一种木材高温热处理炭化程度预测方法与流程

本发明涉及过程仿真与工艺优化，且更为具体地，涉及一种木材高温热处理炭化程度预测方法。

背景技术：

1、木材高温热处理（亦称木材炭化或木材热改性）是通过将木材置于160℃至240℃的高温低氧环境中进行热处理，从而改善木材尺寸稳定性、耐腐性和色泽等性能的重要工业手段。炭化深度及其空间分布均匀性是决定炭化木成品力学性能和服役安全性的关键指标。围绕木材炭化过程的预测与模拟，国内外学者已开展了大量研究工作。早期研究主要基于实验观测建立经验或半经验公式，通过测定不同受火时间下的炭化层厚度来拟合炭化速率与热流强度、辐射时间等参数之间的经验关系。在此基础上，研究者逐步发展了基于热质传递与化学反应动力学耦合的数值模型：di blasi等建立了考虑热量、动量和质量传递的耦合反应模型，研究了木材颗粒各向异性纤维方向相对于一维热流方向的取向对热解过程的影响；有学者提出了厚木材颗粒等温炭化的热化学模型，同时考虑传热传质与化学反应动力学，通过隐式有限差分法求解耦合非线性偏微分方程组，预测了颗粒内部的温度分布与残余质量演化；基于格子boltzmann方法的数值求解方案也被用于厚木材颗粒炭化过程中的热质传递模拟。近年来，随着人工智能技术的发展，基于人工神经网络、随机森林等机器学习模型的热解炭化预测方法开始涌现，部分模型对生物炭产率和碳含量的预测决定系数可达0.987以上；模糊逻辑推理也被用于建立炭化工艺参数（炭化温度、处理时间、木材初始密度）与最终密度之间的智能预测模型。这些研究为理解木材炭化过程的物理化学机制奠定了重要基础。

2、然而，现有木材炭化深度预测技术仍存在若干尚未有效解决的关键问题。首先，现有数值模型在处理辐射热输入时，通常将木材表面接收的辐射热流简化为标量（即仅考虑热流密度的大小），而忽略了辐射热流的方向属性。在实际工业炭化炉中，炉壁辐射热源位置固定，辐射热流沿特定方向入射至木材表面，而木材作为一种天然各向异性材料，其顺纹方向热扩散系数（典型值约0.4 mm²/s）与横纹方向热扩散系数（典型值约0.15 mm²/s）可相差数倍。热流入射方向与木材纤维方向之间的空间夹角决定了热量沿不同方向的有效传输能力，这一几何耦合效应在现有模型中未得到充分表征。其次，现有预测方法大多以一维或轴对称简化模型为基础，将木材视为热物性均匀的介质，难以反映同一根木材不同表面位置因局部纤维取向差异和热流入射角度差异而导致的炭化深度空间分布不均匀性。第三，现有研究多聚焦于炭化深度的平均值或某一代表性位置的预测值，缺乏对炭化深度空间分布不均匀性的量化表征手段，更未能将炭化深度的几何差异与成品力学性能（如抗弯强度离散系数）建立直接的关联关系。现有技术中，应力分析与炭化深度预测通常是两个独立的研究方向，尚未见到将炭化层与未炭化层界面处的收缩不协调应力作为炭化均匀性评价指标的报道。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种木材高温热处理炭化程度预测方法，一定程度上解决如何预测单根木材各表面位置的炭化深度差异演变规律，量化空间分布不均对力学性能一致性的影响程度的问题。

2、根据本发明的一个方面，提供了一种木材高温热处理炭化程度预测方法，其包括：

3、获取木材表面热流与纤维方向的空间耦合信息，构建木材表面热流有效渗透率分布；

4、沿木材深度方向建立瞬态传热计算模型，根据所述热流有效渗透率分布和炭化反应动力学求解温度场，根据炭化转化程度计算炭化前沿推进速度，得到空间分辨炭化速度场；

5、对所述空间分辨炭化速度场进行时间累积，并结合炭化层收缩参数进行补偿修正，生成时序演变的炭化深度数据集；

6、根据所述炭化深度数据集提取炭化深度空间不均匀度的时序演变信息，并在目标处理时刻计算炭化层与未炭化层界面的应力梯度，将所述时序演变信息、目标处理时刻的空间极差值以及应力梯度峰值作为炭化程度预测结果。

7、进一步地，所述构建木材表面热流有效渗透率分布包括：

8、将木材表面各位置按心材区、边材区、高密度区、低密度区、节疤影响区或按密度和含水率聚类形成的参数区划分为不同材料分区，并为每个材料分区设定分区基准等效热扩散系数；

9、根据入射热流方向单位矢量和局部纤维方向单位矢量，按下式计算第个表面位置沿入射热流方向的等效热扩散系数：

10、

11、其中，为顺纹方向热扩散系数，为横纹方向热扩散系数；

12、按下式计算热流有效渗透率：

13、

14、其中，为第个表面位置的辐射热流密度，为同一时刻受热表面的面积加权平均辐射热流密度，为第个表面位置所属材料分区的基准等效热扩散系数。

15、进一步地，根据所述热流有效渗透率分布和炭化反应动力学求解温度场通过在每个时间步内，以所述热流有效渗透率分布确定各深度层的等效热导率并作为瞬态热传导方程的输入，由当前温度驱动炭化反应动力学同步更新炭化转化程度，通过联立求解带水分蒸发潜热项的瞬态热传导方程得到温度场及其对应的炭化活性区分布。

16、进一步地，根据所述炭化转化程度计算炭化前沿推进速度包括：

17、当某一深度层的温度进入由材料标定获得的炭化反应活化区，且该深度层的炭化转化程度在连续时间节点中呈持续增长状态时，将该深度层标记为炭化活性区；

18、当某一深度层温度升高但炭化转化程度未形成连续增长时，将该深度层作为预热层或干燥过渡层处理；

19、所述炭化前沿推进速度按下式计算：

20、

21、其中，为第个表面位置、第个深度层的炭化转化程度，为深度层厚度，为时间步长，下标表示仅取正值。

22、进一步地，所述炭化反应动力学参数采用聚类标定策略确定，所述聚类标定策略包括：

23、预先将常用树种按密度区间、初始含水率区间和升温速率区间划分为多个材料参数等级，每个等级建立包含指前因子、活化能和反应级数的标准反应参数集；

24、生产时根据当前木材实测密度、初始含水率和工艺升温速率调用最近等级的标准反应参数集作为初始值；

25、仅在首件生产、更换树种、更换热处理制度或预测结果与抽检结果持续偏离时，进行同批样条热重分析验证或基于剖切炭化深度的反向校正。

26、进一步地，所述结合炭化层收缩参数进行补偿修正包括：

27、为每个深度层记录其首次进入炭化活性区的时间或达到主要炭化转化程度的时间，并根据当前时间节点与炭化形成时间之间的停留时间，结合同批材料的收缩成熟曲线确定该深度层的收缩完成程度；

28、按下式计算补偿后炭化深度：

29、

30、其中，为原始累积炭化深度，为基于各深度层收缩成熟度加权得到的有效法向长度保持比例。

31、进一步地，所述计算炭化层与未炭化层界面的应力梯度包括：

32、在目标处理时刻，根据各表面位置的补偿后炭化深度确定炭化层与未炭化层界面，将截面划分为炭化层区域、过渡界面区域和未炭化承载区域；

33、分别获取界面位置炭化层侧采样点和未炭化层侧采样点的等效应力，按下式计算界面应力梯度：

34、

35、其中，和分别为界面位置炭化层侧和未炭化层侧的等效应力，和 分别为界面两侧采样点到界面的距离；

36、遍历所有界面位置后提取最大应力梯度作为应力梯度峰值，并记录该峰值对应的界面坐标、受热表面和炭化深度信息。

37、根据本发明的另一方面，提供了一种木材高温热处理炭化程度预测系统，其包括：

38、空间耦合模块，用于获取木材表面热流与纤维方向的空间耦合信息，构建木材表面热流有效渗透率分布；

39、瞬态求解模块，用于沿木材深度方向建立瞬态传热计算模型，根据所述热流有效渗透率分布和炭化反应动力学求解温度场，根据炭化转化程度计算炭化前沿推进速度，得到空间分辨炭化速度场；

40、累积补偿模块，用于对所述空间分辨炭化速度场进行时间累积，并结合炭化层收缩参数进行补偿修正，生成时序演变的炭化深度数据集；

41、评价输出模块，用于根据所述炭化深度数据集提取炭化深度空间不均匀度的时序演变信息，并在目标处理时刻计算炭化层与未炭化层界面的应力梯度，将所述时序演变信息、目标处理时刻的空间极差值以及应力梯度峰值作为炭化程度预测结果。

42、与现有技术相比，本发明提供的木材高温热处理炭化程度预测方法，其通过获取木材表面热流与纤维方向的空间耦合信息并构建热流有效渗透率分布，进而耦合各向异性传热与炭化反应动力学求解温度场与炭化速度场，再对炭化深度进行时间累积与收缩补偿修正，并最终提取炭化深度空间不均匀度的时序演变信息以及计算炭化层与未炭化层界面的应力梯度。这样，能够精准刻画单根木材不同表面位置因热流入射角度与纤维方向夹角差异所导致的炭化深度分布不均及其演变规律，实现炭化均匀性的全过程量化追踪，并首次将炭化几何差异与界面收缩不协调应力直接关联，为力学一致性风险提供定量判据。有助于从炭化源头精准定位工艺薄弱区域，从而为辐射挡板布局优化、木材摆放角度调整以及目标处理时刻的精准控制提供空间坐标级的定向指导，最终显著提升炭化木成品抗弯强度的批次一致性，降低因炭化不均导致的力学性能离散风险。