趙艷秋, 王昌建, 張 旭, 吳 越, 於 星

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

地形條件是影響森林地表火蔓延的重要因素,文獻(xiàn)[1]的研究表明,世界各地由森林火災(zāi)引起的致命事故大都發(fā)生在山谷或者山脊中,而山谷和山脊地形在實(shí)際中很常見,因此研究山地火蔓延對預(yù)防和撲救森林火災(zāi)具有重要意義;文獻(xiàn)[2]研究了地形條件對火蔓延特性的影響,結(jié)果表明地形的坡度是影響火災(zāi)行為非常重要的因素。目前,許多學(xué)者已經(jīng)開展了坡度條件下火蔓延的實(shí)驗(yàn)研究和模型分析。文獻(xiàn)[3-4]改變地形坡度進(jìn)行了地表火蔓延實(shí)驗(yàn),測量了火焰長度、火焰傾斜角、火焰輻射和溫度分布等特性,發(fā)現(xiàn)火焰在斜坡上蔓延時(shí),輻射傳熱在火蔓延預(yù)熱階段占主導(dǎo)地位;文獻(xiàn)[5]認(rèn)為外界風(fēng)和坡度可以改變輻射和對流傳熱效率,從而改變火蔓延速率(rate of fire spread,ROS),將實(shí)驗(yàn)得到的有坡度與無坡度時(shí)的ROS之比定義為坡度附加系數(shù),并將坡度附加系數(shù)引入地表火災(zāi)蔓延數(shù)學(xué)模型中,使該模型可適用于有坡度的地形;文獻(xiàn)[6-7]研究了風(fēng)和坡度對蔓延行為的作用,認(rèn)為坡度對ROS的影響與環(huán)境風(fēng)的影響相似;文獻(xiàn)[8-10]通過線形火點(diǎn)燃的上坡火蔓延實(shí)驗(yàn),分析了坡度對ROS、火焰滯留時(shí)間、火焰溫度和幾何形狀等火焰特性的影響,研究了火焰前鋒對前方未燃燒區(qū)域的輻射和對流作用;文獻(xiàn)[11-12]比較分析了點(diǎn)火源引燃和線形火點(diǎn)燃的火焰前鋒的變化規(guī)律,結(jié)果發(fā)現(xiàn)輻射傳熱和對流傳熱在上坡火蔓延階段共同作用,導(dǎo)致ROS不穩(wěn)定,較大坡度時(shí),對流加熱效應(yīng)的增強(qiáng)會引發(fā)爆發(fā)火;文獻(xiàn)[13-14]在實(shí)驗(yàn)室和野外進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),測量了上坡火蔓延過程中火焰前鋒不同位置的熱流,并觀察了坡度對火焰動力學(xué)和火焰前方傳熱的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著坡度增加,火焰動力和傳熱均發(fā)生顯著變化。測得的總熱流曲線與輻射熱流曲線差距很小,即在該實(shí)驗(yàn)中,輻射傳熱對未燃燒的燃料的預(yù)熱起主要作用。文獻(xiàn)[15]在實(shí)驗(yàn)中將粒子圖像測速(particle image velocity,PIV)技術(shù)測量系統(tǒng)與視頻相結(jié)合,研究上坡火蔓延中火焰的動力學(xué)特性和燃燒機(jī)制;文獻(xiàn)[16-18]通過在燃料床兩側(cè)布置相同高度的擋板抑制火焰的側(cè)向卷吸,研究了溝槽地形的上坡火蔓延,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在較高的坡度下火焰會向燃料床表面附著,導(dǎo)致火蔓延加速,火焰前方產(chǎn)生熱氣流,增強(qiáng)對流加熱作用從而引發(fā)爆發(fā)火;文獻(xiàn)[19]研究了坡度對溝槽地形火災(zāi)行為的影響,結(jié)果表明坡度越大,爆發(fā)火噴射得越劇烈,達(dá)到最高溫度的速度越快;文獻(xiàn)[20-22]開展了一系列的實(shí)驗(yàn),研究不同坡度下的下坡火災(zāi)行為,結(jié)果表明下坡ROS較低,隨著坡度的增加,ROS在20°達(dá)到最小值,隨后增加,其變化趨勢呈拋物線形。前人關(guān)于山地火災(zāi)的實(shí)驗(yàn)研究主要集中在單一的地形,對復(fù)雜地形的火蔓延的實(shí)驗(yàn)和理論研究還不夠完善。為了研究山地火災(zāi)的蔓延規(guī)律,本文利用一個(gè)山脊和山谷相連的模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn),通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究坡度對火災(zāi)行為和ROS的影響,并分析火焰前方的傳熱機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

本文的所有實(shí)驗(yàn)均在一個(gè)長為30.2 m、寬為8.4 m、高為6.5 m的大廳內(nèi)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)時(shí),大廳內(nèi)的門窗處于關(guān)閉狀態(tài),排除氣流對火蔓延過程的影響,模擬無風(fēng)條件下的山地火蔓延。山地火蔓延實(shí)驗(yàn)在1個(gè)山脊和1個(gè)山谷相連的模型上進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)臺是用3面1.0 m×2.0 m的相同尺寸金屬板通過折頁連接而成,山地的幾何結(jié)構(gòu)可以用中心坡度角α和側(cè)面坡度角δ來描述,其中:中心坡度角α為山脊和山谷線與水平地面之間的夾角;側(cè)面坡度角δ為山脊和山谷傾斜底邊與水平地面之間的夾角。

在實(shí)驗(yàn)臺上鋪設(shè)防火板,并在防火板上放置細(xì)鋼絲網(wǎng),以防止燃料滑落,使燃料鋪設(shè)更均勻。實(shí)驗(yàn)中使用原產(chǎn)地四川的干松針作為燃料,燃料鋪設(shè)厚度約5 cm。實(shí)驗(yàn)前使用溫濕度計(jì)以及含水率測定儀測得環(huán)境溫度、空氣相對濕度和燃料的含水率,實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1所列。每次實(shí)驗(yàn)時(shí),同時(shí)開展實(shí)驗(yàn)臺尺寸為1.0 m×1.0 m的平坡下的火蔓延實(shí)驗(yàn),得到的火蔓延速率在0.27 ～0.30 cm/s范圍內(nèi),重復(fù)性較好。因此,認(rèn)為可以排除環(huán)境條件對實(shí)驗(yàn)的影響。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

用浸有酒精的棉球點(diǎn)火,點(diǎn)火位置位于山脊中心線上距底部20 cm。改變中心坡度角α為0°、10°、20°、30°、40°,側(cè)面坡度角δ為0°、10°、20°、30°、40°,進(jìn)行10種工況的重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)儀器布置如圖1所示,采用K型熱電偶(直徑為1 mm,探頭長度為300 mm,測溫范圍為-200～1 300 ℃,測溫精度為±1.5 ℃)測量不同位置處的火焰前沿溫度。熱電偶從燃料床下穿至燃料床表面上方3 cm處,沿山脊線和山谷線以20 cm等距離分布。使用Captec公司生產(chǎn)的2個(gè)HS34-CB總熱流計(jì),量程為±200 kW/m2,靈敏度為2.5 μV/(W/m2))和2個(gè)TS-34C輻射熱流計(jì)量程為±200 kW/m2,靈敏度為2 μV/(W/m2))測量火焰前方燃料表面接收到的總熱量和輻射熱量。在山脊和山谷延長線上,距離燃料床末端40 cm處分別安裝1個(gè)總熱流計(jì)和1個(gè)輻射熱流計(jì),測量窗口朝上。 使用NI公司生產(chǎn)的NI9213熱電偶輸入模塊(測量靈敏度為0.02 ℃,電壓測量范圍為±78 mV)以及C-7018數(shù)據(jù)采集模塊(電壓范圍為±15 mV,采樣頻率為10 次/s,精確度為±0.1%)采集熱電偶和熱流計(jì)的信號。在燃料床側(cè)面和前面架設(shè)DV數(shù)字?jǐn)z像機(jī)來記錄火焰的燃燒過程,視頻記錄格式為25 幀/s。

圖1 實(shí)驗(yàn)儀器布置圖

2 分析與討論

2.1 火線輪廓

坡度為0°時(shí)的火蔓延過程如圖2a所示,平坡時(shí)各方向的ROS相同,因此會形成以點(diǎn)火位置為圓心,半徑不斷擴(kuò)大的半圓形火線。坡度條件下,山脊火蔓延過程如圖2b所示,上坡ROS較快,火線呈現(xiàn)V形,火焰附著在燃料床上,自點(diǎn)火位置向其他方向的火蔓延速率較慢,火線呈現(xiàn)半圓形,因此在山脊地形上的火線會形成水滴形,2條火線之間的夾角會先逐漸增大直至穩(wěn)定不變。山谷地形火蔓延過程如圖2c、圖2d所示,山脊側(cè)坡的火線繼續(xù)蔓延至山谷線后,會迅速沿著山谷側(cè)坡的上坡方向以及山谷線蔓延,在山谷的側(cè)坡上形成V形火線。隨著α的增加,側(cè)坡上的火頭會向上坡推移,快速蔓延至燃料床末端。

圖2 山脊和山谷火線輪廓隨時(shí)間的變化

2.2 火蔓延速率

本文利用山脊線和山谷線上的熱電偶陣來確定火焰前鋒到達(dá)某點(diǎn)和離開該點(diǎn)的時(shí)間,將熱電偶的溫度初次達(dá)到燃料著火溫度(350 ℃)對應(yīng)的時(shí)刻作為火焰前鋒到達(dá)這個(gè)熱電偶的時(shí)刻,然后根據(jù)熱電偶的位置坐標(biāo)以及所對應(yīng)的時(shí)刻,對這些數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行一次線性擬合,擬合曲線的斜率為ROS。 不同中心坡度下山脊、山谷火焰前鋒位置與點(diǎn)火時(shí)刻的線性擬合曲線以及擬合曲線的斜率如圖3所示。圖3中,R為ROS值,下同。

圖3 山脊、山谷火焰前鋒位置與點(diǎn)火時(shí)刻的擬合曲線

因?yàn)榫€性回歸的相關(guān)系數(shù)均大于0.9,所以在這段距離內(nèi)火焰前鋒在山脊和山谷線上的蔓延速率是穩(wěn)定的。對比圖3a、圖3b可以看出,山脊火蔓延得比較緩慢、穩(wěn)定,山谷ROS遠(yuǎn)高于山脊的。

ROS隨α和δ的變化如圖4所示。從圖4可以看出,山脊和山谷ROS均會隨著α的增加而增加,隨著δ的增加而減小。山脊ROS隨α和δ的變化較小,山谷ROS的變化較大。文獻(xiàn)[14]的研究表明,火焰在上坡蔓延時(shí),隨著坡度增加,傾斜角減小,火焰向上坡方向的燃料床傾斜,ROS增加。本文中,火焰在山脊和山谷上蔓延時(shí),當(dāng)α不變,δ不斷增加,甚至大于α?xí)r,山脊和山谷火焰由向山脊線和山谷線傾斜轉(zhuǎn)而向側(cè)坡傾斜,火蔓延方向隨之發(fā)生改變,導(dǎo)致山脊和山谷線上的ROS隨著δ的增加而減小。

圖4 ROS隨中心坡度和側(cè)面坡度的變化

2.3 火線夾角

將V形火線之間的夾角定義為火線夾角?；鹧媛又辽焦染€后向山谷側(cè)坡上坡方向蔓延,側(cè)坡上火線與山谷線之間形成的夾角也是V形,為了方便計(jì)算,將這個(gè)夾角作為山谷火焰的火線夾角的1/2。通過對火線演化的研究發(fā)現(xiàn),α和δ是影響火線夾角的重要因素。從實(shí)驗(yàn)視頻的圖像中提取火蔓延達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的火線夾角如圖5所示,山脊和山谷火線夾角隨坡度的變化如圖6所示。從圖5、圖6可以看出,隨著α的增加,山脊與山谷火線夾角明顯減小;隨著δ的增加,山脊火線夾角緩慢減小,而山谷火焰的火線夾角快速增加,這是因?yàn)閭?cè)面坡度低,中心坡度高,山脊側(cè)坡的火線蔓延過山谷線后快速向上坡蔓延,而其他方向上的ROS較低,所以山谷火線夾角會隨著δ的增加而增加。

圖5 不同坡度下的火線夾角

圖6 火線夾角隨坡度的變化

2.4 火焰長度

將火頭位置與火焰底部中心之間的長度定義為火焰長度。文獻(xiàn)[23]關(guān)于火焰長度的研究表明,火焰長度與火焰的強(qiáng)度呈正比關(guān)系,文獻(xiàn)[24]給出火焰強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式,即

IF=QfmfR

(1)

其中:IF為火焰強(qiáng)度;mf為單位面積消耗的燃料質(zhì)量;R為ROS;Qf為燃料的熱值,對于大部分燃料,燃料熱值的差別不大。

由式(1)可知,火焰長度會隨著ROS的增加而增加。本文提取了山脊和山谷火蔓延達(dá)到穩(wěn)定階段的火焰長度,山脊和山谷火線長度隨坡度的變化如圖7所示。

圖7 山脊和山谷火線長度隨坡度的變化

從圖7可以看出,在坡度條件下,山谷火焰較長,其長度明顯高于山脊火焰長度。隨著α和δ的增加,山脊火焰長度緩慢增加,山谷火線長度迅速增加。

平坡時(shí),山脊線和山谷線上的火焰基本保持豎直,ROS較小,火焰長度也小,隨著α的增加,火焰向燃料床傾斜,ROS加快,火焰長度明顯增加,與式(1)得到的結(jié)論一致。δ增加時(shí),火焰向燃料床側(cè)坡的上坡方向傾斜,雖然ROS緩慢減小,但火焰長度仍然增加。

2.5 火焰預(yù)熱機(jī)理

在地表火蔓延的預(yù)熱階段,火焰前鋒對于前方未燃燒的燃料的預(yù)熱作用是影響火焰特性的重要因素,因此研究火蔓延特性主要分析預(yù)熱階段的傳熱機(jī)理。文獻(xiàn)[25]將燃料層看作熱薄型,認(rèn)為在燃料床的厚度方向上沒有溫差,燃料床內(nèi)部的熱傳導(dǎo)作用可以忽略。本文主要考慮來自火焰表面的輻射熱、燃料表面與氣體之間對流傳熱。

利用安裝在燃料床末端40 cm處的總熱流計(jì)和輻射熱流計(jì)來模擬火焰前方未燃燒區(qū)域的燃料表面接收到的總熱流和輻射熱流。實(shí)驗(yàn)測得的熱流曲線存在劇烈的波動,為了減小誤差,數(shù)據(jù)分析時(shí)對熱流曲線進(jìn)行平滑處理。不同坡度下山脊和山谷的熱流隨時(shí)間的變化如圖8、圖9所示。

圖8 不同坡度下山脊火熱流隨時(shí)間的變化

圖9 不同坡度下山谷火熱流曲線隨時(shí)間的變化

對比圖8、圖9中可知,輻射熱流峰值總是高于總熱流峰值,這表明山脊與山谷火蔓延預(yù)熱階段的對流傳熱表現(xiàn)為對流冷卻作用。由圖8可知,隨著α和δ增加,對流冷卻不斷增加,然而輻射傳熱量遠(yuǎn)高于對流傳熱量,因此在山脊火蔓延預(yù)熱階段輻射傳熱占主導(dǎo)作用。由圖9可知:α和δ低于30°時(shí),對流傳熱量很小,輻射傳熱在山谷火蔓延預(yù)熱階段占主導(dǎo);α和δ高于30°時(shí),對流冷卻作用明顯增強(qiáng);在α=40°,δ=30°時(shí),對流傳熱量與輻射熱量相當(dāng);因此當(dāng)α和δ高于30°時(shí),在山谷火蔓延預(yù)熱階段輻射傳熱和對流傳熱共同作用。

山脊火和山谷火的輻射熱流峰值隨中心坡度和側(cè)面坡度的變化如圖10所示。由圖10可知,隨著α和δ的增高,火焰輻射熱流峰值增大,當(dāng)α和δ大于20°,山脊火輻射熱流峰值緩慢增長,山谷火的輻射熱流峰值快速增長,且山谷火焰輻射熱量遠(yuǎn)高于山脊火焰。

圖10 輻射熱量峰值隨中心坡度和側(cè)面坡度的變化

3 結(jié) 論

本文改變中心坡度和側(cè)面坡度,開展了較高坡度下的山脊和山谷火蔓延特性實(shí)驗(yàn)研究,得出如下結(jié)論:

1) 山脊火在坡度條件下會形成水滴形火線,上坡V形火線夾角會逐漸增大直至保持穩(wěn)定,山脊側(cè)坡火線蔓延至山谷線后會快速沿著山谷側(cè)坡上坡和山谷線蔓延,在山谷側(cè)坡上形成V形火線。

2) 中心坡度角α和側(cè)面坡度角δ都對火蔓延行為特性產(chǎn)生影響。隨著α的增加,山脊ROS緩慢增加,山谷ROS快速增加,山脊和山谷的火線夾角快速減小、火線長度明顯增加。隨著δ的增加,山脊和山谷ROS減小,火焰長度增加;山脊火線夾角減小,而山谷火焰前鋒向側(cè)坡快速蔓延,導(dǎo)致火線夾角增加。

3) 輻射傳熱在山脊火蔓延的預(yù)熱階段占主導(dǎo)地位,當(dāng)α和δ低于30°時(shí),輻射傳熱在山谷火蔓延起主要作用;高于30°時(shí),對流傳熱量明顯增加,輻射和對流傳熱共同作用。當(dāng)α和δ高于20°時(shí),山谷火焰對燃料的輻射作用明顯增強(qiáng),遠(yuǎn)高于山脊火。因此山谷ROS、火焰長度和火焰輻射熱量遠(yuǎn)高于山脊火。