《Fire Safety Journal》：Wood heating and drying: Effect of grain orientation and moisture content
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摘要木材中的传热和传质取决于多个参数，包括树种、纹理方向和含水率。本研究的目的是研究木材热解发生前、在200 °C以下温度下发生的早期加热和干燥阶段。使用锥形量热仪在4 kW·m?2的辐射热流下测试了五种木材，同时改变纹理方向和含水率。样本的纹理方向平行或垂直于热流方向，含水
摘要
木材中的传热和传质取决于多个参数，包括树种、纹理方向和含水率。本研究的目的是研究木材热解发生前、在200 °C以下温度下发生的早期加热和干燥阶段。使用锥形量热仪在4 kW·m?2的辐射热流下测试了五种木材，同时改变纹理方向和含水率。样本的纹理方向平行或垂直于热流方向，含水率范围为0至30%。在改变含水率时，特别注意使用相同的样本，以尽量减少木材自然变异性带来的不确定性。质量损失测量表明两种纹理方向具有明显的干燥速率差异。此外，使用细丝K型热电偶进行的深度温度测量也揭示了平行纹理和垂直纹理配置之间的明显差异。
引言
木材是一种天然的、可再生的材料，因其优异的力学性能和易于加工的特性，在建筑中的应用日益增多。从生命周期角度来看，与许多传统建筑材料相比，木材的全球变暖潜力更低，部分原因是其储存了生物源碳[1]，[2]。然而，其可燃性仍然是火灾事件中的一个令人担忧的问题。当木材暴露于热源时，会发生几个阶段：干燥、热解、炭化和燃烧（阴燃或明火）。正确理解木材的火灾行为需要对早期降解阶段进行准确描述，即发生在约200 °C以下的加热和干燥过程，因为这些现象直接控制着木材热解的起始。此外，位于热解前沿上游的原生木材中的导热热流也起着重要作用，因为它起到热汇的作用。在这一阶段，纹理方向、含水率和木材的热物性等参数是至关重要的。木材干燥是一个复杂的进程，涉及受其非均质细胞结构影响的传热和传质机制。水分以游离水的形式存在于细胞腔中，以结合水的形式存在于细胞壁中[3]。在干燥过程中，水分通过一系列运输机制和蒸发的组合作用被移除。游离水通过毛细流动在导管和腔体中移动，而结合水通过细胞壁扩散迁移。木材的各向异性结构显著影响水分传输，纵向传输通常比径向和弦向传输更快。事实上，干燥部分取决于木材内部水分的移动，而这种移动沿纹理方向更为显著[3]，[4]。这些机制可能导致内部水分梯度、收缩和开裂[5]。在本研究中，重点放在仅涉及含水率显著低于纤维饱和点的木材的建筑火灾上，因此木材细胞腔中不存在液态水。
木材干燥在能源生产、木材储存、加工和林学等领域得到了广泛研究。在此背景下，木材通常在对流烘箱中进行干燥，这可以对所有面施加均匀的温度[6]，[7]。温度通常较低到中等（60至105 °C之间[8]）。研究表明，由于孔隙率更大，低密度木材的干燥速率高于高密度木材[9]，[10]。干燥研究中常用的实验条件和建模方法与火灾场景中遇到的差异显著。在火灾场景中，热流更大，导致干燥更快、水分含量梯度更大以及材料内部的温度梯度更大。此外，在火灾场景中，木材通常只暴露在一侧。
许多火灾科学研究专注于干燥木材，以避免对木材内部水的蒸发和传输进行建模。这确保了在这一简化情况下对木材燃烧的更准确预测。几项研究报告指出，较高的含水率会降低木材的炭化速率[11]，[12]，[13]。根据这些研究，将含水率从0增加到24%可以使木材的炭化速率降低约一半[11]，[12]，[13]。这一现象的解释是，部分吸收的能量首先用于加热和蒸发木材中所含的水分，这延缓了固体材料的温度升高[14]。此外，温度和含水率也影响木材的力学性能[15]，[16]。Oloyede和Groombridge表明，根据用于干燥木材的方法不同，松木的力学性能可降低60%[17]。Njankouo等人[18]也强调了胶合木样本在ISO 834标准火灾中水分蒸发的影响。Di Blasi等人[19]对含水率为0%和11%的木材进行了测试，这些木材暴露于两种不同的热流下。在两种加热条件下，随着初始水分含量的增加，由水分吸热蒸发引起的温度平台在时间和空间上都更为明显。此外，由于需要加热和蒸发的水量大，且所需热量更多，木材的加热速率逐渐减慢。关于纹理方向的影响，Spearpoint和Quintiere[20]使用锥形量热仪研究了四种木材的点火行为。样本的纹理方向平行或垂直于暴露表面。结果表明，平行纹理方向的深度温度更高，而当方向垂直时，点火临界热流更低。
尽管这对于预测火灾暴露下木材的降解至关重要，但文献显示，在热解发生前200 °C以下的传热和传质研究不够充分。虽然大多数木材干燥研究是在60–120 °C的常规条件下进行的，但火灾相关研究通常涉及更高的热流，其中干燥、热解、炭化和燃烧同时发生。因此，热解之前干燥占主导地位的这个中间阶段仍然缺乏足够的记录。在火灾建模中，水分去除通常使用基于蒸发动力学的简化方法来表示，通常通过Arrhenius型公式，而忽略了木材结构内部水分的详细传输。相反，已开发出更复杂的干燥模型来考虑耦合的传热和传质现象。例如，Pe?enko等人[21]提出了一种全面的干燥模型，其中包括多孔木材结构内液态水传输、水蒸气传输、扩散和蒸发。然而，该模型是使用ISO 834火灾暴露条件下获得的实验数据进行校准和验证的。在这种条件下，干燥、热解和炭氧化同时发生，使得难以隔离和验证控制水分传输的各个机制。热响应强烈受热解和氧化反应的影响，这可能掩盖干燥的具体效应。因此，在火灾相关条件下，木材结构内液态水传输、水蒸气传输和蒸发的各自贡献仍未得到充分理解。因此，即使先进的干燥模型也受到了缺乏实验数据的限制，这些数据本应允许将干燥现象与后续降解过程独立开来研究。此外，文献中报道的温度测量可能受到热电偶植入技术相关不确定性的影响[22]，而可用于验证火灾相关热负荷下干燥模型的实验数据仍然有限。为解决这些问题并改善对火灾情况中干燥的理解，本研究在防止热解发生的条件下，使用锥形加热器研究了传热和传质。为此，在4 kW·m?2的入射热流下对五种木材进行了实验，确保木材温度保持在200 °C以下。实验方法遵循了Flity等人[23]提出的方案，他们研究了纹理垂直于热流的干燥木材。在该温度下，干燥是主导过程，因为木材分解发生在更高温度（木材热解在240至400 °C之间，取决于加热速率）[24]，[25]，[26]。测试在不同的含水率和纹理方向平行或垂直于热流的情况下进行。使用嵌入式细丝热电偶[22]获取了不同深度的温度测量。所得到的实验数据库通过公共存储库公开提供[27]，研究人员可以自由下载并与受到类似火灾场景热负荷的数值模型进行比较。
章节摘要
材料与方法
本文展示了两个系列的测试。在第一系列中，研究了暴露于中等热流下木材样本的整体干燥和木材内部的传热。第二系列实验的目的是确定含水率分布。
结果与讨论
总共测试了二十三个样本。使用来自五种不同树种的十个样本来研究传热和传质。其余十三个样本为云杉，用于研究含水率分布，如上所述。其中，一些样本的纹理平行于热流（以下称为"平行纹理样本"），而另一些样本的纹理垂直于热流（以下称为"垂直纹理样本"）。重复性测试
结论
在锥形量热仪尺度下，研究了200 °C以下木材中的传热和传质。制备了含水率从0到23%不等的多种样本。测试了纹理方向平行或垂直于热流的样本。考察了含水率和纹理方向对深度温度和质量损失测量的影响。在相同的实验条件下且对同一样本，温度上升较慢
CRediT作者贡献声明
Fatoumata Tapa Baba Diarra：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，方法学，调查，资金获取，形式化分析，数据管理，概念化。Lucas Terrei：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，指导，项目管理，方法学，调查，形式化分析，概念化。Hassan Flity：写作 – 审阅与编辑，验证，指导。Zoubir Acem：写作 – 审阅与
利益冲突声明
作者声明他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
Fatoumata Tapa Baba Diarra|Lucas Terrei|Hassan Flity|Zoubir Acem|Gilles Parent
洛林大学，国家科学研究中心（CNRS），LEMTA实验室，南希，F-54000，法国
