【摘要】：木質生物質材料是一種典型的固體可燃物,主要以木材為代表。我國較高的森林覆蓋率,以及木材在當代建筑結構中的廣泛應用,促使木質生物質的熱解和燃燒特性研究已經(jīng)成為火災安全領域的一個重要課題。固體燃燒是一個復雜的過程,一般情況下,在外界熱源的作用下,固體燃料首先發(fā)生熱解,產生可燃性氣體,進而,當可燃氣體滿足引燃條件后發(fā)生燃燒,該過程中包含復雜的化學反應動力學過程以及傳熱傳質等物理輸運過程,化學和物理兩個過程緊密聯(lián)系相互耦合。真實的木質生物質材料包含多種組分,主要組分為半纖維素、纖維素、木質素和水分,此外,在熱解過程中,生成的熱解氣體組分也是多樣的,并參與到隨后的燃燒過程中。本文研究的目的就是為更貼近木質生物質材料的真實情況,探究多組分對其熱解和燃燒過程的影響,建立多組分熱解和燃燒模型,同時進行木質生物質實驗研究和數(shù)值模型研究,其中數(shù)值模擬過程基于新興開源CFD平臺OpenFOAM。建立多組分熱解模型和燃燒模型。在多組分熱解模型方面,依托較為成熟的Gypro熱解模型進行改進,同時考慮半纖維素、纖維素、木質素和水分四種組分,基于n階阿倫尼烏斯公式建立平行反應模型,并同時考慮炭的氧化影響以及生成的多組分熱解氣體,更新氣固邊界條件。在燃燒模型方面,為與多組分熱解氣體產物進行耦合,基于渦耗散概念,建立改進后的多組分燃燒模型,并考慮火焰輻射對熱解過程的影響。同時結合相關湍流模型,輻射模型和煙模型等,建立了一個完整體系的木質生物質多組分燃燒求解器multiFireFOAM。需要注意的是,多組分熱解模型中每一個組分的化學反應動力學參數(shù)的取值對整個模擬過程有著重要的影響,如何確定普適性更強的化學反應動力學參數(shù)也是本文的研究重點之一,因而本文首次將SCE全局優(yōu)化算法應用到熱重曲線分析中,同時對14個不確定參數(shù)進行搜索優(yōu)化,得到了一組適應于多種升溫環(huán)境下化學反應動力學參數(shù)。進行熱解實驗和燃燒實驗。實驗數(shù)據(jù)結果用于驗證所建立的多組分熱解模型和燃燒模型的有效性,也為隨后的數(shù)值模擬工作提供必要的輸入?yún)?shù)。熱解實驗以櫸木為樣品,基于熱重-紅外光譜聯(lián)用技術,得到了多種升溫速率下熱重曲線,探究了木質生物質材料的基本熱解特性,并為SCE優(yōu)化過程提供實驗數(shù)據(jù),同時,紅外光譜實驗確定了熱解氣體的五種主要組分:甲醛、酸類、甲醇、酚類和C02,并將之應用于隨后的燃燒過程中。此外,從文獻中提取氮氣環(huán)境下的FPA實驗數(shù)據(jù)為驗證熱解模型提供支持。在燃燒實驗方面,基于共沸現(xiàn)象設計正庚烷和乙醇混合燃料的池火實驗,此時,燃燒表現(xiàn)出四個階段:初始發(fā)展階段,共沸燃燒階段,單一燃料燃燒階段和衰減階段。特別是在共沸燃燒階段,混合燃料的溫度為共沸溫度,且混合燃燒比例嚴格保持共沸比例,為多組分燃燒模型的驗證提供了理想的實驗條件,并通過火焰高度和油池溫度的變化確立了這一現(xiàn)象的存在,同時也記錄了燃燒過程中油池軸線溫度的變化,為隨后燃燒模型的驗證提供基礎實驗數(shù)據(jù)。進一步,同時考慮熱解和燃燒過程,進行錐形量熱儀實驗,得到了多種輻射熱通量下的質量損失速率和熱釋放速率。此外,為得到其他熱物性參數(shù),也進行了密度,含水率,導熱系數(shù)和燃燒熱的測量實驗。驗證多組分熱解模型和燃燒模型并進行數(shù)值模擬研究。為避免燃燒過程對熱解的干擾,數(shù)值模擬結果對比氮氣環(huán)境中的FPA實驗數(shù)據(jù),單獨驗證熱解模型,在固體表面溫度和質量損失速率兩個方面,得到了較好的一致性。基于共沸實驗,驗證多組分燃燒模型,對比火焰高度和軸線溫度的模擬值與實驗值,也得到了較好的一致性。進一步,耦合多組分熱解模型和燃燒模型,將模擬值與利用錐形量熱儀實驗得到的質量損失速率和熱釋放速率的實驗值進行對比,發(fā)現(xiàn)合理的捕捉到了實驗值中的兩個峰值,同樣取得了很好的吻合效果�；谝陨先M對比結果,最終確定了本文所建立的木質生物質多組分燃燒求解器multiFireFOAM的有效性。此外,為確定本文模擬過程中所重點考慮的五個因素(多組分反應物、SCE優(yōu)化的化學反應動力學參數(shù)、水分模型、多組分熱解產物和改進后的基于無限快反應速率的EDC多組分燃燒模型)對模擬結果的影響,在保持其他四個因素不變的條件下,單獨分析每個因素對錐形量熱儀實驗的質量損失速率和熱釋放速率的影響,比較模擬值與實驗值,發(fā)現(xiàn)這五個因素顯著的提升了模擬結果的準確性,從而確立了上述五個因素對木質生物質燃燒過程中不可忽視的作用。
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【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TQ351.2;TQ038.1

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本文編號：2296227