热带林木轰燃及烟气蔓延中混沌机理的研究

摘要

该文以热带森林为对象,对林木的组成成分及其热解、燃烧特性;轰燃热力条件;烟气蔓延中混沌行为展开研究.建立了林木的轰燃预测模型,通过对比林木热解析出的可燃气浓度和其可燃浓度极限,从而预测林木是否能够轰燃.该文借助Lorenz方程模型,应用欧拉法对烟气流动进行分析,发现可以得到混沌解,并且解对初值条件相当敏感,同时也和控制参数紧密相连.为此,该文分别探讨了方程中三个控制参数(普朗特数Pr、与瑞利数Ra相关的r、空间尺度δ)对方程解的影响.在获得混沌解时,Pr数的较小变化就导致了δ与r较大范围的变化,说明烟气物性对其扩展形态及其内部惯性力与粘性力的相对强弱的影响是非常显著的;随Ra数的增大,方程会出现一个周期性解与混沌解的交替出现的过程;在出现混沌解时,随δ的减小,Pr数增大但r减小,也就是说空间越是窄而高,烟气流聚集的能量就越多,因而需要更大的粘性才能将能量耗散掉.这些都说明三个控制参数相互联系,共同决定烟气的流动形态.由于烟气羽流处于开放、远离平衡态的系统之中,和环境有物质(卷吸)和能量(温差)的交换,并且存在非线形作用的影响以及羽流过程的不可逆行,可知烟气蔓延其实是一种时空复杂行为,同时随时间和空间的变化而变化,因此,该文用耦合映象格子(Coupled Map Lattice)模型,从拉格朗日法的角度对烟气的时空复杂行为进行分析.分析表明烟气流动的系统行为存在多重性,这是粘性项、浮力项和惯性项相互作用的结果.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1研究的背景及意义

1.1.1林火形成的因素及分类

1.1.2林火的发展趋势

1.1.3林火的影响

1.1.4林火增多的原因

1.1.5我国森林的特点

1.2林火的研究现状

1.2.1林火的预测模型

1.2.2林火火行为的研究

1.2.3防火和灭火技术

1.2.4林火灾后研究

1.3课题的提出与任务

1.4本文的研究内容和方法

第二章热带林木的热解特性分析

2.1工业分析实验

2.1.1实验方法

2.1.2实验结果

2.2干燥热解实验及动力学特性

2.2.1实验方法

2.2.2林木的失重曲线

2.2.3干燥热解动力学规律

2.3本章小结

第三章热带林木的轰燃预测

3.1轰燃产生的机理

3.2气相着火与轰燃预测

3.2.1热解析出的可燃气浓度

3.2.2可燃气体的爆炸浓度极限

3.3本章小结

第四章林火中烟气蔓延的混沌现象及控制参数的影响

4.1混沌的定义及判据

4.1.1混沌的定义及特性

4.1.2混沌的判据及Lyapunov指数

4.2火灾中烟气羽流的混沌行为

4.2.1烟气羽流的数学模型

4.2.2 Lorenz模型的再认识

4.2.3烟气羽流中的混沌

4.3 Lorenz方程中控制参数的影响

4.3.1普朗特数(Pr数)的影响

4.3.2瑞利数(Ra数)的影响

4.3.3空间尺度δ的影响

4.4本章小结

第五章林火中烟气蔓延时空复杂行为的耦合映象格子模型

5.1耦合映象格子模型的引入

5.2烟气羽流的数学模型

5.2.1由N-S方程推导出的方程

5.2.2用经验公式简化后的方程

5.3烟气羽流的耦合映象格子模型

5.3.1开流模型

5.3.2局部映射f(m)的讨论

5.4烟气羽流的时空复杂行为和Lyapunov指数

5.5分析与结论

第六章轰燃和烟气羽流的观测实验

6.1观测实验及结果

6.1.1轰燃观测实验

6.1.2烟气羽流观测实验

6.2烟气运动的盐水模拟实验

6.2.1实验原理

6.2.2实验装置

6.3烟气流速测定的实验方法

6.3.1实验原理

6.3.2实验装置

6.4本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢