**基于CFD的人体火化过程传热传质分析：一种数值模拟方法**

《Case Studies in Construction Materials》：CFD-Based Analysis of Heat and Mass Transfer in Human Cremation: A Numerical Simulation Approach

　　

本研究提出了一种多物理场耦合的三维计算流体力学（CFD）燃烧模型，用于模拟火化过程中的传热与传质现象。该模型考虑了遗体的非均质特性及其热物理性质的动态变化。通过Ansys Fluent软件并耦合用户自定义函数（UDFs），该模型能够描述火化过程中遗体组成、可燃替代物以及燃烧反应阶段的动态演变，从而对整个过程进行详细描述。数值模拟结果揭示了使用天然气火化时的三个明显阶段：1）初始阶段（炉温800 K），水蒸气快速释放，并形成类似莱顿弗罗斯特（Leidenfrost）效应的蒸汽层，阻碍了高温烟气与遗体表面之间的传热；2）稳定燃烧阶段（温度约1100 K），遗体上方和炉体中部出现集中的高温区，表明其强烈依赖于气流速度；3）燃尽阶段（温度降至900 K），可燃物减少。模拟结果与实验数据之间的最大偏差在10%以内，证实了该模型的准确性。该计算框架对于模拟涉及具有可变热物理性质的非均质材料的燃烧过程具有很高的适用性。

**基于CFD的人体火化过程传热传质分析：一项数值模拟研究**

在过去几十年中，火化已迅速成为全球主流的丧葬方式。随着人口老龄化加速和社会需求演变，火化技术研究已成为工程热物理和燃烧科学的关键焦点。国际学术界正积极致力于建立基于燃烧动力学的火化过程理论框架，旨在阐明人体遗体的热化学转化机制，并指导设备技术创新。现有研究主要集中在三个方面：1）火化室内的多相反应流场建模，采用耦合的计算流体力学（CFD）和离散元方法（DEM）量化影响燃烧效率的气-固相相互作用；2）人体组织成分的热解动力学分析，利用热重-质谱联用技术（TG-MS）表征肌肉、脂肪组织等有机组分的阶段性燃烧模式，为火化炉的分区温控提供理论基础；3）智能燃烧调控技术的发展，特别是基于泽尔多维奇（Zeldovich）反应机理的动态氧控制算法。然而，由于伦理限制和实验数据不足，遗体碳质残渣反应路径的映射仍存在很大不确定性。当前研究迫切需要在多物理场耦合模拟精度和对高水分遗体的燃烧稳定性预测方面取得突破，这为传热传质理论在殡葬工程中的高级应用带来了新机遇。

通过对文献的梳理，全球范围内针对殡葬设备的研究相对稀缺。现有研究主要来自中国民政部101研究所以及其他东亚国家，大多聚焦于火化系统的整体优化和新型燃烧技术，以提高能效和燃烧性能。He等[1]使用Fluent软件进行了数值模拟，研究了不同过量空气系数和预热进气温度下燃油火化炉的燃烧特性和污染物排放模式。Gao等[2]对不同操作条件和炉体配置下的火化过程进行了CFD模拟和实验验证。Won等[3]通过扩大炉体容积以延长烟气停留时间，实现了火化时间缩短44.1%和燃料消耗减少54.4%。Zuo等[4]通过集成二次燃烧室、安装导热层和设置挡板，计算评估了绿色减排火化炉的优化效果，报告燃料节约率高达60%。Lee等[5]开发了二噁英排放因子作为火化建模的参数输入。Jia等[6]使用Fluent模拟了火化炉内的传热过程，系统比较了燃烧器和送风口定位对燃烧性能的影响。上述研究[1-6]专门针对火化系统，而以下关于一般焚烧和生物质燃烧的研究则提供了方法学上的启发。此外，这些发现也为其他工业热工炉窑以及生物质燃料炉窑构型的模拟和优化提供了有价值的参考。

目前，针对涉及具有时变热物理性质的非均质材料（如生物质燃料、垃圾焚烧和污泥燃烧）的燃烧过程的研究，主要采用用户自定义函数（UDF）模块来表征可燃材料的属性和反应机制。例如，Backa等[14]分析了小型锅炉燃烧室中生物质燃料颗粒的稳态燃烧特性，并开发了一套实验测量系统来研究该过程。Yin等[15]使用Fluent进行了数值模拟，研究了高温蒸汽条件下锅炉壁面氧化层的形成，以及不均匀氧化层分布对加热效率的影响。类似地，Kozhumal等[16]模拟了石膏板煅烧过程中二水硫酸钙中化学结合水的吸热脱水过程及其热物理性质变化。Zheng等[17]通过基于UDF的替代组分设置，对不同生物质热解气进行了燃烧模拟。

国内外已对火化炉和其他焚烧炉进行了大量计算模拟研究，但其效果主要源于炉体结构和操作条件的设计，对于燃烧室内被加热对象与燃料相关的传热传质现象关注有限。这种疏忽显著限制了结构优化成果。当前关于具有可变性质的非均质可燃材料的研究，主要采用将反应机制与传热/传质过程解耦的计算框架，这不可避免地引入了不必要的复杂性。特别是在人体遗体火化研究中，反应机制的过度简化导致与实际场景存在显著偏差。此外，现有技术在获取高温条件下的三维温度和浓度场数据方面面临持续挑战，形成了阻碍火化炉优化的“黑箱”困境。本研究旨在解决在高温燃烧条件下建立人体遗体火化数值模型的关键需求，主要贡献集中在模型开发和方法探索上。与以往主要关注炉侧流场和温度场的火化炉CFD研究不同，本模型在一个单一的欧拉（Eulerian）CFD框架内显式地耦合了遗体成分的瞬态演变、水分蒸发、挥发分释放、孔隙率变化以及气相燃烧。主要贡献具体包括：1）开发了一个新的三维CFD燃烧框架，该框架并非直接沿用以往火化炉模拟，而是针对作为具有时变热物理性质的非均质可燃材料的人体遗体。该模型通过基于UDF的源项耦合了炉内流动、气相燃烧、水分蒸发、挥发分释放、成分演变和遗体孔隙率变化；2）遗体采用基于欧拉方法的多孔介质模型进行建模，其中孔隙率在火化过程中动态演变；3）初始火化阶段表现出莱顿弗罗斯特效应（Leidenfrost effect），水分蒸发在遗体表面形成水蒸气层。这种隔热的蒸汽膜阻碍传热，从而延缓火化速率；4）炉内温度分布遵循前部>中部>后部的梯度，而遗体的加热速率呈现先慢后快的模式；5）与实验数据的验证显示偏差小于10%，证实了该模型在模拟三维火化动力学方面的准确性。

**研究背景与问题**
随着全球人口老龄化加速，火化已成为主流的殡葬方式。然而，针对火化炉内人体遗体这一特殊非均质燃料的高效、清洁燃烧，其基础理论研究仍相对滞后。现有燃烧动力学理论框架尚未完善，且在模拟过程中存在诸多不确定性，主要体现在：一是遗体成分复杂、水分含量高且分布不均，其热物理性质随燃烧进程动态变化；二是高温条件下获取精确的三维流场、温度场及浓度场数据极为困难，形成了优化设计的“黑箱”问题；三是现有模型多将反应机制与传热传质过程解耦，或对反应机制过度简化，导致模拟与实际过程偏差较大。因此，建立一个能够精确描述遗体火化过程多物理场耦合特性的数值模型，对于揭示燃烧机制、优化炉体设计和提升能源效率具有重要的科学与工程价值。

**研究内容与方法**
研究人员为解决上述问题，开展了一项基于CFD的人体火化过程传热传质数值模拟研究。本研究的核心贡献在于开发了一种新颖的、耦合遗体成分动态演变的三维CFD燃烧模型。该模型创新性地将人体遗体视为一个具有时变热物理性质的多孔介质区域，并在一个统一的欧拉框架内，通过用户自定义函数（UDF）实现了炉内流动、气相燃烧、遗体水分蒸发、挥发分释放、成分演变以及孔隙率变化的强耦合。研究选取一名典型成年男性遗体（体重70 kg，身高1.75 m）作为研究对象，并利用猪肉组织作为替代材料进行热重-差示扫描量热法（TG-DSC）实验和氧弹量热法实验，以表征其热解与燃烧特性。基于实验数据，研究将遗体简化为水分、挥发分和灰分三个组分，并通过UDF在Fluent软件中设置了相应的质量源项和能量源项来描述其释放与反应过程。模型开发基于中国安徽省某殡仪馆的实际运营单元几何结构，使用Realizable k-ε模型处理湍流，组分输运模型结合涡耗散模型（EDM）模拟气相燃烧，P1模型计算辐射换热。通过网格独立性验证后，进行了37分钟的天然气火化过程模拟，并与该殡仪馆的红外热成像实验数据进行了对比验证。

**关键技术方法**
本研究的关键技术方法主要包含四个环节：1）模型开发：建立了耦合炉内流动、气相燃烧与遗体内部水分蒸发、挥发分释放及成分演变的多物理场三维CFD模型；2）组成简化：基于“4C”模型和替代材料（高蛋白瘦猪肉、高脂肪猪肉肥膘）的TG-DSC与氧弹量热实验数据，将复杂的遗体组分简化为水分、等效挥发分（以CH₄、CO、H₂混合气体替代）和灰分，并确定了其释放的Arrhenius动力学参数与温度阈值；3）反应设置：通过UDF编程，在Fluent中实现了基于温度的水分蒸发（阈值100 °C）和挥发分释放（阈值200 °C）的源项控制，以及挥发分燃烧的等效热值约束；4）模拟框架：采用多孔介质模型而非颗粒堆积模型来表征遗体区域，并利用实验数据为模型提供输入与验证，样本队列来源于对替代猪肉组织的实验室测试。

**研究结果**
**炉内温度场分布**
模拟显示，在天然气燃烧和遗体水分蒸发的共同影响下，炉内空间温度主要集中在1100 K附近。高温区主要分布在炉体中央区域、燃气燃烧器区域以及顶部送风口下方，表明在氧气充足区域燃烧有效。遗体上方温度可达约1200 K。不同时刻的温度场云图对比表明，随着遗体燃烧推进，未燃尽物减少扩大了炉内空间并增强了流场混合，因此火化速率随温度场趋于均匀而加速，表现出从初始缓慢燃烧向快速进程的转变。到最终阶段，炉温均匀性得到改善，中心与外围区域的温差进一步减小。不同高度水平截面的温度分布分析揭示，高速燃烧器射流在侧送风口附近形成了向后倾斜的高温区。炉体前部温度普遍高于后部。沿炉体宽度方向，高温区集中在中心区域，那里相对的顶部和侧向气流形成了一个约1400 K的中心高温区。燃烧器射流和二次风直接冲击遗体的腰腹部区域，强烈的流场相互作用加速了该区域的反应速率，沿x方向形成了具有明显高温区的W型温度分布。燃烧30分钟后，中心高温区径向扩展，温度分布逐渐在整个炉内趋于均匀。垂直方向温度分析表明，遗体附近温度相对较低，随高度增加先升后降，在y=300 mm处达到最高。随着时间推移，高度方向的温差逐渐减小。

**炉内速度场分布**
炉内流场分布显示，随着时间推移，残余遗体体积减小，侧向空气扩散空间扩大。沿炉壁形成了向下的回流，增强了遗体周围的流场扰动和温度场均匀性。遗体体积减小降低了气流阻力，增加了送风量和动能，从而改善了流场混合并加速了后续火化速率。沿x方向截面的流线分布表明，炉壁向上回流效应随时间逐渐减弱，但遗体上方仍保持高速区。随着遗体继续塌缩至最小体积，炉内空间增大，二次风与遗体表面的碰撞显著减少。中心区域燃烧器空气与二次风的混合效率下降，导致速度分布更为均匀，强对流效应减弱。

**蒸汽毯效应**
研究发现，在初始燃烧阶段（模拟第5分钟），快速的水分蒸发引发了瞬态的蒸汽毯效应（vapor-blanket effect）。此时遗体内仍存留大量水分，在高温烟气加热下蒸发加速。尽管遗体中心区域水分释放强烈，但其自身温度较低（接近沸点373 K），逸出的蒸汽遇到上方过热的烟气（约800 K），发生剧烈沸腾，在遗体与高温烟气之间形成了一层蒸汽层。这层蒸汽阻碍了蒸汽扩散，并造成了“中心区域水分含量低、上部区域水分含量高”的特殊分布模式，初始的低孔隙率加剧了此现象。模拟结果清晰地显示，该蒸汽层对应着一个明显的低温区（图15）。这一蒸汽层严重阻碍了传热与传质，从而延缓了火化过程。由于遗体内水分含量有限，此效应主要发生于火化初始阶段。随着残余水分减少和遗体收缩，该效应减弱，导致了特征性的“先慢后快”加热速率模式。削弱此效应有望加速水分蒸发、缩短火化时间并降低燃料消耗。模拟结果验证了实验中观察到的蒸汽毯现象。

**实验数据对比与验证**
基于中国安徽省某殡仪馆建造的炉体模型，研究人员选取了相似遗体条件下的实验数据进行对比验证。模拟结果显示，炉内温度分布（前部、中部、后部及最大值、平均值）与红外热成像实验数据的偏差均小于10%，且定性趋势（如前部>中部>后部）一致。烟气出口温度的模拟曲线与实验数据在稳定上升趋势上吻合良好。模拟温度略高于实验值，主要源于模拟中忽略了炉壁热损失等理想化假设。通过能量平衡分析，稳态运行时天然气化学能输入约220 kW，遗体挥发分燃烧平均贡献约432 kW。烟气带走的热量约76.2 kW，估算的炉壁热损失约19.5 kW（约占燃料输入的23%），这解释了模拟与实测的温差。

**讨论与结论**
本研究成功建立并验证了一个用于模拟人体遗体火化过程的三维多物理场耦合CFD模型。该模型的核心创新在于将遗体视为动态变化的多孔介质，并在一个统一的欧拉框架内，通过UDF实现了成分演变、水分蒸发、挥发分释放与炉内燃烧流动的强耦合。模拟结果揭示了火化过程清晰的三阶段特性：初始阶段以水分快速蒸发形成莱顿弗罗斯特式蒸汽层为特征，该蒸汽层严重阻碍传热传质，是限制初始火化速率的关键因素；稳定燃烧阶段，遗体中可燃物剧烈燃烧，炉温高且稳定，火化速率最快；燃尽阶段，可燃物耗尽，反应速率下降，炉温降低。通过调整送风角度和风量，有望削弱初始阶段的蒸汽毯效应，从而提升整体火化效率。模型预测的温度场分布和演变趋势与红外热成像实验数据吻合良好，最大偏差小于10%，证实了其准确性和可靠性。该模型为深入理解人体遗体火化机理、优化火化炉设计以及指导节能降耗运行提供了有力的数值工具和理论支撑，对于推动火化技术的科学化与智能化发展具有重要意义。