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可燃物热解与着火特性研究

袁兵  
【摘要】:火灾是火失去控制蔓延的一种灾害性燃烧现象,通常包括森林、建筑、油类等火灾以及可燃气和粉尘爆炸。而热解是固体可燃物火灾行为中最初始的阶段,为引发可燃物的着火以及维持随后的火蔓延过程提供必要的气相和固相环境。在特定环境下,热解也会对“燃烧三角”(热,燃料和氧)中的热造成较大影响。热解及其引发的着火过程对火灾的发生和发展起到非常重要的作用,从某种程度上讲,对热解与着火过程机理深入理解,是把握随后发生的火灾蔓延和发展过程的关键所在。 在对火灾的危害、产生机理简要介绍的基础上,本文对国内外可燃物的热解与着火特性研究现状进行了综述,分别对可燃物的热解与着火特性试验研究现状和数学模型研究现状进行了比较系统、全面的介绍。并就国内外学者在这方面研究工作不足进行了阐述。 针对已有研究工作的不足,为了对可燃物热解与着火特性有较深入的了解,本文首先参考锥形量热计的运行原理,设计、搭建了可燃物热解与着火特性试验台,该台架的优点在于所有试验能在密封且气氛可控的条件下进行,而且能够对接近火场实际可燃尺寸的较大样品进行测试。本文以常见典型可燃物(木材)为研究对象,对其热解与着火过程进行了试验研究,得到了材料的表面温度和中间温度的动态变化,测量了材料的质量损失速率,并分析了外界辐射热流、材料种类、含水率、尺寸大小、木材的纹理方向以及试验中的气体成分对热解与着火行为的影响。试验结果表明,这些物理参数依据不同的机理,对材料的热解过程及随后的着火过程都有较大影响。同时本文还分析了着火过程中的两个重要的表征参数:着火时间和着火温度,在此基础上对临界辐射热流这个火灾危险参数进行了讨论。 为了能在机理上把握木材的热解行为,在上述试验结果和前人研究基础上,对典型木材的热解过程进行了数值模拟。模型采用了一阶阿仑尼乌斯热解动力学,考虑了固体内部瞬间热传导、对流传热、热解过程的热效应,水分和挥发分流动等重要过程,模型揭示了热解木材中的温度、失重率和水分变化等一系列重要特性。计算得出的结果与试验吻合较好。通过对不同辐射热流、不同含水率、不同厚度和不同密度下的木材可燃物热解的模拟计算,预测了木材在典型火灾环境中的热解行为,以及各条件参数对木材温度和质量损失速率的影响。 本文通过对典型可燃物的热解以及着火特性的试验研究和理论研究,为建立针对我国实际火场可燃物的着火特性数据库提供了一些重要的基础数据和结论,为今后的防火安全设计中着火临界条件的确定和适用材料的选择提供了依据,同时也有助于研究新型的阻燃材料。


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