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热辐射下积炭类可燃物热解与着火特性的机理研究

沈德魁  
【摘要】: 固体可燃物的热解与着火过程是其发生燃烧的初始阶段,对随后火灾的发生、发展以及蔓延过程起了非常重要的作用。本文模拟实际火场中的复杂条件,着重对典型的积炭类可燃物(木材)在不同热流强度以及不同气氛下的表观热解动力学以及着火过程的特性进行了深入的实验与理论模型研究,为扩充火灾可燃物特性数据库以及火灾的预警与防治,提供了可靠的基础数据和理论指导。 本文首先利用热重分析法(TGA)对木材在不同气氛下(包括氮气、空气以及CO_2)的表观热解动力学过程进行了研究,从构成木材三种组分(半纤维素、纤维素以及木质素)在不同气氛下的表观热解动力学过程的角度,深入认识了火场的复杂条件下木材可能发生的热解行为。试验表明不同氧气浓度以及升温速率对木材表观热解动力学过程有着重要影响,随着氧气浓度的升高,木材的热解失重表观上从单一的失重阶段过渡到明显的双阶段失重过程;而随着升温速率的升高,半纤维素的失重区间与纤维素的失重区间有较大重合,低温度段的失重“肩峰”越来越不明显,且木材之间的表观差异变小。之后,通过含氧气氛下TGA实验的结论,建立了“双组分分阶段表观动力学模型”表观对其表观热解动力学过程进行模拟,并对相应热解反应的表观动力学参数进行了求解。 在火灾早期特性实验台上进行了中高热流下木材热解与着火过程特性中等尺寸的实验研究,着重分析了辐射热流、试样种类、含水率以及纹理方向对过程中主要特性参数(温度分布、失重率、着火时间以及着火温度等)的影响,并利用外推法获得了木材在不同条件下的临界着火辐射热流,为判定材料的火灾安全性能提供依据。此外,结合相关实验的观察与分析,创新性地提出了反映木材在热解与着火过程中几何结构变化的两个特性参数(体积收缩系数与表面开裂系数),发现硬木(密度较大的木材)在过程中保持其原有结构特性的功能要强一些,火灾安全性能要高于软木(密度较小的木材),这些结论为改进与开发新型的防火材料提供一定的指导。 从大量的木材热解与着火过程实验研究出发,结合基础导热理论,充分考虑材料边界的对流与辐射热损失以及水分对材料热物理性质影响,建立了木材热解与着火过程的热平衡模型,并利用数学解析方法获得了过程中几个主要特性参数的数学关系式,并对这些主要特性参数进行了预测,发现在高热流下参数的预测值与实验值吻合较好。由于热平衡模型的局限性,本文将木材热解与着火过程中的热解化学表观动力学过程耦合到材料的热平衡方程中,并考虑了积炭层以及空隙率对材料表观导热系数的影响,结合一定的简化条件,建立了较为完善的一维综合微分模型(PDE模型),该模型将水分蒸发的过程当作一个化学过程。PDE模型对木材热解与着火过程中一些重要参数进行了预测(主要是温度分布、热解产物析出规律、表观导热系数以及着火时间等),并分析了辐射热流、含水率、试样种类以及纹理方向对特性参数影响的内在机理,为更好地认识火灾发生的机理,以及火灾的预测提供理论基础。


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