表面朝向对典型固体可燃物热解着火的影响及其机理研究

Pyrolysis and ignition of solid combustibles is an important direction of fire science research. The variation of sample orientation will change the flow of pyrolytic gases, leading to different temperature distribution and heat transfer in the solid and gases. As a result, the pyrolysis and ignition process of solid combustibles will become different. Due to lack of systematic research on the flow of pyrolytic gases and heat transfer in the solid and gases, previous opinions about the effects of sample orientation on the pyrolysis and ignition of solid combustibles are inconsistent. In addition, the evolution law and mechanism of pyrolysis and ignition characteristics against sample orientation angle have not been systematically revealed yet. Ignition model considering the effects of sample orientation has not been established yet. In the present research, wood is selected to systematically investigate the effects of sample orientation on the pyrolysis and ignition of solid combustibles. By combining experiment, numerical simulation and theoretical analysis, the following two scientific issues are solved: (1) the mechanism of effects of sample orientation on the flow of pyrolytic gases, (2) the mechanism of effects of sample orientation on the heat transfer in the solid and gases. The present research is expected to reveal the effects and mechanism of sample orientation on the pyrolysis and ignition characteristics of solid combustibles. The prediction models of characteristic ignition parameters of solid combustibles considering the effects of sample orientation will also be established. The present research will enrich and improve the pyrolysis and ignition theory of solid combustibles and provide essential data and theoretical support for the prediction of enclosure fire development and fire safety design of enclosure.

固体可燃物的热解着火是火灾科学研究中的重要方向。固体可燃物表面朝向的变化引发热解气体流动发生改变，致使固气相的温度分布及热量输运出现差异，从而影响固体可燃物的热解着火过程。由于缺乏对热解气体流动及固气相热量输运的系统研究，前人针对表面朝向对固体可燃物热解着火的影响认识并不统一，热解着火特性随表面朝向角度变化的演化规律及内在机理尚未得到系统揭示，考虑表面朝向影响的着火预测模型尚未建立。本项目选取木材为典型研究对象，系统地研究表面朝向对固体可燃物热解着火的影响。采用实验、数值模拟及理论分析相结合的方法，解决表面朝向对热解气体流动及固气相热量输运的影响机制这两个关键科学问题，揭示表面朝向对固体可燃物热解着火特性的影响规律及内在机理，建立表面朝向影响下固体可燃物着火特征参数理论预测模型。研究成果将丰富及完善固体可燃物热解着火理论，为室内火灾发展预测及室内防火安全设计提供基础数据及理论支撑。

针对前人关于表面朝向对固体可燃物热解着火的影响认识并不统一，考虑表面朝向影响的着火特征参数理论预测模型尚未建立这一现状，本项目首先开展了不同表面朝向角度（0°、5°、10°、15°、20°、25°、35°、45°）及不同厚度（5mm、10mm、20mm）的木材在不同热辐射通量（35 kW/m2、40 kW/m2、45 kW/m2、50 kW/m2、55 kW/m2）下的热解着火实验，分析了热解着火特性参数（着火时间、表面温度等）随表面朝向角度、厚度及热辐射通量的变化规律，得到了不同表面朝向角度、厚度及热辐射通量下木材着火时的温度。然后，本项目深入分析了不同表面朝向角度、厚度及热辐射通量下木材表面温度变化与热解着火特性参数变化的关系，并结合木材热解时逸出气体的产生情况，明晰了表面朝向对木材热解着火的影响机理。最后，运用传热传质学、热解动力学等基础理论建立了不同表面朝向角度及厚度下木材着火时间的理论预测模型。本项目取得的重要结果如下：（1）搭建了多角度可燃物辐射引燃实验台；（2）着火时间随着热辐射通量的增大而减小；（3）着火时间随表面朝向角度的增大先减小后增大，临界值在10°附近；（4）着火时间随试样厚度的增大大致呈增大趋势；（5）随着热辐射通量的增大，表面温度曲线中中间的平稳增大阶段逐渐消失，而且温度增大地越来越快；（6）樟子松受热发生分解产生的逸出气体相对含量排名为甲醛>甲醇>甲烷>二氧化碳>一氧化碳；（7）增大热源强度能够增大可燃性热解气体的浓度，从而缩短木材的着火时间；（8）除表面朝向角度为10°左右的工况，其余工况下木材均呈现出热厚型材料的特性，即着火时间的负二分之一方与热辐射通量成正比；（9）建立的木材热解行为的预测模型与实验结果吻合较好。在本项目的资助下，共发表10篇SCI论文，项目负责人入选2021年度“香江学者计划”，培养博士生2人，硕士生4人。本项目的研究成果能够丰富固体可燃物热解着火理论，为含固体可燃物燃烧的火灾预测及风险评估提供支撑。