龙柏树冠火对其相邻建筑的辐射特性研究

贾敬蕊，朱霁平，张林鹤，王云龙，周建军

（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥，230026）

龙柏树冠火对其相邻建筑的辐射特性研究

贾敬蕊，朱霁平＊，张林鹤，王云龙，周建军

（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥，230026）

我国城市绿化覆盖率快速增长，带来了植被与建筑混合区域的火灾隐患。以常见城市绿化树种龙柏为研究对象，开展了单树树冠火对其相邻建筑的热辐射规律实验研究，测量了不同间距情况下建筑物一层和二层窗户位置的辐射热流密度，并在圆柱火焰模型的基础上，将圆柱火焰分为下层的稳定火焰区和上层的间歇火焰区，提出了分层圆柱火焰模型。结果表明，分层圆柱火焰模型可以准确描述树冠火辐射热流密度最大值随高度和距离的增加而递减的变化趋势。单一圆柱火焰模型理论的结果表明竖直方向上热流密度随高度变化不大，未能准确描述辐射热流密度竖向变化规律；分层圆柱火焰模型计算的辐射热流密度比单一圆柱火焰模型更符合实验结果，能更好地预测安全距离。

树冠火；单一圆柱火焰模型；分层圆柱火焰模型；辐射热流密度

0 引言

随着我国城市化进程的不断加快，城市绿化建设事业迅速发展。至2011年，全国城市建成区绿化覆盖面积已达161.25万公顷，覆盖率和绿地率分别达到38.62%和34.47%［1］。城市绿化的快速发展，带来了植被与建筑混合区域的火灾隐患。如图1所示，由于城市用地紧张，为了在有限的空间提高绿化率，绿化植物往往与建筑非常贴近。前人对林火研究主要集中在林火蔓延［2，3］、林火行为预测［4，5］，而对这种城市绿化与建筑交界域火灾研究较少。因而，研究绿化植物的燃烧特征及其对相邻建筑物的影响有十分重要的意义。

在非直接热传导且空间距离不大的情况下，我们主要关注树冠火对建筑的热辐射的影响。目前，对树木燃烧辐射特性的研究主要集中在森林与城市交界域火灾，较为成熟的树冠火热辐射理论有两种：一是Cohen［6，7］发展了基于矩形火焰面结构的建筑引燃评估模型，并对大量树木燃烧能否引燃一定距离外（10m、20m、30m）的木墙做了实验研究。Cohen模型主要是针对森林城市交界域，考虑植被与建筑之间的距离较远，是基于大尺度实验得出的结论，因此不适用于城市绿化区域。二是美国NIST的David等人［8，9］发展了无风条件下树冠火的直圆柱模型，并进行了单树火蔓延数值模拟，应用于单棵树的燃烧。在此模型基础上，翁韬等人［10，11］提出了单树斜圆柱热辐射几何模型，并发展了多树热辐射的简化模型。上述模型都把火焰面简化为单一的圆柱，并采用火焰面平均温度来计算辐射热流密度，导致理论计算峰值与实验测量值约有20%以上的误差，相差较大。

图1 城市绿化植被与建筑混合区域Fig.1 Mixing zone between green vegetations and construction

本文在单树圆柱火焰模型基础上，将圆柱火焰分为下层的稳定火焰区和上层的间歇火焰区，提出了分层圆柱火焰模型。以常见城市绿化树种龙柏为对象，开展了单树树冠火对相邻建筑的热辐射实验，主要测量了不同间距情况下建筑物一层和二层窗户位置的辐射热流密度。对比结果表明，分层圆柱火焰模型计算的辐射热流密度理论值与实验结果更相符。在此基础上，对不同间距和不同高度位置的辐射热流密度大小进行了分析。

1 单树树冠火热辐射理论

本文仅考虑树冠火热辐射对建筑的影响。对流传热对一定距离处建筑的影响较小，故忽略不计［12］。

热辐射主要部分是火焰辐射。火焰面对建筑微元的辐射热通量密度为：

式中，Tf为树木燃烧的火焰外表面温度；Ta为建筑所处温度；F为角系数，是一个形状因子，它与火焰面本身形状及火焰面与建筑间的位置关系有关。

图2所示为David简化的单一圆柱火焰模型。R为火焰半径，H 为火焰高度，A2指火焰相对微元的可视面积，dA1指墙壁微元面积。垂直微元与火焰基部在同一水平面上，距火焰中心线L。此时可求得，有限面A2对垂直微元dA1的角系数［8］为：

本文将火焰区进行分层，将火焰表面温度进行分层处理。一般地，在可燃物起火，发展，直至稳定、衰减的这段时间内，在可燃物上方形成稳定火焰区、间歇火焰区和烟气羽流区。本文讨论的树冠火火焰比较高，测量的热流高度较低，并且树木燃烧产生少量的白烟，对热流影响较小，故将烟气羽流区忽略不计。因此，将树冠火火焰区分为两层：上层为间歇层，下层为稳定层，如图3所示。火焰总高度为H，稳定层与间歇层高度分别为H1、H2。

图2 单一圆柱火焰模型Fig.2 Single cylindrical flame model

图3 分层圆柱火焰模型Fig.3 Layered cylindrical flame model

由此，微元dA1接收到的总的热流密度Q可以表示为：

2 单树树冠火热辐射实验

实验选取常见城市绿化树种龙柏为研究对象。龙柏四季常青，而且形状浑然天成，非常适宜做观赏树木。龙柏树高通常为2m～3m，一旦着火，很有可能对相邻建筑的一层和二层窗户位置产生较大的影响。因此，实验中热流计主要布置在这两个高度位置。实验在密闭无风的12m×22m×30m的大空间实验厅进行，其空间高度也保证不会影响树木燃烧及羽流分布。实验装置如图4所示。

图4 实验装置示意图Fig.4 The experimental facility

以火焰基部为高度基准线，如图4所示。热电偶支架从0.1m到5.5m平均分布10个高度。在每个高度上，水平距离树干0.2m、0.3m、0.4m、0.5m、0.6m处分布热电偶。热电偶为K型铠装热电偶，护套直径为1mm。参照《住宅建筑设计规范》3.6.1，普通住宅层高不宜高于2.80m［13］。取1.7m、4.4m和3.0m高处，分别对应一层窗口、二层窗口和一二层窗口交界位置。实验中，热流计分别布置在高度基准线上方1.1m、2.4m和3.7m，布置距离采用距树干中心1.0m和1.6m两处，热流计为荷兰Hukseflux公司研制，型号为SBG01，为水冷式热流传感器，采用自来水流动冷却。同时，在热流计附近布置K型铠装热电偶，测量热流计处温度变化。实验将树木固定在电子天平上，电子天平可实时记录树木燃烧的质量损失。热电偶、热流计和电子秤的数据经数据采集器记录数据。数据采集器为美国NI公司研制，采集卡型号SCXI-1600，分辨率为16位，采样率为200kS／s。同时采用两台摄像机和一部数码相机拍摄，记录火焰形状、火焰半径及火焰高度。

实验采用环形点火装置。环形点火器直径为40cm，热释放速率为30kW／m2。点火器点燃5s后撤离。

实验重复3次。每次实验所用树木的实验工况如表1所示。实验时，用温湿度仪记录室温为7.8℃，室内相对湿度为37.3%。

3 实验结果与分析

3.1 质量损失

实验1～实验3测量的质量损失随时间的变化如图5所示，质量损失速率随时间的变化如图6所示。由图可知，龙柏的燃烧速度非常快。实验树燃烧分为以下几个阶段：①发展阶段，②9s左右进入稳定燃烧阶段，③约15s开始衰弱，④25s之后进行残余枝叶的缓慢燃烧直至燃烧结束。

表1 实验树木工况表Table 1 The condition of experimental trees

图5 质量随时间变化曲线图Fig.5 Mass loss time history curves

图6 平均质量损失速率曲线图Fig.6 Average mass loss rate

图7 龙柏燃烧过程Fig.7 Cypress burning process

3.2 火焰高度

图7所示为龙柏实际燃烧过程中的视频截图，从图中可以看出火焰高度约为树冠高度的2倍，火焰直径取为树冠冠径。火焰高度随时间变化规律如图8所示。

图8为火焰高度随时间变化曲线。最大火焰高度H取燃烧到达稳定阶段的平均高度。从实验录像中可以观测到，火焰明显分为两个区，分别为：树冠连续燃烧的稳定火焰区和树冠上方的间歇火焰区。由图8也可以看出，当火焰进入衰减阶段之后，火焰最终将稳定在一个高度继续燃烧直至燃烧结束，取此高度为火焰分界。由此，最大火焰高度H、稳定层火焰高度H1和间歇层火焰高度H2可以分别确定，取值见表2。

表2 火焰高度表Table 2 Table of flame heights

图8 火焰高度随时间变化曲线Fig.8 Flame height time history curves for experiment 1

3.2 火焰面温度

根据热电偶点阵测量结果，实验1最高温度分布如图9所示。水平方向上，距火源越近，温度越高；竖直方向上，随高度增加，温度先上升达到峰值，而后下降。火焰温度最高可达1100℃，并且高温集中在稳定火焰区。由图9可知，距离火焰中心0.3m处热电偶的温度与火焰面温度较为接近。所以，本文采用0.3m处热电偶数据计算火焰面平均温度。根据最大火焰高度及火焰的分层高度，分别计算得出间歇层平均温度、稳定层平均温度和火焰区平均温度，如图10所示。

图9实验1测量的火焰最高温度分布图Fig.9 Max flame temperature profile measured in experiment 1

3.3 辐射热流密度变化规律

3.3.1 辐射热流密度最大值随距离变化规律

图11给出了3次实验平均的最大热流密度测量值与理论值随高度变化趋势。由实验测量值的结果可以看出，在距火焰中心同一距离上，辐射热流密度最大值随测量高度增加而递减；随距离的增加，递减幅度下降。

图10 实验1热电偶温度Fig.10 Thermocouple temperature of experiment 1

图11 最大热流密度随高度变化趋势Fig.11 Measured and predicted max heat flux versus height

从图11单一圆柱火焰模型理论值的结果可以看出，在距火焰中心同一距离上，测量点的热流密度最大值随高度变化不大。这是由于圆柱火焰温度取均一温度，而计算的角系数在距火焰中心同一距离上相差不大。由此可以看出，单一圆柱火焰模型不能体现辐射热流密度竖向的变化规律。

从图11分层圆柱火焰模型理论值的结果可以看出，辐射热流密度最大值随测量高度增加呈下降趋势。分层圆柱模型可以更准确地描述树冠火辐射热流密度最大值随高度的变化趋势。

总体上说，分层圆柱火焰模型理论值相比于单一圆柱模型都更接近实验测量值。但在个别实验点上，结果相反。其原因是，单一圆柱火焰模型计算结果随高度变化不大，其变化曲线可近似为水平直线。而实验测量的辐射热流密度随测量高度的增加而递减，可近似为斜线。两条直线总存在一个交点，在交点附近的理论值与实验值结果相差必然较小。

3.3.2 辐射热流密度最大值随高度变化规律

图12分别给出了不同高度位置处最大热流密度平均值随测量距离变化规律。图中可以看出，辐射热流密度随着测量距离的增加而递减。在不同高度位置，递降的幅度不同。理论值与测量值变化趋势一致。分层圆柱火焰模型理论值更接近实验测量值。

塑钢窗常见于日常生活中，这种窗户的边框是以聚氯乙烯（PVC）树脂为主要原料。根据资料［12］显示，当热流密度为10kW／m2时，建筑常用材料，如聚氯乙烯将被点燃。所以，本文以10kW／m2为临界热流密度，来讨论龙柏树冠火对建筑的影响。

由图12（a）可以看出，高度位于火焰基部上方1.1m时，建筑接收到的热辐射很高，实验结果显示，绿化植物与建筑之间的距离需在1.53m以上，才能保证绿化植物起火时相邻建筑的安全；单一圆柱火焰模型预测的安全距离为1.19m；分层圆柱火焰模型预测的安全距离为1.56m，与实验值较为接近。由图12（b）可以看出，高度位于火焰基部上方2.4m时，建筑接收到的热辐射也较高，实验结果显示，绿化植物与建筑之间的距离需在1.47m以上，才能保证绿化植物起火时相邻建筑的安全；单一圆柱火焰模型预测的安全距离为1.20m；分层圆柱火焰模型预测的安全距离为1.52m，与实验值较为接近。由图12（c）可以看出，高度位于火焰基部上方3.7m时，实验结果显示，建筑接收到的热辐射较低，绿化植物与建筑之间的距离为1m以上时，绿化植物起火时不会引燃相邻建筑；而单一圆柱火焰模型与分层圆柱火焰模型预测的安全距离为1.18m。由此可以看出，分层圆柱火焰模型能够更好的预测安全距离。

图12 最大热流密度随距离变化趋势Fig.12 Measured and predicted max heat flux versus distance

3.3.3 辐射热流密度随时间变化规律

图13为热流密度的理论值与测量值随时间变化的曲线图。理论值与实验测量值随时间变化趋势吻合较好。由图可以看出，总体上来说分层圆柱火焰模型比单一圆柱火焰模型得到的理论值更接近于实验测量值。但在图（e）、（f）中，单一圆柱火焰模型理论值更接近于实验测量值，其原因已在3.3.1中给出了解释。

理论值达到峰值的时间都比测量值滞后，这是因为，理论值的计算采用不同高度上温度的平均值，然而，由于火焰是由树冠底部到顶端燃烧，不同高度上温度达到峰值有先后，因此导致理论值总是会比测量值达到峰值滞后一些。

4 结论

本文根据树冠火火焰形态，将圆柱火焰分为下层的稳定火焰区和上层的间歇火焰区；根据火势发展中火焰高度的变化，给出火焰区分界高度，由此建立了分层圆柱火焰模型。通过实验测量及理论计算，表明：

（1）实验测量结果：竖直方向上，辐射热流密度最大值随测量高度增加而递减，随距离的增加递减幅度下降；水平方向上，辐射热流密度最大值随着测量距离的增加递减。

（2）理论模型计算结果：分层圆柱火焰模型可以准确描述树冠火辐射热流密度最大值随高度和距离的变化趋势：在竖直方向上，辐射热流密度最大值随测量高度增加呈下降趋势。在水平方向上，辐射热流密度最大值随着测量距离的增加递减；在不同高度位置，递降的幅度不同。单一圆柱火焰模型的理论结果为竖直方向上热流密度随高度变化不大，未能准确描述辐射热流密度竖向变化规律。对比结果表明，分层圆柱模型可以更准确地预测树冠火辐射热流密度随高度的变化，并且得到的理论值更接近于实验测量值。

（3）实验以10kW／m2为临界热流密度，来讨论龙柏树冠火对建筑的影响。结果显示，单一圆柱火焰模型预测的安全距离较近；分层圆柱火焰模型预测的安全距离与实验值较为吻合。由此可以看出，分层圆柱火焰模型能够更好的预测安全距离。

图13 热流密度随时间变化规律图Fig.13 Time history of incident radiant heat flux

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A study of radiation characteristics of cypress crown fire on its adjacent structures

JIA Jing-rui，ZHU Ji-ping，ZHANG Lin-he，WANG Yun-long，ZHOU Jian-jun

（State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology，Hefei 230026，China）

Rapid growth of urban green coverage rate in China may cause fire hazards in the mixing zone between vegetation and construction.In this work，cypress was used for the experimental study on the thermal radiation from a single tree crown fire to its adjacent structures.Radiant heat fluxes at the windows on the first and second floors were measured.On the basis of the cylindrical flame model，the layered cylindrical flame model，was established，in which the cylindrical flame is divided into the lower layer of persistent flame and the upper layer of intermittent flame.The results show that，layered cylindrical flame model can precisely describe the decrease tendency of the radiant heat flux maximums with increasing height and distance.The theoretical results of single cylindrical flame model show that the radiant heat flux changes little with height.It cannot describe the variation tendency of radiant heat flux maximums in vertical direction.As compared to the single cylindrical flame model，the radiant heat flux calculated by the layered cylindrical flame model has better agreement with the experimental results.The layered cylindrical flame model can be used to evaluate the safety separation distance for vegetation and construction interface fires.

Crown fire；Single cylindrical flame model；Layered cylindrical flame model；Radiant heat flux

S762.2；X928.7；X932

A

1004-5309（2012）-0123-08

10.3969／j.issn.1004-5309.2012.03.03

2012-05-02；修改日期：2012-06-18

国家自然科学基金面上项目资助（30972380）；国家自然科学基金重大国际（地区）合作研究项目资助（51120165001）；中央高校基本科研业务费专项资金资助（WK2320000010）

贾敬蕊（1985-），女，河北人，现为中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室硕士研究生。主要从事森林火灾方向的研究。

朱霁平，高级工程师.Email：jpzhu＠ustc.edu.cn