上升热流下固体可燃物热解着火特性规律研究

摘要

火灾中固体可燃物受到外界的热辐射温度逐渐升高，温度足够高时，固体可燃物开始热解，生成热解气体及固体残留物。热解气体从固体中逸出，与空气混合得到可燃性预混气体，当预混气体浓度、温度等达到临界着火条件时发生着火，可见热解是火灾中的一个重要步骤，深入了解热解的性质能够有效帮助防治火灾。固体可燃物热解是一个复杂的物理化学过程，受到众多因素的影响，包括固体可燃物本身的性质、外界环境等。
　　 热流辐射是火灾中重要的传递能量的方式，辐射源通过辐射将能量向其它固体可燃物传播，引起了火灾的蔓延。实际火灾中，固体可燃物接收到的辐射热流往往并非恒定，但在已有的实验研究中，热流大多设定为常数，本课题组内的极少数研究人员尽管也开展了某些变化热流下的研究，但仍然需要进一步开展多种变化热流对可燃物热解着火影响规律研究。本文主要是研究平方上升变化热流对固体可燃物热解着火特性的影响规律，同时，为便于比较，也开展了线性变化趋势的辐射热流对固体可燃物热解过程的影响研究。
　　 基于实验室自行搭建的火灾早期特性实验平台，本文引入闭环，使用负反馈方法根据热流计测量得到的热流值实时改变辐射源输出功率，得到了线性及平方上升热流。实际测量得到的热流值极好地符合了设计曲线，为后续的实验提供了基础。在这两种热流下，分别于合肥及拉萨两地对PMMA、榆木及松木开展了实验，测量了不同种样件的温度分布、质量损失及着火时间等参数。实验结果表明三种样件表面温度的上升趋势与热流上升趋势基本一致，木材的内部温度因为水分蒸发过程出现明显的平坦区域。热流上升系数越大，三种样件在着火时刻表面温度越高，对于PMMA，着火时刻热解气体的生成速率基本保持恒定，可以作为有效的着火判据。在上升速度很慢的热流作用下，无论样件表面的温度多高，辐射热流值多大，最终均无法着火。并得出样件着火时间与热流上升系数之间存在幂函数关系。
　　 由于实验中无法直接测量木材热解过程中热解气体的生成速率，本文建立了基于PDE的数值模型来模拟炭化可燃物的热解过程并计算得到了该参数。模型中使用了松木的物性参数，考虑了木材热解、水分蒸发、气体传输及炭氧化等物理化学过程，并根据实验工况对模型的边界条件及初始条件进行了设定。模型使用有限差分求解。模拟结果与实验结果符合得较好，进一步验证着火时刻热解气体的生成速率保持恒定，解释了热流上升较慢的情况下固体可燃物无法着火的原因。

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摘要

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图目录

表目录

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 实验研究

1．2．2 数值模拟研究

1．2．3 变化热流研究

1．3 研究目的及内容

1．4 本文的章节安排

第2章 实验方法及基本理论

2．1 实验方法

2．1．1 实验平台

2．1．2 实验样件

2．1．3 测量参数

2．2 实验软件

2．2．1 实验界面

2．2．2 反馈实现

2．3 热解模型的基本理论

2．3．1 热解模型

2．3．2 着火判据

2．4 本章小结

第3章 上升热流对固体可燃物热解影响的实验研究

3．1 引言

3．2 合肥实验

3．2．1 辐射热流

3．2．2 温度分布

3．2．3 质量损失

3．2．4 着火时间

3．3 拉萨实验

3．3．1 辐射热流

3．3．2 温度分布

3．3．3 质量损失

3．3．4 着火时间

3．4 本章小结

第4章 上升热流对固体可燃物热解影响的数值研究

4．1 引言

4．2 模型计算结果及讨论

4．2．1 温度分布

4．2．2 质量损失

4．3 本章小结

第5章 总结及展望

5．1 本文的主要内容及结论

5．2 本文的创新点

5．3 进一步工作展望

参考文献

致谢

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