Identify dominant parameters of comprehensive pyrolysis model - Part I: Variance-based sensitivity analysis of wooden materials

عندما تحترق قطعة من الخشب، فإنها لا تتلاشى ببساطة لتتحول إلى رماد ودخان. فقبل أن تلمس النيران سطحها حتى، تخضع المادة لعملية تحول صامتة وغير مرئية تسمى "التحلل الحراري" (pyrolysis). في هذه العملية، تعمل الحرارة الشديدة على كسر الروابط الكيميائية المعقدة داخل الخشب، محولةً المادة الصلبة إلى غازات يمكن أن تشتعل، وإلى بقايا صلبة تُعرف بالفحم. إن التنبؤ بدقة بمدى سرعة حدوث ذلك، وكمية الغاز المنبعث، ودرجة حرارة مركز الخشب، يمثل تحدياً حرجاً للمهندسين المصممين للمباني المقاومة للحريق، وللعلماء الذين يحاولون فهم كيفية انتشار حرائق الغابات. وللقيام بذلك، يبنون نماذج حاسوبية تحاكي فيزياء الحدث. ومع ذلك، فإن هذه النماذج معقدة للغاية، حيث تعتمد على عشرات الأرقام المختلفة لوصف كل شيء، بدءاً من سرعة حدوث التفاعل الكيميائي وصولاً إلى مدى جودة انتقال الحرارة عبر المادة. وكان السؤال الجوهري للباحثين لفترة طويلة هو: أي من هذه العشرات من الأرقام هي الأكثر أهمية حقاً؟ إذا كان النموذج عبارة عن آلة ذات تروس عديدة، فإن معرفة أي التروس هي التي تحرك الحركة تسمح للمهندسين ببناء عمليات محاكاة أفضل وأسرع وأكثر موثوقية دون الضياع في التفاصيل غير الضرورية.

لقد وضع فريق من الباحثين في جامعة ووهان للتكنولوجيا هدفاً للإجابة على هذا السؤال من خلال تطبيق منهج إحصائي صارم على دراسة احتراق الخشب. وقد ركزوا على مادتين شائعتين: خشب البتولا، وألواح الأليض متوسطة الكثافة (MDF)، وهي نوع من المنتجات الخشبية المصنعة. وبدلاً من التخمين حول العوامل المهمة، استخدموا تقنية تسمى "تحليل الحساسية القائم على التباين". تخيل النموذج كصندوق أسود يستقبل مدخلات عديدة وينتج مخرجاً، مثل معدل فقدان الخشب لوزنه أو درجة الحرارة في لبه. قام الباحثون بتغيير كل معلمة مدخلات بشكل منهجي ضمن نطاق واقعي وراقبوا مدى تغير المخرج. ومن خلال قياس مقدار عدم اليقين في المخرج الذي يمكن إرجاعه إلى كل مدخل محدد، استطاعوا تحديد المحركات المهيمنة للعملية. كان هدفهم هو فصل الفيزياء الأساسية عن الضجيج، وتحديد ما إذا كانت التفاصيل الدقيقة للمسارات الكيميائية أم الخطوط العريضة لانتقال الحرارة هي المتحكم الحقيقي في عملية التحلل الحراري.

كشفت الدراسة عن تسلسل هرمي مذهل بين الخصائص الكيميائية للخشب. فقد وجد الباحثون أن "طاقة التنشيط" (activation energy)، وهي مقياس لعتبة درجة الحرارة المطلوبة لبدادة التفاعل الكيميائي، كانت العامل الأكثر تأثيراً بشكل ساحق. وفي عمليات المحاكاة التي أجروها، كانت حساسية عتبة درجة الحرارة هذه أكبر بعشر مرات تقريباً من "رتبة التفاعل" (reaction order)، وهو معلمة تصف الشكل أو المسار المحدد للتفاعل الكيميائي. تشير هذه النتيجة إلى أنه لأغراض التنبؤ بكيفية احتراق الخشب، فإن النطاق الدقيق لدرجة الحرارة التي تتحلل عندها المادة أكثر أهمية بكثير من التفاصيل الدقيقة لمسار التفاعل نفسه. وبينما قد يغير ترتيب التفاعل قليلاً شكل المنحنى الذي يوضح سرعة فقدان الكتلة، إلا أنه لا يغير النتيجة الإجمالية بشكل كبير. وهذا يعني أن المبرمجين ليسوا بحاجة لقضاء وقت مفرط في مطاردة القيم المثالية لرتب التفاعل؛ إذ إن التركيز على نطاق درجة الحرارة الصحيح يحقق عائداً أفضل بكثير على الاستثمار فيما يتعلق بالدقة.

كما بحثت الدراسة في دور الرطوبة، وهي متغير غالباً ما يصعب التحكم فيه في السيناريوهات الواقعية. فالخشب يحتوي طبيعياً على الماء، الذي يجب أن يتبخر قبل أن يبدأ الخشب في التحول إلى فحم. اختبر الباحثون نماذج بمحتويات رطوبة تتراوح من 10 بالمائة (خشب جاف) إلى 50 بالمائة (خشب شديد الرطوبة). واكتشفوا أنه بينما كان لكينتيكا (حركية) تبخر الماء تأثير ملحو-ظ في درجة الحرارة في مركز الخشب، إلا أنه كان له تأثير ضئيل جداً على إجمالي الكتلة المفقودة. وحتى عندما كان الخشب مشبعاً برطوبة تصل إلى 50 بالمائة، لم يتغير المعدل الذي يحترق به الخشب بشكل كبير بسبب السرعة الدقيقة لتبخر الماء. بدلاً من ذلك، أصبحت الحرارة المطلوبة لتحويل ذلك الماء إلى بخار هي العامل المهيمن. وهذا التمييز حيوي: فإذا كان المهندس يحاول التنبؤ بمدة صمود عارضة خشبية في حريق بناءً على وزنها، فإن تفاصيل تبخر الماء تكون أقل أهمية. ومع ذلك، إذا كان الهدف هو التنبؤ بمدى سخونة داخل العارضة، فإن سلوك الماء يصبح هو الشاغل الرئيسي.

ولعل الرؤية الأكثر أهمية جاءت من مقارنة التفاعلات الكيميائية مقابل الحركة الفيزيائية للحرارة. فقد وجد الباحثون أن هاتين القوتين تتنافسان، لكن سيطرتهما تعتمد كلياً على ما يتم قياسه. فعند النظر إلى فقدان الكتلة — أي كمية الخشب التي تتحول إلى غاز — كانت التفاعلات الكيميائية هي المحركات الواضحة؛ حيث حددت سرعة التحلل الكيميائي للخشب مدى سرعة اختفائه. وعلى العكس من ذلك، عند النظر إلى درجة الحرارة في مركز المادة، تولت عملية انتقال الحرارة الفيزيائية زمام المبادرة. فمدى جودة توصيل الخشب للحرارة وكمية الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارته كانت هي العوامل الحاسمة للحرارة الداخلية. وقد تغير هذا التوازن بشكل كبير مع محتوى الرطوبة؛ ففي الخشب الجاف، كانت المنافسة بين السرعة الكيميائية وتوصيل الحرارة. أما في الخشب الرطب، فقد أصبحت الطاقة المطلوبة لتبخير الماء كبيرة جداً لدرجة أنها طغت على جميع الخصائص الحرارية الأخرى، مما أدى فعلياً إلى إضعاف تأثير قدرة الخشب الطبيعية على توصيل الحرارة.

كما نظر الباحثون في كيفية مساهمة المكونات المختلفة للخشب، مثل السليلوز، والهيميسليلوز، واللجنين، في هذه العملية. ووجدوا أن أهمية اللجنين، وهو المكون الذي يمنح الخشب صلابته ويتحول إلى فحم، تزداد مع زيادة التدفق الحراري، أو شدة الحريق. ففي مستويات الحرارة المنخفضة، لا يسخن الخشب بما يكفي لتفكيك اللجنين بالكامل، مما يجعل خصائصه الكيميائية أقل صلة بالمحاكاة. ومع ذلك، تحت الحرارة الشديدة، يصبح تفكك اللجنين عاملاً رئيسياً. وتبرز هذه الدقة أن نموذجاً واحداً لا يمكن تطبيقه عالمياً دون مراعاة شدة الحريق. وقد أكدت الدراسة أنه بينما تقود التفاعلات الكيميائية استهلاك المادة، فإن انتقال الحرارة الفيزيائي هو الذي يحكم الملف الحراري داخلها، ويجب تضمين كليهما في أي نموذج شامل.

في الختام، يوفر هذا العمل خارطة طريق واضحة لتحسين عمليات المحاكاة الحاسوبية المستخدمة للتنبؤ بسلوك الحريق. فمن خلال تحديد أن طاقة التنشيط هي "الملك" بين المعلمات الكيميائية وأن رتبة التفاعل هي لاعب ثانوي، أظهر الباحثون أين يجب على المبرمجين تركيز جهودهم. لقد أثبتوا أن تبسيط التفاصيل المعقدة لمسارات التفاعل لا يأتي على حساب الدقة، بشرط أن تكون نطاقات درجات الحرارة صحيحة. علاوة على ذلك، أوضحوا أن دور الرطوبة محدد بالتنبؤ لدرجة الحرارة وليس لفقدان الكتلة، وأن التفاعل بين الكيمياء والفيزياء يتغير اعتماداً على مدى رطوبة الخشب وشدة الحريق. إن هذه النتائج لا تكتفي بتنقيح معادلة رياضية، بل تقدم فهماً أعمق وأكثر عملية لفيزياء احتراق الخشب، مما يسمح ببناء أدوات أكثر كفاءة وموثوقية لحماية الأرواح والممتلكات من الحرائق.