基于OpenFOAM平台的木质生物质多组分热解及燃烧特性数值模拟研究

发布时间：2018-10-26 15:49

【摘要】：木质生物质材料是一种典型的固体可燃物,主要以木材为代表。我国较高的森林覆盖率,以及木材在当代建筑结构中的广泛应用,促使木质生物质的热解和燃烧特性研究已经成为火灾安全领域的一个重要课题。固体燃烧是一个复杂的过程,一般情况下,在外界热源的作用下,固体燃料首先发生热解,产生可燃性气体,进而,当可燃气体满足引燃条件后发生燃烧,该过程中包含复杂的化学反应动力学过程以及传热传质等物理输运过程,化学和物理两个过程紧密联系相互耦合。真实的木质生物质材料包含多种组分,主要组分为半纤维素、纤维素、木质素和水分,此外,在热解过程中,生成的热解气体组分也是多样的,并参与到随后的燃烧过程中。本文研究的目的就是为更贴近木质生物质材料的真实情况,探究多组分对其热解和燃烧过程的影响,建立多组分热解和燃烧模型,同时进行木质生物质实验研究和数值模型研究,其中数值模拟过程基于新兴开源CFD平台OpenFOAM。建立多组分热解模型和燃烧模型。在多组分热解模型方面,依托较为成熟的Gypro热解模型进行改进,同时考虑半纤维素、纤维素、木质素和水分四种组分,基于n阶阿伦尼乌斯公式建立平行反应模型,并同时考虑炭的氧化影响以及生成的多组分热解气体,更新气固边界条件。在燃烧模型方面,为与多组分热解气体产物进行耦合,基于涡耗散概念,建立改进后的多组分燃烧模型,并考虑火焰辐射对热解过程的影响。同时结合相关湍流模型,辐射模型和烟模型等,建立了一个完整体系的木质生物质多组分燃烧求解器multiFireFOAM。需要注意的是,多组分热解模型中每一个组分的化学反应动力学参数的取值对整个模拟过程有着重要的影响,如何确定普适性更强的化学反应动力学参数也是本文的研究重点之一,因而本文首次将SCE全局优化算法应用到热重曲线分析中,同时对14个不确定参数进行搜索优化,得到了一组适应于多种升温环境下化学反应动力学参数。进行热解实验和燃烧实验。实验数据结果用于验证所建立的多组分热解模型和燃烧模型的有效性,也为随后的数值模拟工作提供必要的输入参数。热解实验以榉木为样品,基于热重-红外光谱联用技术,得到了多种升温速率下热重曲线,探究了木质生物质材料的基本热解特性,并为SCE优化过程提供实验数据,同时,红外光谱实验确定了热解气体的五种主要组分:甲醛、酸类、甲醇、酚类和C02,并将之应用于随后的燃烧过程中。此外,从文献中提取氮气环境下的FPA实验数据为验证热解模型提供支持。在燃烧实验方面,基于共沸现象设计正庚烷和乙醇混合燃料的池火实验,此时,燃烧表现出四个阶段:初始发展阶段,共沸燃烧阶段,单一燃料燃烧阶段和衰减阶段。特别是在共沸燃烧阶段,混合燃料的温度为共沸温度,且混合燃烧比例严格保持共沸比例,为多组分燃烧模型的验证提供了理想的实验条件,并通过火焰高度和油池温度的变化确立了这一现象的存在,同时也记录了燃烧过程中油池轴线温度的变化,为随后燃烧模型的验证提供基础实验数据。进一步,同时考虑热解和燃烧过程,进行锥形量热仪实验,得到了多种辐射热通量下的质量损失速率和热释放速率。此外,为得到其他热物性参数,也进行了密度,含水率,导热系数和燃烧热的测量实验。验证多组分热解模型和燃烧模型并进行数值模拟研究。为避免燃烧过程对热解的干扰,数值模拟结果对比氮气环境中的FPA实验数据,单独验证热解模型,在固体表面温度和质量损失速率两个方面,得到了较好的一致性。基于共沸实验,验证多组分燃烧模型,对比火焰高度和轴线温度的模拟值与实验值,也得到了较好的一致性。进一步,耦合多组分热解模型和燃烧模型,将模拟值与利用锥形量热仪实验得到的质量损失速率和热释放速率的实验值进行对比,发现合理的捕捉到了实验值中的两个峰值,同样取得了很好的吻合效果。基于以上三组对比结果,最终确定了本文所建立的木质生物质多组分燃烧求解器multiFireFOAM的有效性。此外,为确定本文模拟过程中所重点考虑的五个因素(多组分反应物、SCE优化的化学反应动力学参数、水分模型、多组分热解产物和改进后的基于无限快反应速率的EDC多组分燃烧模型)对模拟结果的影响,在保持其他四个因素不变的条件下,单独分析每个因素对锥形量热仪实验的质量损失速率和热释放速率的影响,比较模拟值与实验值,发现这五个因素显著的提升了模拟结果的准确性,从而确立了上述五个因素对木质生物质燃烧过程中不可忽视的作用。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ351.2;TQ038.1

【相似文献】