【摘要】：木質(zhì)生物質(zhì)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(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用,促使木質(zhì)生物質(zhì)的熱解和燃燒特性研究已經(jīng)成為火災(zāi)安全領(lǐng)域的一個重要課題。固體燃燒是一個復(fù)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(chǎn)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(fù)雜的化學反應(yīng)動力學過程以及傳熱傳質(zhì)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(zhì)生物質(zhì)材料包含多種組分,主要組分為半纖維素、纖維素、木質(zhì)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(zhì)生物質(zhì)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(zhì)生物質(zhì)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(zhì)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(yīng)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(chǎn)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(jié)合相關(guān)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(zhì)生物質(zhì)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)于多種升溫環(huán)境下化學反應(yīng)動力學參數(shù)。進行熱解實驗和燃燒實驗。實驗數(shù)據(jù)結(jié)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(shù),得到了多種升溫速率下熱重曲線,探究了木質(zhì)生物質(zhì)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(yīng)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(shè)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(chǔ)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(zhì)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(dǎo)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(jié)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(zhì)量損失速率兩個方面,得到了較好的一致性�；诠卜袑嶒�,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(zhì)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(jié)果,最終確定了本文所建立的木質(zhì)生物質(zhì)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(yīng)物、SCE優(yōu)化的化學反應(yīng)動力學參數(shù)、水分模型、多組分熱解產(chǎn)物和改進后的基于無限快反應(yīng)速率的EDC多組分燃燒模型)對模擬結(jié)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(zhì)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(jié)果的準確性,從而確立了上述五個因素對木質(zhì)生物質(zhì)燃燒過程中不可忽視的作用。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)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