h ec r i t i c a li n c r e a s i n gr a t eo fh e a tf l u xf o rw o o di g n i t i o nu n d e rv a r i a b l eh e a tf l u x ，w i t ht h ev a l u eo fo 0 2k w m - 2 s c a l lb ee s t i m a t e df r o mt h ep o w e rf u n c t i o no fi g n i t i o nt i m ea n di n c r e a s i n gr a t eo fh e a tf l u x t h er a t eo ft e m p e r a t u r er i s ew i l li n c r e a s ew i t hal a r g e ri n c r e a s i n gr a t eo fh e a tf l u xa n das m a l l e rw o o dd e n s i t y t h es u r f a c et e m p e r a t u r ea ti g n i t i o nw i l ld e c r e a s ew i t hal a r g e ri n c r e a s i n gr a t eo fh e a tf l u x ，a n di nt h er e g i o no f3 4 0x 博士学位论文：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一5 2 0 b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，ap d em o d e li sd e v e l o p e df u r t h e rt oe x a m i n et h ep y r o l y s i so fw o o ds u b j e c tt ov a r i a b l e h e a tf l u x t h em o d e lp r e d i c t i o n sa n de x p e r i m e n t a ld a t ao ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nc o m p a r ew e l l t h et e m p e r a t u r er i s e ，s u r f a c et e m p e r a t u r ew h e na b s o r b i n gt h es a m et h e r m a lr a d i a t i o n ，a n dt h et e m p e r a t u r eg r a d i e n te x p o s e dt oc o n s t a n ta n dv a r i a b l eh e a tf l u xa r ec o m p a r e d i ts h o w st h a tt h er e s u l t so ft h e ma r eq u i t ed i f f e r e n t t h et e m p e r a t u r eo fw o o ds u b j e c tt oc o n s t a n th e a tf l u xr i s er a p i d l yi nt h ei n i t i a la n dr e a c hac o n s t a n tv a l u ee v e n t u a l l yw h i l et h et e m p e r a t u r eo fw o o ds u b j e c tt oi n c r e a s i n gh e a tf l u xr i s eg r a d u a l l yi nt h ew h o l ep r o c e s s t h em o d e ls e n s i t i v i t yt os o m ep a r a m e t e r si sc h e c k e d b a s e do nt h em o d e lp r e d i c t i o no ft e m p e r a t u r e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec h a rl a y e rd e p t ho fw o o da n dh e a t i n gt i m ei se x a m i n e d i ts h o w st h a tal i n e a rr e g r e s s i o nm o d e lc a nd e s c r i b et h ec h a r r i n gp r o c e d u r eo fw o o ds u b j e c tt ov a r i a b l eh e a tf l u xw e l l u n d e rt h ec o m b i n ea f f e c t i o no fap r o g r e s s i v e l yt h i c k e ri n s u l a t e dc h a rl a y e ra n dt h ec o n t i n u i n gi n c r e a s eo fi n c i d e n th e a tf l u x ，t h ea s s u m p t i o no fac o n s t a n tc h a r t i n gr a t ew a ss u p p o r t e db yt h er e s u l t s w h i l eap o w e rr e g r e s s i o nm o d e li ss u i t a b l ef o rt h ec h a r r i n gp r o c e d u r eo fw o o ds u b je c tt oc o n s t a n th e a tf l u x ，a n dt h ec h a r r i n gr a t ew i l ld e c r e a s e dw i t ht i m e t h ea v e r a g ec h a r r i n gr a t eu n d e rc o n s t a n th e a tf l u xi sl a r g e rt h a nt h a tu n d e rv a r i a b l eh e a tf l u x t h ee f f e c to fi n c r e a s i n gr a t eo fh e a tf l u xa n dw o o dd e n s i t yo nt h ec h a r n n gr a t ei se x a m i n e d ，a n da ne m p i r i c a lf o r m u l ai sd e v e l o p e d k e y w o r d s ：v a r i a b l eh e a tf l u x ，w o o d ，p y r o l y s i s ，t e m p e r a t u r e ，c h a r t i n gr a t e符号表符号表a乘幂指数：开始炭化时间( m i n )彳指前因子( s 。1 )c比热( k j ( k g k ) )d炭化层厚度( m m )e表观活化能( j m 0 1 )g比重h焓( j k g ) ；对流换热系数( w ( m 2k ) )h h v燃烧热( m j k g )k导热系数( w ( m k ) ) ：反应速率( m o l s )厚度( m )m炭化速率倒数m含水率( )媳挥发分质量流量( k g ( m 2 s ) )q辐射热通量( k w m 2 )q反应热( j k g ) ；能量r摩尔气体常数( j ( m o lk ) )r温度( k )t时间( s )x空间距离位置( m )w厚度( m m ) ：希腊字母a热扩散率炭化速率( m m m i n ) ，热流变化率( k w m - 2 s 1 )p密度九导热系数( w ( m k ) )博士学位论文：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盯表面发射率热解速率( m o l s )斯蒂芬波尔兹曼常数( w m 2 k 4 )上标0初始值宰变化系数初始值环境值、正在热解炭蒸发最终残余物气体受热表面点燃入射水分净吸收热解固相表面瞬态平均初始木材刊d口c咖厂g 凰喀胁m耐s泖，姘w图例目录x i i i 图例目录图1 1 火灾发展过程及室内温度变化情况6图1 2b i l b a o 工作中的下降热流曲线 5 6 1 7图1 3a s t me1 1 9 实验条件下的上升热流曲线【5 8 】8图1 4i s o8 3 4 实验条件下的上升热流曲线【5 9 】8图3 1 火灾早期特性试验台总体结构示意图2 6图3 2 火灾早期特性试验台外观图2 6图3 3 经过热边界条件处理的木材样品示意图2 8图3 4 非水冷式辐射热流计外观图2 9图3 5 ( a ) 样品两侧热辐射强度对比2 9图3 5 ( b ) 样品中心与两侧热辐射强度对比3 0图3 6 不同输出功率下热辐射源温升曲线3 0图3 7 不同输出功率下样品表面热辐射强度测量曲线3 l图3 8 不同输出功率下样品表面热辐射强度线性拟合曲线3l图3 9 ( a ) 泡桐点燃时间与热流变化率关系3 3图3 9 ( b ) 红椿点燃时间与热流变化率关系3 4图3 9 ( c ) 红椿点燃时间与热流变化率关系3 4图3 9 ( d ) 刺槐点燃时间与热流变化率关系3 4图3 1 0 恒定热流下点燃时间与辐射热流的线性拟合曲线【5 】3 5图3 1 1变化热流下点燃时间与热流变化率的线性拟合曲线3 6图3 1 2 ( a ) 点燃时间与密度关系( y = 0 2 0 8k w m 2 s 1 ) 3 7图3 1 2 ( b ) 点燃时间与密度关系( y = o 3 0 6k w m 2 s 1 ) 3 7图3 1 2 ( c ) 点燃时间与密度关系( y = 0 4 2 5k w m 2 s 1 ) 3 7图3 1 2 ( d ) 点燃时间与密度关系( y = 0 5 7 5k w m 2 s 1 ) 3 8图3 1 2 ( e ) 点燃时间与密度关系( y = 0 8 0 6k w m 2 - s 1 ) 3 8图3 13 点燃时间的经验公式预测结果与实验对比曲线3 9图3 1 4 ( a ) 泡桐内部温度分布( 3 0 ，未点燃) 。4 0图3 1 4 ( b ) 泡桐内部温度分布( 4 0 ，点燃) 4 1图3 1 4 ( c ) 泡桐内部温度分布( 5 0 ) 4 1图3 1 4 ( d ) 泡桐内部温度分布( 7 0 ) 4 1图3 1 4 ( e ) 泡桐内部温度分布( 1 0 0 ) 4 1图3 1 5 ( a ) 红椿内部温度分布( 4 0 ，未点燃) 4 2图3 1 5 ( b ) 红椿内部温度分布( 5 0 ) 4 2图3 1 5 ( c ) 红椿内部温度分布( 6 0 ) 4 2图3 1 5 ( d ) 红椿内部温度分布( 8 0 ) 4 2图3 1 5 ( e ) 红椿内部温度分布( 1 0 0 ) 4 3图3 1 6 ( a ) 榆木内部温度分布( 4 0 ，未点燃) 一4 3图3 1 6 ( b ) 榆木内部温度分布( 4 0 ，点燃) 4 3图3 1 6 ( e ) 榆木内部温度分布( 6 0 ) 4 3图3 1 6 ( d ) 榆木内部温度分布( 8 0 ) 一4 4图3 1 6 ( e ) 榆木内部温度分布( 1 0 0 ) 4 4图3 1 7 ( a ) 刺槐内部温度分布( 4 0 ，未点燃) 4 4图3 1 7 ( b ) 刺槐内部温度分布( 4 0 ，点燃) ：4 4x i v 博士学位论文：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图3 1 7 ( c ) 刺槐内部温度分布( 5 0 ) 4 5图3 1 7 ( d ) 刺槐内部温度分布( 7 0 ) 4 5图3 1 7 ( e ) 刺槐内部温度分布( 1 0 0 ) 4 5图3 1 8 表面温度测量的热电偶布置方式4 7图3 1 9 不同上升热流下泡桐的表面温升曲线4 7图3 2 0 不同上升热流下红椿的表面温升曲线4 8图3 2 l 不同上升热流下榆木的表面温升曲线4 8图3 2 2 ( a ) 泡桐表面及内部温度( 3 0 ，未点燃) 5 0图3 2 2 ( b ) 泡桐表面及内部温度( 5 0 ) 5 0图3 2 2 ( c ) 泡桐表面及内部温度( 6 0 ) 5 0图3 2 2 ( d ) 泡桐表面及内部温度( 8 0 ) 5 l图3 2 2 ( e ) 泡桐表面及内部温度( 1 0 0 ) 5 l图3 2 3 ( a ) 红椿表面及内部温度( 4 0 ) 51图3 2 3 ( b ) 红椿表面及内部温度( 8 0 ) 5 2图3 2 3 ( c ) 红椿表面及内部温度( 1 0 0 ) 5 2图3 2 4 ( a ) 榆木表面及内部温度( 4 0 ，未点燃) 。5 2图3 2 4 ( b ) 榆木表面及内部温度( 5 0 ) 。5 3图3 2 4 ( c ) 榆木表面及内部温度( 8 0 ) 5 3图4 1 热解模型示意图5 7图4 2 ( a ) 泡桐内部温度分布对比( 5 0 ) 6 1图4 2 ( b ) 泡桐内部温度分布对比( 6 0 ) 6 2图4 2 ( c ) 泡桐内部温度分布对比( 7 0 ) 6 2图4 2 ( d ) 泡桐内部温度分布对比( 8 0 ) 6 2图4 2 ( e ) 泡桐内部温度分布对比( 1 0 0 ) 6 3图4 3 ( a ) 红椿内部温度分布对比( 5 0 ) 6 3图4 3 ( b ) 红椿内部温度分布对比( 6 0 ) 6 3图4 3 ( c ) 红椿内部温度分布对比( 7 0 ) 6 4图4 3 ( d ) 红椿内部温度分布对比( 8 0 ) 6 4图4 3 ( e ) 红椿内部温度分布对比( 1 0 0 ) ：6 4图4 4 ( a ) 榆木内部温度分布对比( 5 0 ) 6 5图4 4 ( b ) 榆木内部温度分布对比( 6 0 ) 6 5图4 4 ( c ) 榆木内部温度分布对比( 8 0 ) 6 5图4 4 ( d ) 榆木内部温度分布对比( 1 0 0 ) 6 6图4 5 ( a ) 刺槐内部温度分布对比( 5 0 ) 6 6图4 5 ( b ) 刺槐内部温度分布对比( 6 0 ) 6 6图4 5 ( c ) 刺槐内部温度分布对比( 7 0 ) 6 7图4 5 ( d ) 刺槐内部温度分布对比( 8 0 ) 6 7图4 5 ( e ) 刺槐内部温度分布对比( 1 0 0 ) 6 7图4 64 0 k w m 2 恒定热流下木材表面温升曲线1 5 j 6 8图4 7 恒定热流下木材不同位置处温升计算曲线( 2 0 k w m 2 ) 6 9图4 8 恒定热流下木材不同位置处温升计算曲线( 4 0 k w m 2 ) - 6 9图4 9 恒定热流下木材不同位置处温升计算曲线( 6 0 k w m 2 ) 7 0图4 1 0 变化热流下木材不同位置处温升计算曲线( 0 1k w m - 2 s 。) 7 0图4 1 1 变化热流下木材不同位置处温升计算曲线( o 5k w m - 2 s 。) 7 0图例目录x v 图4 1 2 变化热流下木材不同位置处温升计算曲线( 1 0k w m - 2 s 。1 ) 7 1图4 1 3 恒定热流及变化热流下木材吸收总能量计算曲线7 2图4 1 4 不同热流下木材吸收总能量相同时表面温度计算曲线( 2 0 ，0 1 ) 7 2图4 1 5 不同热流下木材吸收总能量相同时表面温度计算曲线( 2 0 ，0 5 ) 7 3图4 1 6 不同热流下木材吸收总能量相同时表面温度计算曲线( 4 0 ，0 1 ) 7 3图4 1 7 不同热流下木材吸收总能量相同时表面温度计算曲线( 4 0 ，0 5 ) 7 3图4 1 8 恒定热流下木材不同时刻温度梯度曲线( 2 0 k w m 2 ) 7 5图4 1 9 恒定热流下木材不同时刻温度梯度曲线( 4 0 k w m 2 ) 7 5图4 2 0 恒定热流下木材不同时刻温度梯度曲线( 6 0 k w m 2 ) 7 6图4 2 l 变化热流下木材不同时刻温度梯度曲线( o 1k w m - 2 s 。) 7 6图4 2 2 变化热流下木材不同时刻温度梯度曲线( o 5k w m - 2 s j ) 7 6图4 2 3 变化热流下木材不同时刻温度梯度曲线( 1 0k w m 2 s 1 ) 7 7图4 2 4 变化热流下木材不同含水率时的表面温升曲线( 0 1k w m - 2 s 。1 ) 7 7图4 2 5 变化热流下木材不同含水率时的表面温升曲线( o 5k w m - 2 s 。) 7 8图4 2 6 恒定热流下不同含水率松木的表面温升曲线( 2 0 k w m 2 ) 1 8 j 7 9图4 2 7 变化热流下木材不同表面发射率时的表面温升曲线( 0 1k w - m - 2 s 。1 ) 8 0图4 2 8变化热流下木材不同表面发射率时的表面温升曲线( 0 5k w m - 2 s 。1 ) 8 0图4 2 9 变化热流下木材不同导热系数时的温升曲线( 0 1k w m - 2 s 。) 8 l图4 3 0 变化热流下木材不同导热系数时的温升曲线( 0 5k w m - 2 s 。1 ) 8 1图4 3 l 变化热流下不同炭导热系数时的温升曲线( 0 1k w m - 2 s 。) 8 2图4 3 2 变化热流下不同炭导热系数时的温升曲线( 0 5k w m - 2 s 以) 8 2图4 3 3 变化热流下木材不同比热时的温升曲线( 0 1k w m - 2 s - 1 ) 8 3图4 3 4 变化热流下木材不同比热时的温升曲线( 0 5k w m - 2 s o ) 8 3图5 1 标准火下木材炭化速率及炭化层厚度与时间关系【5 】8 8图5 2 锥形量热计下预测结果与试验结果对比【】8 9图5 3 小热流变化率下辐射热流上升曲线9 2图5 4 ( a ) 泡桐炭化过程线性回归曲线( o 0 5 k w m - 2 s d ) 9 2图5 4 ( b ) 泡桐炭化过程线性回归曲线( o 0 7 5 k w m - 2 s q ) 9 3图5 4 ( c ) 泡桐炭化过程线性回归曲线( o 1 k w m - 2 s - 1 ) 9 3图5 4 ( d ) 泡桐炭化过程线性回归曲线( 0 1 5 k w m - 2 s 。) 9 3图5 5 ( a )红椿炭化过程线性回归曲线( 0 0 5 k w m - 2 s 1 ) 9 4图5 5 ( b ) 红椿炭化过程线性回归曲线( 0 0 7 5 k w m - 2 s 1 ) 9 4图5 5 ( c ) 红椿炭化过程线性回归曲线( 0 1 k w m - 2 s 1 ) 9 4图5 5 ( d ) 红椿炭化过程线性回归曲线( o 1 5 k w m - 2 s 以) 9 5图5 6 ( a ) 榆木炭化过程线性回归曲线( o 0 5 k w - m - 2 s 。1 ) 9 5图5 6 ( b ) 榆木炭化过程线性回归曲线( o 0 7 5 k w 1 t i 2 s 1 ) 9 5图5 6c o ) 榆木炭化过程线性回归曲线( 0 1 k w m - 2 s 1 ) 9 6图5 6 ( d ) 榆木炭化过程线性回归曲线( 0 1 5 k w m - 2 s 。) 9 6图5 7 ( a ) 木材炭化过程线性回归曲线( o 0 5 k w m - 2 s 。) 9 8图5 7 ( b ) 木材炭化过程线性回归曲线( 0 1 k w m - 2 s 1 ) 9 8图5 7c o ) 木材炭化过程线性回归曲线( o 1 5 k w m - 2 s 以) 9 9图5 8 ( a ) 木材炭化过程线性回归曲线( 4 0k w m 2 ) 9 9图5 8 ( b ) 木材炭化过程线性回归曲线( 6 0k w m 2 ) 9 9图5 9 ( a ) 木材炭化过程乘幂回归曲线( 4 0k w m 2 ) 1 0 0x v i 博士学位论文：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图5 9 ( b ) 木材炭化过程乘幂回归曲线( 6 0k w m 2 ) 1 0 1图5 1 0 泡桐炭化速率与热流变化率关系1 0 2图5 1 l 红椿炭化速率与热流变化率关系1 0 3图5 1 2 榆木炭化速率与热流变化率关系1 0 3表5 6 木材炭化速率与热流变化率关系指数拟合曲线表达式1 0 4图5 1 3 木材炭化速率与密度关系( o 0 5 k w m - 2 s q ) 1 0 4图5 1 4 木材炭化速率与密度关系( o 0 7 5 k w m - l s d ) 1 0 4图5 1 5 木材炭化速率与密度关系( 0 1 k w m - 2 s 。1 ) 1 0 5表5 7 木材炭化速率与密度关系乘幂拟合曲线表达式1 0 5表2 1木材中化学成分所占的质量百分比1 6表2 2 木材主要化学成分的热解温度及产物2 0表3 1 火灾早期特性试验台热辐射源技术参数2 7表3 2 室温下四种木材的密度及热物性参数2 7表3 3 不同输出功率下热辐射强度一时间线性拟合表达式3 2表3 4 不同种类木材样品在不同热流变化率下的点燃时间一3 3表3 5 点燃时间随密度变化的拟合曲线表达式3 8表3 6 前人工作中木材点燃时刻的表面温度4 6表3 7 点燃时刻的表面温度4 9表4 1 热解模型的输入参数6 0表4 2 不同热流下木材吸收总能量相同的时间7 2表4 3 变化热流下木材吸收总能量与恒定热流相同时的瞬态热流7 4表5 1 不同热流变化率下木材炭化线性回归曲线表达式9 6表5 2 不同热流变化率下木材炭化速率及炭化开始时间9 7表5 3 变化及恒定热流下木材炭化线性回归曲线表达式1 0 0表5 4 恒定热流下木材炭化幂指数回归曲线表达式1 0 1表5 5 变化及恒定热流下木材平均炭化速率1 0 1致谢致谢在本论文即将完成之际，首先要感谢导师范维澄院士和杨立中教授的悉心指导。范老师渊博的学识，深邃的见解，开阔的思维，严谨的治学态度使我受益非浅，终生难忘。杨老师对科研工作具有敏锐的洞察力和创新精神，他始终如一的关心和支持我的研究工作，他独到的见解每每给我以启迪和思考，他的悉心教诲将使我受益终生。两位老师治学的师者之风与实干精神将继续鼓励我在以后的学习、工作和生活中克服困难，不断进步。在此，我首先向他们表示最真诚的感谢。在本文的研究工作中，与邓志华老师和陈晓军老师在实验方法和理论研究上的探讨让我深受启发，他们提出了很多有价值的思路和建议，使我增强了动手能力，拓宽了研究思路，丰富了本文的研究内容，研究工作少走了很多弯路。在中国科技大学九年的学习生活中，使我有机会接受王清安教授、陈义良教授、程曙霞教授、霍然教授、刘乃安老师等多位老师的教诲和指导，他们的教导使我在这个专业领域中受益匪浅，在此向各位老师表示衷心的感谢。实验室的这几年中，不少老师对我们研究生的生活非常关心，如廖光煊教授、周晓冬老师等，使我在科大不但学到了科技知识，也学会了积极的生活，在此谨向他们表示诚挚的谢意。感谢在研究工作中帮助过我的季经纬、方廷勇、张靖岩、宋虎、龚剑、周宇鹏等同学，他们为研究工作的完善提供了很大的帮助。对课题组的其他成员在此也深表感谢，正是他们团结奋斗，活泼严肃的工作作风鼓舞着我，使我顺利完成论文工作。还要感谢所有曾鼓励和帮助我的人。感谢父母和家人，谢谢他们对我的支持与付出的一切。本文的研究工作得到国家重点基础研究专项经费( 项目编号2 0 0 1c b 4 0 9 6 0 3 ) 和中国科学技术大学国家杰出青年基金后备人选培养计划项目的资助，在此表示感谢。v i 博士学位论文：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郭再富2 0 0 6 年4 月于中国科大第一章绪论第一章绪论1 1 研究背景火灾是一种失去控制的灾害性燃烧过程，对人类的生命财产安全和生态环境等都会造成极大的破坏，是世界各国人民一直以来所面临的一个共同的灾难性问题，而且随着社会生产力的发展和社会财富的日益增加，火灾损失上升及火灾危害范围还在进一步扩大。为了有效地控制火灾的发生并减少火灾损失，必须要认识和揭示火灾中的种种现象，深入地开展火灾的机理和规律研究，科学地展开火灾的防治工作。火灾科学的研究方法包括统计分析、模拟研究以及两者的结合。用统计方法研究火灾的概率性规律主要是通过总结、整理和分析大量的火灾原始资料，归纳出火灾发生的统计性和随机性规律；而对火灾的确定性规律的研究手段主要是火灾模拟，即实验模拟和理论研究。实验模拟主要有小尺寸、中等尺寸、全尺寸几种形式，通过在模拟火灾过程的实验中测得的典型数据来研究具体现象，归纳定量关系，解释火灾具体过程的机理和规律，并为理论研究提供实验数据和经验公式。理论研究主要是根据物理化学过程和合理的简化假设，构造描述火灾现象和过程的数学模型，并定量计算火灾发生和发展过程。固体可燃物受热时，其表面及内部温度随着时间不断上升，达到一定温度后会发生热解，热解反应将生成炭并释放出可燃气体，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并形成气相火焰。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。固体可燃物根据其热解行为可分为两类：即非炭化材料和炭化材料。非炭化材料燃烧完全，燃烧后不会留下残余物，热解表面基本保持在一恒定的热解温度，燃烧模型可以用可燃液体的理论模型近似，其典型代表是p m m a ：相比较而言，炭化材料燃烧后会留下相当数量的残余物，主要是炭，其燃烧过程是一个放热、化学反应和质量传递之间复杂的相互作用的过程，对炭化材料建立的热解模型必须不断跟踪向材料内部逐渐推进的热解博士学位论文：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层，表面温度是不断上升的，其典型代表是木材。木材在人们的日常生活中被广泛的使用，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。1 2 国内外研究现状从人们研究可燃材料的燃烧性能开始，木材就是研究的主要对象之一，迄今为止，国内外对模拟火灾条件下木材的热解，炭化，点燃及燃烧现象已经开展了大量的实验和理论研究。对国内外不同时期的实验和理论研究的代表性工作列举如下。1 2 1 实验研究建筑火灾中通常的热源有以下两种：1 来自高温烟气或火焰的直接对流传热；2 周围的火焰、天花板附近的高温烟气层、高温墙壁的直接辐射传热。室内火灾中辐射传热的作用远远大于对流传热，因此实验工作主要为研究模拟火灾中的热辐射作用下木材的热解及点燃过程，主要研究内容包括点燃时间及点燃判据、试样表面及内部温度分布、热解动力学及产物、热释放速率、炭化速率以及木材内外部因素对其热解及点燃过程的影响等方面，在几篇综述性文章中已经回顾了以上很多工作，包括w e l k e r 【l 】，r o b e r t s 【2 】 k a n u r y 【3 4 】，d r y s d a l e 【5 1 a t r e y a 【6 1a n dd r y s d a l e 【7 ，8 】等。对热解及点燃过程的实验研究首先需要考虑模拟火灾辐射热流所需的适合的加热源，通常采用的辐射加热源包括以下几种：高温燃气辐射板【9 】、高温钨丝灯1 0 , 1 1 、气体火焰【1 2 , 1 3 】、二氧化碳激光器【1 4 , 1 5 以及电加热器【1 6 1 8 】等，目前应用最为广泛的是电加热器。实验中样品的放置方式通常采用水平放置或垂直放置两种，在较强的辐射热流下，样品的放置方式对实验结果影响很小。有源点燃时采用的点火源包括气体火焰【1 9 】、热线【2 0 1 或电火花【1 8 】等，点火源的位置对点燃过程的影响不大。几乎所有的研究人员都测量了点燃时间，但测量结果相差较大。一些研究人员也测量了固体表面温度，通常采用的测量方法为热电偶第一章绪论 1 5 - 1 7 , 2 1 及红外高温计【1 0 1 ，其他研究人员通过外推所测量的内部温度【2 2 】或利用线性热传导理论【8 1 来估算表面温度。部分学者【1 7 ，2 3 2 4 1 还测量了固体表面的挥发分质量流率。对点燃实验数据的分析通常用来推导点燃的经验临界判据，已提出的点燃临界判据包括：临界表面温度 8 , 2 0 , 2 5 1 、临界挥发分质量流率【1 2 2 0 2 3 1 、临界炭化层厚度【2 6 】、临界等效固体温度【2 2 】等。这些判据之中，临界挥发分质量流率从物理上解释是最为准确的，但表面温度是最适合的，因为其可将热解点燃过程与火蔓延联系起来【7 9 ，1 6 2 7 1 。对于可维持燃烧过程，挥发分的生成速率要保证初始火焰的热释放大于热损失，否则点燃将仅为闪火，为提出一个可维持点燃的合理判据，r a l s b a s ha n dd r y s d a l e 2 8 】建议，仅当火焰对温度较低的固体表面的对流热损不超过火焰放热的某一百分比时，气相中的扩散火焰才可维持燃烧，这个判据也被用于研究有源点燃时的i 临界热传递和质量传递条件 2 9 , 3 0 。d i e t e n b e r g e r 3 1 】分别利用锥形量热计和l i f t 装置研究了点燃时间和辐射热流之间的关系，发现不同的实验装置对实验结果有很大影响，主要原因是两个装置中对实验样品的强迫对流冷却有很大区别，并通过校正对流换热系数以及对实验数据进行适合的热传导分析，提出了计算表面发射率、点燃温度、导热系数以及热扩散系数的经验公式。s p e a r p o i n ta n dq u i n t i e r e 3 2 1 在锥形量热计下研究了木材种类，纹理取向和热流对有点火源情况下木材点燃过程的影响，结果表明在临界热流附近木材的点燃机理与在高热流下有很大差异，低热流下点燃之前木材表面出现的灼热区域会在该位置处起到一个点火源的作用，并导致局部点燃及火焰蔓延，而高热流下整个表面均迅速点燃。b i l b a o1 3 3 】研究了表面有气体流动时木材有无点火源情况下的点燃及阴燃现象，发现辐射热流对点燃及阴燃过程的影响要远远大于气体流动速度的影响，气体流动速度对点燃过程的影响要大于阴燃过程，其影响主要体现在对表面的对流冷却以及可燃混合物的稀释，当气体流动速度较大时，点燃时间随着气体流动速度的增加而增大。d e l i c h a t s i o s 3 4 】利用锥形量热计研究了不同氧浓度下有点火源时木材的点燃时间以及质量损失速率，发现氧浓度对点燃时间、临界热流和质量损失速率博士学位论文：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的影响很小，因此在正常空气氧浓度下测量的结果适用于贫氧环境，同时利用热厚型及热薄型的数据回归方法分析了中等尺度木材点燃时间与辐射热流之间的关系，并提出了点燃时刻的临界质量流率。s u b b e r g 【3 5 】对构成木材的主要成分纤维素的热解过程进行了研究，发现在通常的火灾条件下，纤维素的热解过程根据入射辐射热流的大小分别表现为热传递控制或动力学控制，在高热流下( 4 0 k w m 2 ) ，热解区域很薄，热解锋面基本以恒定速度向内部蔓延，而在低热流下( 4 0 k w m 2 ) ，热解区域较厚，热解波向内部的蔓延不能保持恒定速度，并测量得到了热物性参数( 如导热系数、比热等) 随温度的线性增加。d ib l a s ie ta 1 3 6 】研究了不同种类木材在不同辐射强度下的热解特性及产物生成，发现软木热解所需的最小热流要高于硬木，当辐射热流大于4 0 k w m 2 时，不同种类木材的反应动力学趋于一致，此时热传递为控制机制，不同种类木材在热解温度、热解产物产量等方面均有较大差异，这是由于其物理结构、化学组成、热物性等方面的不同造成的。o h l e m i l i e re ta 1 【3 7 】研究了木材不点燃时的热解产物( 如一氧化碳、二氧化碳、水、焦油及碳氢化合物等) 随不同实验工况( 包括加热时间、辐射热流、氧浓度等) 的变化，研究结果表明预测木材热解产物需要一个复杂的化学模型，热解动力学模型中应分别考虑纤维素、半纤维素和木质素三种木材主要成分的热解过程。t r a na n dw h i t e 3 8 】利用o s u 装置研究了木材的燃烧速率，通过在不同辐射热流下测量的热释放、质量损失来表征燃烧速率并推导炭化速率，结果为燃烧速率随热流线性上升，且受木材种类影响很大，且木材表面炭化层的向下衰退应包括炭收缩及炭氧化两方面的作用，在较低的热流下热解生成的挥发气体无法阻止环境中的氧气到达炭层表面，炭氧化的作用尤其明显。r i t c h i ee ta 1 3 9 】研究了样品尺寸对炭化材料热释放速率的影响，结果表明除初始的峰值及受此峰值影响的过渡段前一部分之外，热释放速率基本与样品尺寸无关，大尺寸试样有大的热释放速率峰值。从以上工作也可以看出，不同学者的研究结果往往相差较大，这主要是由于实验条件，如实验装置，测量方法，样品等的差异而造成的，在对比及引入到模型中时需根据要求适当的选取。第一章绪论1 2 2 数值模拟研究炭化材料的热解数值计算模型大体可分为两类：积分模型( i n t e g r a lm o d e l ) 和偏微分方程模型( p d e ) 。积分模型是一种简化方法，其基本思想是假设一个温度分布形式，该形式可以是二次、三次多项式，也可以是指数函数，根据边界条件可以确定温度分布形式中的参数，将温度分布带入积分形式的能量守恒方程，可以得到一个常微分方程，联立常微分方程最后对问题进行求解。积分方法较为简单，便于求解，但其忽略了热解过程中化学反应动力学的影响，且结果误差较大。q u i n t i e r e 【4 0 1 发展的一维热解积分模型中考虑了炭化过程、热传导过程、汽化现象和火焰现象，把整个过程分为未着火、着火后短时间( t 2 5 m i n ) 、着火后长时间( t 9 0 0 秒) ，由于实验中初始热流较大( 4 1 5k w m 2 )