一种基于贝叶斯推理的湿木材热参数反演方法技术

本发明专利技术公开了一种基于贝叶斯推理的湿木材热参数反演方法，首先，基于阿伦尼乌斯定律建立湿木材热分解本构模型,详细考虑了木材热解过程中的多个阶段；其次，基于贝叶斯方法建立木材热参数反演模型；再次，基于马尔科夫链蒙特卡罗方法(MCMC)给出所建立模型的求解算法，提出混合反演算法；最后为了更好的实际应用，还提出一种基于MATLAB、ABAQUS和Python的求解算法通用计算方案，该计算方案灵活调用多种计算软件，实现了复杂运算和数据的自动化处理。本发明专利技术与传统方法相比，所提方法与实际热解过程拟合较好，同时简单高效，具有较高的热参数反演精度，具备巨大的工程应用价值。

An inversion method of thermal parameters of wet wood based on Bayesian inference

The invention discloses an inversion method of thermal parameters of wet wood based on Bayesian inference. Firstly, the constitutive model of thermal decomposition of wet wood is established based on Arrhenius law, and multiple stages in the process of wood pyrolysis are considered in detail; secondly, the inversion model of thermal parameters of wood is established based on Bayesian method; thirdly, the established model is given based on Markov chain Monte Carlo method (MCMC) Finally, in order to better practical application, a general calculation scheme of solution algorithm based on MATLAB, ABAQUS and Python is proposed, which can flexibly call a variety of calculation software to realize complex operation and automatic data processing. Compared with the traditional method, the method has better fitting with the actual pyrolysis process, simple and efficient at the same time, high inversion accuracy of thermal parameters, and great engineering application value.

【技术实现步骤摘要】
一种基于贝叶斯推理的湿木材热参数反演方法
本专利技术属于土木工程、能源与环境
，特别涉及一种基于贝叶斯推理的湿木材热参数反演方法。
技术介绍
木材料在国内外现代建筑和古建筑中均得到了广泛的应用，木结构的安全性和耐久性需要着重考虑，关乎到人民的生命财产安全和历史文化价值。由于木材是一种可燃材料，火灾是影响木建筑安全性的重要的因素，木结构的防火问题和正确的防火设计是需要重点研究的关键问题。预测暴露在火灾下的木结构的结构行为和力学性能的退化需要得到更多的关注，这涉及到对影响木结构在火灾中性能的物理现象的正确认识。现如今木结构的材性建模和防火设计主要参考欧洲规范(Eurocode5)，但是该建模方法过于简单，有较多简化，无法准确表征木材在加热分解过程中的复杂物理化学变化。同时，目前ABAQUS和ANSYS等主流通用有限元软件中缺少现有的本构模型，可以对木材等可燃材料进行较好的热分析。为了更好的研究火灾下木结构的结构行为，需要更加准确的木材热分解建模方法。为了更好的进行木结构的防火设计，不仅需要准确的木材热分解建模，更为关键的是在正确建模的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于贝叶斯推理的湿木材热参数反演方法，其特征在于：包括如下步骤：/nS1：基于阿伦尼乌斯定律建立湿木材热分解本构模型；/nS2：基于贝叶斯方法建立木材热参数反演模型；/nS3：基于马尔科夫链蒙特卡罗方法给出步骤S2所建立反演模型的求解算法，提出混合反演算法。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于贝叶斯推理的湿木材热参数反演方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：基于阿伦尼乌斯定律建立湿木材热分解本构模型；
S2：基于贝叶斯方法建立木材热参数反演模型；
S3：基于马尔科夫链蒙特卡罗方法给出步骤S2所建立反演模型的求解算法，提出混合反演算法。


2.根据权利要求1所述的一种基于贝叶斯推理的湿木材热参数反演方法，其特征在于：所述步骤S1中湿木材热分解本构模型的建立具体为：
由于湿木材在有氧环境下通过导热和对流换热的热分解过程分为三个阶段，第一阶段是湿木材的干燥和水分的挥发，第二阶段是成炭过程，第三阶段是木炭的缓慢氧化放热最终变成灰烬，具体的反应如下，每个反应都由一阶阿伦尼乌斯定律模拟，假定T1为湿木材，T2为干木材，W为湿木材内部水分，V为水蒸气，C为木炭，G为挥发物，A为灰烬，则多阶段热解反应可表示为：
W→V
T2→C+G1
C→A+G2
湿木材热解的守恒方程由下式表示：



其中，T表示温度，λx、λy和λz表示x、y和z三个方向随温度变化的导热系数，ρw、ρc和ρl表示木材、木炭和液体的密度，cw、cc和cl表示木材、木炭和液体的比热容，t是时间变量，Q″为在温度T下三种热解反应的反应热之和，其与每个热解反应的反应速率、活化能和热反应有关，下式给出了反应热Q″的求解表达式：



木材、木炭、挥发性气体、湿木材内部水分和水蒸汽的质量守恒方程表示为下式：








3.根据权利要求2所述的一种基于贝叶斯推理的湿木材热参数反演方法，其特征在于：所述步骤S1中木材、木炭、挥发性气体、湿木材内部水分和水蒸汽的质量守恒方程式中k用阿伦尼乌斯公式计算，其具体表达式如下



其中，k为速率常数，R为摩尔气体常量，T为热力学温度，Ea为表观活化能，A为指前因子，也成为频率因子。


4.根据权利要求3所述的一种基于贝叶斯推理的湿木材热参数反演方法，其特征在于：所述步骤S1中k的求解需要确定初始温度分布和边界条件，其具体的确定方式如下：
初始条件：t＝0时，T(x,y,z,0)＝T0(x,y,z)，T0表示初始温度场；
边界条件：热流通过对流和辐射与木材的外露表面交换热量，由以下边界条件表示：



其中，n表示木材表面的外法线方向，σS-B是Stefan-Boltzmann常数，ε是辐射系数，hc是对流系数，Tf表示炉内测量温度，表征外加热流。


5.根据权利要求1所述的一种基于贝叶斯推理的湿木材热参数反演方法，其特征在于：所述步骤S2中木材热参数反演模型的建立具体为：
S2-1：设随机事件组A1,A2,...,An,...是样本空间Ω的一组可列无穷划分，p(Ai)＞0,i＝1,2,...，则



称为贝叶斯公式，上式是离散分布的情形，对于连续分布的情形，贝叶斯公式表达为下式：



S2-2：上两式是贝叶斯公式的一般形式，将贝叶斯公式改写作下式：



X表示未知随机变量Y表示与该随机变量相对应的相关“观测”值数据，pX|Y(x|y)为后验概率密度函数，pY|X(y|x)为似然函数，边缘分布密度pX(x)为先验概率密度函数；
在对后验状态空间进...

【专利技术属性】
技术研发人员：张中文，何至立，徐赵东，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32