基于热解动力学建模的森林腐殖质阴燃规律及阴燃气体产物生成特性研究

森林地下火是腐殖质阴燃形成的火灾，对森林生态有毁灭性破坏作用。由于缺乏对腐殖质阴燃规律的深入研究，一直以来地下火研究还处于总结经验规律阶段。在阴燃理论研究方面，探讨可燃物热解化学动力学行为对阴燃规律的影响，关注阴燃产物生成特性，是当前研究的前沿问题。本项目将构建腐殖质阴燃模拟实验系统，通过实验模拟、理论建模、简化分析和数值研究，系统研究氧气供给条件、腐殖质成分组成、水分含量等因素对阴燃蔓延规律的影响，建立腐殖质阴燃蔓延的理论模型，分析腐殖质热解动力学对阴燃前锋结构的影响规律，并提出基于阴燃蔓延规律的腐殖质阴燃自维持概率模型。同时，系统研究不同实验条件下腐殖质阴燃的气体产物生成特性，揭示气体产物生成规律与阴燃影响因素之间的关系。本项目研究着眼于地下火研究，立足于阴燃规律研究，项目成果将促进阴燃理论的发展，并为森林地下火防控提供科学基础。

森林地下火是腐殖质或泥炭阴燃形成的火灾，对森林生态和大气循环有毁灭性破坏作用。由于缺乏对腐殖质和泥炭阴燃规律的深入研究，一直以来地下火研究还处于总结经验规律阶段。本项目实地考察了我国呼中自然保护区和加格达奇自然保护区，采集了经历过森林地表火和未经受森林地表火的不同深度处原始森林腐殖质，提出了衡量地表火点燃消耗腐殖质比例的计算方法，并通过点燃实验分析了地表凋落物和腐殖质点燃过程的影响因素。.使用TG-FTIR-MS联用技术，识别了泥炭在惰性气氛和空气气氛下热解的主要气体产物及其生成规律，提出了不同气氛下泥炭的热解动力学模型。进而研究了不同氧气浓度的气氛对泥炭热解过程的影响，建立了包含5步反应（包括水分蒸发、泥炭热解、泥炭氧化、泥炭氧化生成碳以及热解生成碳的氧化）的泥炭热解的统一动力学模型。.自行设计了自然阴燃实验装置，研究了不同水分含量、不同孔隙率、不同粒径的泥炭阴燃蔓延规律。发现并解释了阴燃热解前锋速度不变而焦炭氧化区域不断增厚的现象，发现并分析了水分含量和孔隙率对阴燃蔓延的强化和抑制的双向影响效应，分析了阴燃点燃和熄灭过程中出现的炭黑挂壁、点燃明火、锥形熄灭、底部持续高温等现象。揭示了不同实验条件下腐殖质阴燃的气体产物生成特性。.依据微观尺度化学反应模型和守恒方程，分别发展了自然对流条件下泥炭阴燃的一维及二维数值模型，并采用移动网格技术解决了泥炭层的收缩问题。一维模型有效解释了经典泥炭阴燃维持的临界条件，发展了基于阴燃蔓延规律的泥炭阴燃自维持临界条件预测方法。二维模型合理预测了泥炭阴燃前锋的二维锥形结构，解释了泥炭无机物含量对泥炭阴燃蔓延的影响。