基于串并联理论木材导热系数的初探研究

为定量表征木材纵向与横向导热系数,笔者基于木材宏观特征与微观构造,结合电阻串并联理论,建立了木材纵向和横向导热系数模型,系统分析了木材密度、水分及温度对木材纵横导热系数的影响规律。并以樟木为例,系统研究了不同温度及含水率状态下樟木导热规律,验证了木材纵横导热系数模型的准确性。利用该模型可以快速推导木材的导热系数,为量化分析木材干燥及热处理过程提供理论基础。     

季节和降雨对细小可燃物含水率预测模型精度的影响

观察大兴安岭盘古地区的典型林分樟子松、白桦、兴安落叶松林的地表细小死可燃物含水率随不同季节变化的动态变化,应用气象要素回归法,分别使用无降雨数据、无降雨和有降雨混合数据及降雨数据,分春季、秋季和混合季节,建立了该地区森林地表可燃物含水率的统计预测模型,并研究了季节以及降雨对该类模型精度的影响。结果表明:季节和降雨对模型精度具有显著的影响,对于3种林型整体而言,混合模型的误差最大,可高达30%以上;秋季误差小于混合模型,大于春季预测模型;春季含水率预测模型精度最高,误差小于10%。无降雨模型预测效果最好,模型误差控制在3%以内,有降雨时段误差也可超过30%。如果采用区分季节和降雨时段建立可燃物含水率预测模型,据此做出的森林火险等级预报不会产生实质的影响,有助于提高火险等级预报的准确性。     

木材横纹导热系数的类比法研究

分析导热与导电间某些属性的相似性 ,应用类比法推出导热系数具有导电系数的某些属性 ,可用导电系数类似的定义式定义导热系数 ,即木材导热系数等于木材单位长度单位截面的热阻的倒数。根据木材微观细胞形态 ,选用圆柱形模型推导木材横纹导热系数的理论计算式。应用该公式计算 2 0种木材的横纹导热系数 ,理论值的最大误差 14 1% ,平均误差 7% ,理论值与试验值较为吻合 ,为理论研究木材热学性质提供一种可适用的方法。     

软木及软木橡胶复合板导热性能研究

采用准稳态法测量软木次生皮、软木板和软木橡胶复合板导热性能,研究含水率(0~6%)、密度(0.25~0.55g/cm~3)和橡胶混合比例(40%~70%)3个主要因素对软木产品导热性能的影响。结果表明:软木板导热系数与其含水率和密度呈比较强的正线性关系,平均含水率为0.2%、3.3%、5.9%的软木板导热系数分别为0.057 8、0.066 1、0.070 2W/(m·K);密度为0.25、0.35、0.45、0.55g/cm~3的软木板导热系数分别为0.047 3、0.058 2、0.070 2、0.089 3W/(m·K);相同密度和含水率条件下,软木橡胶复合板的导热系数与其橡胶的混合比例呈较弱的正线性关系和二次非线性关系。     

木材弦向导热系数的理论表达式

分析木材细胞结构形态,以长匣子形作为木材细胞模型,根据材料导热与导电规律的相似性,应用类比推理方法,从欧姆电阻定律推出材料导热的热阻公式;依据该细胞模型和热阻公式推导木材弦向导热系数的理论表达式,从而揭示木材弦向导热系数是木材孔隙率的函数。孔隙率越大的木材,导热系数越小,并实际计算了24种木材的弦向导热系数,与试验值比较,理论值的最大误差12.6%,平均误差小于6.4%。     

散堆木片热物性参数的测定与研究

本实验利用ＤＲＭ－１型导热系数测试仪，测定和研究了杨木、桦木、椴木、榆木四种木片在不同含水率时的导热系数、导温系数和比热容（料床绝干密度保持不变）。实验表明，当含水率变化范围为１０％～９０％时，木片的导热系数随含水率的降低而明显减小，数量级为０．１７～０．２８Ｗ／（ｍ·Ｋ）；木片的导温系数随含水率的降低而有所增大，数量级为０．００１２～０．００３４ｍ￣２／ｈ；木片的比热容随含水率的降低而明显减小，数量级为０．４～０．７ｋＪ／（ｋｇ·Ｋ）。树种均为阔叶树材，树种对热物性参数几乎没有影响。     

基于近红外光谱与BP神经网络预测落叶松木屑的含水率

利用近红外光谱(NIR)技术结合BP神经网络定量预测了落叶松木屑的含水率。首先对采集的落叶松木屑原始近红外光谱进行9点平滑及多元散射校正预处理,然后利用主成分分析法提取光谱数据主成分作为BP神经网络的输入,最后建立BP神经网络预测模型并采用交叉验证法对模型进行验证。所建模型校正集的相关系数R为0.98,校正集的均方根误差RMSEC为0.001 7;预测集的相关系数R为0.99,预测集的均方根误差RMSEP为0.001 5。研究表明,此方法可以实现对落叶松木屑含水率的快速预测。     

气象法预测盘古林场可燃物含水率的外推精度

在春防期和秋防期对东北地区大兴安岭盘古林场的3种典型林分:樟子松林、兴安落叶松林、白桦林下的地表细小可燃物含水率进行长时间测定。得到其预测模型,使用模型对大兴安岭现有的4种可燃物含水率预测模型进行外推分析。结果表明:这些模型外推时得到的平均绝对误差(MAE)是自建模型的1.6~7.2倍。以1.5倍左右作为可替代的标准,则这4个模型与自建模型应具有一定的可替代性,即可用外来模型预测本地可燃物的含水率。春防期的模型预测精度高于秋防期。从外推精度的可用性来看,4个模型外推误差在绝对值上最小为3.6%,最大为17.5%。因此,现在的这4种可燃物含水率预测模型的外推能力都不理想。模型外推误差与建模地区和外推地区的微环境差异有关,与距离不是完全成正比。     

江西南昌典型林分地表死可燃物含水率预测——方法优选与FWI适用性分析

亚热带针阔混交林是我国南方重要的植被类型,森林火灾发生次数多。对该植被类型的典型可燃物含水率将有助于提高火险预报的准确性。以位于该区域内的南昌市茶园山林场5种典型林分地表死可燃物为研究对象,通过对其含水率的连续观测,分析了死可燃物含水率与气象因子的关系。采用气象要素、FWI因子和两者的结果,区分不同含水率范围,分别建立的各可燃物3种预测模型。结果表明:研究地区防火期内可燃物含水率从11.8%到276.6%,只有1/4的时间低于35%,具备发生森林火灾的条件,其余的时间燃烧性都很低,平均火险不高。但最小含水率已低到10%左右,具备发生大火的潜在可能性。3种预测方法中,FWI模型误差最大,气象要素回归模型和混合模型误差相似,考虑到简单方便,该地区的含水率预测可以采用气象要素回归法。含水率小于35%时,模型MAE 2.25%~4.67%,平均3.73%;MRE 11.14%~23.73%,平均18.63%。含水率35%时,模型MAE 6.34%~18.33%,平均8.63%;MRE 10.49%~18.16%,平均14.43%。在全范围含水率时,模型MAE 7.46%~16.43%,平均10.51%;MRE 18.78%~23.64%,平均20.99%。FWI指标与研究地区可燃物含水率关系密切,也可以用于含水率预测和火险预报,如果考虑全国统一的预报模型,对于该地区,FWI系统是适用的,但为提高预测的准确性,应进行进一步的修正。     

基于控制容积干缩模型的X射线法测算木材含水率分布

【目的】构建木材控制容积干缩模型，采用X射线法测量木材剖面密度，计算含水率分布，为科研和生产测定木材含水率及其分布提供技术支撑。【方法】将绝干前木材沿厚度方向划分控制容积，引入木材全干干缩率参数并依据木材干缩原理计算绝干后木材控制容积厚度，利用木材剖面密度确定控制容积密度，完整构建求解绝干前木材控制容积含水率计算模型。模型中绝干前木材控制容积含水率、绝干后木材控制容积厚度和密度等变量高度耦合，通过开发迭代算法并在Matlab软件中编制计算程序求解以上变量，该算法以绝干后木材实际厚度为约束条件不断修正木材全干干缩率，有效避免因全干干缩率引入值与真实值偏差带来的计算误差。同时，开展毛白杨木材对流干燥试验，利用本研究方法测算不同干燥阶段木材含水率分布，并与木材实际平均含水率（称重法）以及假设木材厚度方向均匀干缩法测算的含水率分布进行对比分析。【结果】本研究方法测算的木材平均含水率与称重法测量的木材平均含水率非常接近，二者相关系数的平方（R2）在0.999 2以上。本研究方法与均匀干缩法相比，在FSP（纤维饱和点）以上时2种方法测算的木材含水率分布一致；在FSP以下时本研究方法测算的木材含水率...     

声－超声技术评价兴安落叶松规格材的抗弯性质

测量落叶松规格材的波速、峰值电压、时间形心和频率形心等声－超声参数,以及气干密度、抗弯弹性模量和抗弯强度等物理力学性质,研究声－超声参数、气干密度、动态弹性模量等与抗弯性质之间的相关性。为了探索利用声－超声技术预测落叶松抗弯性质的可行性,分别以动态弹性模量和声－超声参数及气干密度为自变量,建立预测其规格材抗弯性质的回归模型。结果表明：所有的声－超声参数、气干密度与抗弯弹性模量均在0.01水平显著相关,峰值电压、频率形心、气干密度与抗弯强度在0.01水平显著相关。利用气干密度、峰值电压和波速3个参数为自变量建立的抗弯弹性模量和抗弯强度的预测模型的相关性(决定系数 r2分别为0.83和0.66)与传统的超声波方法(以动态弹性模量为自变量建立的抗弯弹性模量和抗弯强度预测模型,r2分别为0.80和0.34)相比,模型的预测能力显著提高。利用声－超声技术能够较好地预测落叶松规格材的抗弯力学性质,特别是抗弯强度。     

宜林荒山土壤含水率预测模型更正的研究

在人工模拟降水条件下，对太行山宜林荒山土壤含水率进行了连续３ａ的观测，采用更正系数的方法，建立了不同降水量和不同降不间隔情况下，不同坡向及土层，隔旬、隔候土壤含水率预测模型的更正模型，经检验，平均精度达８７．４－９５．４％。     

软木砖导热系数与容重的关系

软木砖导热系数与容重间存在着一定的关系。20℃时,软木砖导热系数与容重间的关系,可用以下方程预测:K=0.1039ρ 0.02148式中,K——20℃时,软木砖导热系数(kcal/m·h·℃)ρ——软木砖绝干时容重(g/c·c)本方程适于0.096<ρ<0.22(g/c·c),当颗粒大小合理均匀一致时,平均和最大预测误差分别不超过6%和15%。     

直接估计法在帽儿山林场白桦林可燃物含水率的适用性分析

在春季防火期内按林型内凋落物的不同空间位置的分类标准采集白桦林的地表死可燃物,并依此放入由小到大的铁丝网中,在室内进行试验,记录数据,对两种林型分别采用Nelson模型和Simard模型作为平衡含水率对温湿度响应模型,使用直接估计法对地表死可燃物的含水率结果进行了预测。结果表明:(1)基于Nelson模型的可燃物含水率预测误差往往小于基于Simard模型,一般来说基于Nelson模型的含水率预测效果要好于使用Simard模型预测含水率效果。但是,对于白桦林的腐殖质和混合可燃物则两者相差不大,预测效果都比较好,误差要求在3%以内都可以使用;(2)对于白桦林内凋落物及半腐殖质,误差要求在3%以内时,使用Nelson模型预测可燃物含水率的预测精度要更好;(3)白桦林内不同层可燃物含水率的预测精度由高到低依次为:混合可燃物、腐殖质、半腐殖质和凋落物。由于试验在室内进行,尽最大可能减少可外界误差影响,因此可以作为使用直接估计法预测白桦林含水率模型误差的最低值。     

森林地表死可燃物含水率预测模型研究进展

林火是影响森林生态系统的重要因子之一,林火蔓延和发展深受森林可燃物含水率的影响,尤其是林火的发生直接受地表死可燃物含水率的影响。因此,准确预测森林地表死可燃物含水率是预报森林火险和火行为的关键,加强森林死可燃物含水率预测模型研究尤为重要。从森林可燃物含水率的研究方法、研究模型及模型精度3方面综述研究现状,并对比评价现有模型。针对目前研究的诸多问题,提出5点展望:1)加强研究重点火险区野外含水率动态。利用已有的森林火险因子采集站和森林火险监测站获取不同环境因子和可燃物含水率及气象因子监测数据,构建重点火险区基于气象参数的森林可燃物含水率预测模型。2)加强森林可燃物的基础数据监测和收集。这可为全面构建森林火险等级系统奠定坚实的数据基础,同时还应建立精准的森林可燃物类型划分体系。3)加强研究可燃物含水率的空间异质性。应考虑不同影响因子下可燃物含水率动态,特别是了解小尺度内森林可燃物含水率的空间异质性,才能更准确进行林火预测预报。4)结合应用增强回归树(BRT)方法来提高模型精度。在可燃物含水率模型精度影响因子的研究中,运用BRT方法多次随机抽取一定量的数据,量化分析不同因子对模型精度的影响程度。5)结合GIS进行大尺度火险预警研究。综合应用RS和GIS技术,建立可燃物含水率的遥感反演模型,在准确模拟森林可燃物含水率空间分布的基础上,建立基于可燃物含水率的不同火险等级的预测模型。     

生物质热压成型温度场分布规律

【目的】探讨单柱塞式生物质成型机生物质热压成型时成型块截面温度场分布情况,为生物质热压成型工艺研究提供参考。【方法】以废弃松木锯屑为试验原料,利用自主研制的单柱塞式生物质成型机,采用成型套筒加热方式,以成型套筒加热温度、原料含水率、单柱塞式生物质成型机电机频率为试验因素设计三因素五水平正交试验,成型套筒加热温度分别设定为155、170、185、200和215℃,原料含水率分别调至10%、12%、14%、16%和18%,单柱塞式生物质成型机电机频率分别设定为14、16、18、20和22 Hz。运用方差分析法分析各成型块整体密度以及成型块截面平均温度、最高温度、中心点温度受不同成型套筒加热温度、原料含水率、单柱塞式生物质成型机电机频率的影响程度;建立多元回归模型,得出成型块整体密度以及成型块截面平均温度、最高温度、中心点温度分别与成型套筒加热温度、原料含水率、单柱塞式生物质成型机电机频率的多元回归模型,并得到经过有效简化的各多元回归模型;分别建立一次、二次、三次多元回归模型,通过对比不同模型的拟合效果,得到成型块整体密度与截面温度场分布的最佳数学模型。【结果】对于成型块整体密度和中心点温度,其主次影响因素依次为原料含水率、单柱塞式生物质成型机电机频率和成型套筒加热温度;对于平均温度,其主要影响因素为成型套筒加热温度和原料含水率,次要影响因素为单柱塞式生物质成型机电机频率;对于最高温度,其主次影响因素依次为成型套筒加热温度、单柱塞式生物质成型机电机频率和原料含水率。各简化多元回归模型与原多元回归模型误差均小于1. 5%。得到以生物质成型块整体密度为因变量,以成型块截面平均温度、最高温度、中心点温度为自变量的最佳多元回归模型。【结论】在生物质热压成型实际应用中,成型块截面温度场分布对生物质成型质量影响颇深,本研究探究实际试验中生物质热压成型温度场分布规律,通过分析建模发现成型块整体密度与截面温度场分布存在数学关系,可为后续生物质研究拓宽思路。     

室内模拟降雨对蒙古栎和红松凋落物床层饱和含水率的影响

【目的】地表凋落物作为森林火灾的引火物,其含水率大小决定凋落物被引燃的难易程度和发生火灾后一系列火行为指标等。降雨作为林火预测预报中必不可少的气象因子,直接影响地表凋落物的含水率。但由于降雨的不确定性,其对凋落物含水率影响的研究较少。为了搞清降雨对凋落物含水率的影响,分析降雨条件下凋落物含水率动态变化和凋落物床层饱和含水率情况。【方法】以蒙古栎和红松地表凋落物为研究对象,设置不同床层密实度和初始含水率,利用降雨模拟器在室内模拟不同降雨量,每隔10 min称量一次凋落物床层至饱和,得到凋落物含水率动态变化情况,分析床层密实度、初始含水率和降雨量对2种凋落物床层饱和含水率的影响,并建立响应预测模型。【结果】降雨条件下2种凋落物床层含水率呈对数增加;不论蒙古栎还是红松,床层初始含水率对床层饱和含水率没有显著影响,饱和含水率受床层密实度和降雨量的影响显著。降雨量和床层密实度对凋落物床层饱和含水率的影响相互制约,随着床层密实度的增加,降雨量对饱和含水率的作用下降;不同凋落物床层密实度时,建立了Ms=a×exp(b×R)的床层饱和含水率预测模型,模型预测误差均在可接受范围内。【结论】本研究揭示了降雨对不同结构的凋落物床层含水率的影响,对于含水率预测模型研究和火险预报研究具有重要意义。     

木材横纹导热系数一种新的表达式的推导及与实测值比较

将木材的生物细胞结构作为一级近似简化为一个中空的细长方匣子模型.根据类比推理原理,把木材的导热与导电类比,从中推导出木材横纹导热系数的理论表达式,进而应用数学分析方法从该理论表达式中提示出木材横纹导热系数是木材孔隙率的减函数;对含水率相同的木材,密度大者,导热系数大;以及同一种木材,导热系数随其含水率增大而增大的规律.最后以27种木材的试验数据对导热系数理论表达式及得出的所有结论进行验证.     

樟子松针叶床层结构对失水过程中含水率参数的影响

以樟子松针叶床层为例,初步研究可燃物结构床层结构特征对其失水过程中时滞和平衡含水率参数(基于Nelson模型)的影响。通过对15个不同厚度、载量、密度的樟子松可燃物床层的失水过程的分析,估计这些床层的时滞和平衡含水率参数,利用这些参数进行可燃物含水率模拟的平均绝对误差和均方根误差均不超过0.01,所估计的可燃物含水率参数有效。对可燃物床层结构特征对这些参数的影响的研究表明,可燃物床层厚度和载量对时滞和平衡含水率的2个参数a、b具有有显著影响,与时滞和平衡含水率参数b正相关,与平衡含水率参数a负相关,据此建立可燃物含水率参数的预测模型。该模型高估了时滞和平衡含水率参数b,低估了平衡含水率参数a。所得结果还有一些不确定性,特别是可燃物结构特征对平衡含水率参数的影响,需要在更宽的温湿度范围内、针对其他平衡含水率模型和在失水吸水2个过程上进一步研究。     

基于Logistic回归的兴安落叶松林飞火引燃试验

【目的】基于室内模拟的飞火引燃试验数据,使用Logistic模型对影响飞火引燃的因子进行建模,探究该模型在预测飞火引燃中的适用性,为林火行为研究提供依据和参考。【方法】选取黑龙江大兴安岭兴安落叶松纯林为对象,以球果、1 h时滞、10 h时滞小枝为火源,构造不同风速、可燃物含水率和压缩比的可燃物床层,进行引燃试验,建立以Logistic模型为基础的3种火源的引燃概率模型。【结果】3种类型火源分别进行了1 800次点烧试验,球果、1 h时滞和10 h时滞小枝引燃次数分别为414、161和337次;本研究梯度范围内,火源引燃概率随着风速增加而显著增加;可燃物含水率与引燃概率负相关,但受火源的干质量影响较大,在可燃物含水率为40%时,较大的3种火源干质量造成了引燃率升高;床层压缩比对火源引燃概率并没有表现出明显的正或负相关性;构建的球果模型预测引燃准确率为87.2%,总预测准确率为71.1%; 1 h时滞小枝模型预测引燃准确率为79.6%,总预测准确率为78.6%; 10 h时滞小枝模型预测引燃准确率为81.5%,总预测准确率为79.5%。【结论】3种火源引燃能力为球果10 h时滞小枝1 h时滞小枝,风速、可燃物含水率和火源干质量对引燃有较大作用,建立的3种Logistic引燃概率模型有较高准确率,可供飞火引燃预测时参考,以提高森林火灾扑救效率和减少扑救伤亡。