線性上升熱流下木材熱解過程的溫度分布及炭化速率研究.pdf

1、固體可燃物受熱時(shí)，達(dá)到一定溫度后會發(fā)生熱解，并生成炭及可燃揮發(fā)分，可燃?xì)怏w從固體表面逸出后與環(huán)境中的氧氣混合，當(dāng)達(dá)到點(diǎn)燃的臨界條件時(shí)即可點(diǎn)燃形成氣相火焰并開始蔓延。因此在火災(zāi)發(fā)生的早期，能否準(zhǔn)確預(yù)測固體可燃物的熱解行為決定了能否較好的模擬火災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展過程。炭化材料燃燒后會留下相當(dāng)數(shù)量的殘余物，主要是炭，其典型代表是木材。木材是火災(zāi)中最常見的可燃物之一，能否準(zhǔn)確預(yù)測木材在火災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展階段的燃燒特性對火災(zāi)安全設(shè)計(jì)有著極其重要的作用。

2、 熱輻射是室內(nèi)火災(zāi)中熱傳遞的主要方式，并且決定著火災(zāi)的蔓延和發(fā)展。國內(nèi)外學(xué)者的實(shí)驗(yàn)和模型工作基本都是在外部輻射熱流保持恒定的情況下進(jìn)行的，而對于通常的室內(nèi)火災(zāi)過程，可燃物接受到的輻射熱流隨著火災(zāi)的發(fā)展而不斷變化，因此，有必要對變化熱流下木材的燃燒特性進(jìn)行研究。 在前人工作的基礎(chǔ)上，本文研究了木材在變化熱流條件下的熱解，炭化及點(diǎn)燃過程中的現(xiàn)象和規(guī)律，研究工作主要包括以下幾個(gè)方面： 利用火災(zāi)早期特性實(shí)驗(yàn)臺研究了隨時(shí)間

3、線性上升輻射熱流下不同種類木材的熱解和點(diǎn)燃過程，分析了熱流變化率及木材密度對點(diǎn)燃時(shí)間、表面溫度及內(nèi)部溫度分布等關(guān)鍵參數(shù)的影響。研究表明熱流變化率及木材密度對木材的點(diǎn)燃時(shí)間都有很大影響，點(diǎn)燃時(shí)間隨著熱流變化率的增加而減小，利用點(diǎn)燃時(shí)間和熱流變化率之間的乘冪函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)得到的變化熱流下木材點(diǎn)燃所需的臨界熱流變化率為0.02kW·m-2·s-1，點(diǎn)燃時(shí)間和木材密度之間的線性函數(shù)關(guān)系表明，點(diǎn)燃時(shí)間隨著密度的增加而增加，這分別是由其外部和內(nèi)部熱傳

4、遞速率決定的。對于同種木材，其溫升速率隨著熱流變化率的上升而增加，而在相同的外部輻射條件下，密度較小的木材樣品表面附近升溫較快。點(diǎn)燃時(shí)刻的表面溫度隨著熱流變化率的上升而降低，而密度對其影響不大，溫度值在340℃-520℃范圍內(nèi)。 在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，建立了變化熱流下木材熱解的偏微分模型并利用模型進(jìn)行計(jì)算分析。研究了不同熱流變化率下木材的溫度分布，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)模型可以較好的預(yù)測熱解過程中的溫升。對比了不同熱流條件下

5、木材的溫升過程、吸收相同能量時(shí)的表面溫度以及溫度梯度，表明恒定熱流及上升熱流條件下的結(jié)果有很大差異，恒定熱流下溫度在初始階段隨時(shí)間的上升很快，后期逐漸趨于平緩，而在上升熱流條件下溫度在初始階段隨時(shí)間的上升較為緩慢，但在后期其上升趨勢比恒定熱流下更為明顯。分析了熱解模型對木材表面發(fā)射率、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱以及炭導(dǎo)熱系數(shù)等輸入?yún)?shù)的敏感度。 最后利用模型的溫度計(jì)算結(jié)果分析了炭化層厚度隨時(shí)間的變化過程，從而研究變化熱流下木材的炭化速率。研