可燃物填充比对火蔓延影响的实验研究

2021-11-16刘乃安谢小冬张林鹤

火灾科学 2021年2期

关键词：刨花倾斜角热流

陈松，刘乃安，谢小冬，张林鹤，吴荻，张阳

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

0 引言

森林地表火蔓延主要受可燃物、地形和气象条件影响，其中填充比是描述可燃物堆积特征的重要参数。填充比(β)定义为单位体积燃料床中燃料体积所占的比例，其表达式为：

(1)

其中，Vf为燃料体积，Vb为燃料床体积，mf为燃料质量，ρb为燃料床的体积密度(kg·m-3)，是燃料床载荷m′(kg·m-2)与厚度δ(m)的比值，ρf为燃料密度(kg·m-3)。目前关于可燃物对地表火蔓延影响因素的研究主要为含水率、载荷等参数，缺乏填充比对火蔓延影响的系统性研究。

Butler等[3]研究了坡度和填充比对火蔓延速率的影响。当坡度低于25°时，填充比较高时火蔓延速率更快。当坡度高于25°时，填充比较低时火蔓延速率更快，作者分析是因为低填充比条件下，燃料床内部对流加热增强。当坡度为-16°～10°，填充比对火蔓延速率的影响较弱。由于文中仅改变了3个填充比，变化范围较小，不能充分研究填充比对火蔓延的影响，因此结论有一定的局限性。

Fang等[4]研究了燃料床孔隙率(与填充比之和为1)对火蔓延速率的影响，通过板压燃料床控制燃料床厚度，从而改变燃料床孔隙率在0.85～0.97范围内变化。结果表明火蔓延速率随孔隙率的增加而增大，作者认为随着孔隙率的增加，进入燃烧区的氧气量也随之增多，燃烧更加剧烈，燃烧区对未燃燃料的热辐射也更强；燃烧区的热辐射可以穿透更远的距离，对未燃燃料的预热增强。

以上文献回顾可以看出，可燃物填充比对火蔓延速率有重要影响，而现有文献中关于填充比影响的研究较少，缺乏系统的实验研究。

1 实验设计

本文所有实验均在平坡实验台开展，如图1所示。实验台长100.0 cm，宽80.0 cm。燃料床长80.0 cm，宽50.0 cm。在燃料床中心线布置6根结点直径0.5 mm的镍铬-镍硅露端式K型热电偶，用于测量燃料床表面火焰温度。在距离燃料床尾端1.5 cm处布置两组热流计(Hukseflux Thermal Sensors SBG01-050水冷式热流计)，分别测量燃料床表面及内部的热流密度。在实验台的侧边架设DV(索尼FDR-AX60，分辨率为1 920×1 080，采样频率25帧)，拍摄火前锋图像以获取火焰长度和火焰倾斜角。使用SartoriusMSE36201S-0CE-D0高精度电子天平(精度0.1 g)测量质量损失速率。

①热电偶；②总热流计；③辐射热流计；④数码摄像机；⑤电子天平

使用松木加工的刨花丝作为燃料，刨花丝宽2.0 mm，厚0.15 mm。通过松木块样本测量体积以及烘干后的质量，计算出密度并取各样本的平均值，得到刨花密度为625 kg·m-3。实验采用的燃料载荷为0.4 kg·m-2，改变7种填充比，每种工况至少进行一次重复实验。实验采用线火源引燃，点火前记录环境温度、空气相对湿度，并测量燃料含水率，实验工况如表1所示。

表1 实验工况表

实验前用燃料床定型模具将燃料压至设定的填充比。如图2所示，模具分为两部分：(a)主体部分，长0.8 m，宽0.5 m，高0.5 m，由厚度为1.0 mm的304带孔不锈钢板焊接而成；(b)压板部分：长0.79 m，宽0.49 m，厚1 mm的304带孔不锈钢板。

图2 制作不同填充比燃料床的模具

制作设定填充比燃料床的步骤如下：

(1)测量刨花丝含水率；

(2)根据测得的含水率称量一定质量的刨花丝；

(3)将称量好的刨花丝铺设在模具中并用水淋湿；

(4)用压板将刨花丝挤压至设定的厚度(填充比)并将压板固定；

(5)把模具放进干燥箱内，将干燥箱温度设为80 ℃，烘12 h以上。

2 实验结果与分析

2.1 火焰长度与火焰倾斜角

如图3所示，火焰长度是焰舌到火焰根部中点的长度，火焰倾斜角是火头与火焰根部中心的连线与燃料床表面火蔓延方向的夹角，火焰深度是火焰根部在火蔓延方向上的水平长度[5]。火焰长度LF和火焰倾斜角γ通过架设在燃料床侧面的DV拍摄的火前锋图像获得。连续读取30帧图片，分别选择火焰尖端、火焰根部中点和燃料床表面远处点，测量每张图片中的火焰长度和火焰倾斜角，最后取平均值，得到火焰长度与倾斜角。

图3 火前锋的几何参数

如图4所示，火焰长度LF随填充比的增大逐渐减小，且减小速率逐渐降低。填充比增大则燃料床内部的孔隙率减小，导致燃料颗粒之间的距离减小[6]，燃料床内部的氧气量减小，导致底层燃料无法与上层燃料同时燃烧，燃烧强度减小，火焰长度逐渐减小。另外，Schemel等[7]提出，燃料燃烧时的热释放速率与燃料床内部的空气流动相关，随着填充比增大，燃料床内部空气流动能力减弱，热释放速率减小，导致火焰长度减小。

图4 火焰长度随填充比的变化

平坡无风条件下火焰倾斜角一般在90°左右[8]。实验发现，火焰倾斜角与填充比有关。如图5所示，火焰倾斜角随填充比增加而增大。

图5 火焰倾斜角随填充比的变化

在Steward[9]的研究中，火焰高度是一定量的空气被卷吸的结果，因此可以用火焰长度表征卷吸作用的强弱。由图6可以看出，当填充比较小时，火焰深度较小，因此火前锋后方的空气温度下降较快，火前锋两侧温差较小，两侧空气卷吸基本对称，火焰倾斜角略高于90°；当填充比较大时，燃料床上表面首先燃烧，火焰深度较大，故燃烧区上方的空气温度较高，火前锋前后的温度差较大，两侧空气卷吸不对称导致的压差增大，火焰倾斜角增大。

图6 不同填充比下的火前锋图像(载荷：0.4 kg·m-2)

2.2 火蔓延速率

火蔓延速率(Rate of spread, ROS)通过热电偶数据获得，提取热电偶温度首次达到300 ℃的时间，表征为火前锋到达热电偶的时刻[10]。平坡无风条件下的火蔓延速率整体上稳定[11]，因此对热电偶位置-时间进行线性拟合，得到的斜率即为火蔓延速率。如图7所示，ROS随填充比的增加而减小。

图7 ROS随填充比的变化

DeMestre等[12]定义了热辐射吸收系数α：

(2)

其中，σ是燃料颗粒的表面积体积比。

由式(2)可知，当填充比增大时，来自火焰及燃烧区的热辐射主要被火前锋前方的燃料吸收，燃料床内部的辐射传热降低[12]。此外，随着填充比增加，火焰倾斜角增加，且火焰长度减小，故火焰热辐射降低，分析认为是导致ROS下降的主要原因。

2.3 质量损失速率

质量损失速率是表征火线强度的重要指标[13]，与ROS的变化密切相关[14]。本文实验测量燃料床整体的质量损失，当燃料床为热厚型时无法获得火前锋蔓延过程中的质量损失速率，因此，在分析质量损失速率时，应先判断燃料床是否为热薄型。热薄型与热厚型的区别为火蔓延过程中是否考虑燃料床厚度方向上的传热，表观上，是燃料床厚度方向上燃料是否同时燃烧。火蔓延过程中，热薄型燃料床的燃料消耗率较高，热厚型燃料床的燃料消耗率较低。所以，当燃料消耗率突然降低时，可推断出燃料床从热薄型向热厚型转变。

燃料消耗率η定义为燃料消耗量与初始燃料质量之比：

(3)

其中minitial为燃料床初始质量(kg)，member为燃烧后余烬质量(kg)。

如图8所示，当填充比小于0.06时，燃料消耗率均大于96%；当填充比在0.06～0.08时，燃料消耗率突然降低。因此，可得知在此区间存在一个临界填充比，燃料床由热薄型向热厚型转变。

图8 燃料消耗率随填充比的变化

质量损失速率随填充比的变化如图9所示，当填充比大于0.06时，燃料床为热厚型，无法获得火前锋蔓延过程中的质量损失速率，实验测得的质量损失包含余火燃料的部分。当填充比小于0.06时，随填充比的增加，质量损失速率逐渐减小。随燃料床内部孔隙率减小，内部氧气量降低，导致燃烧强度减弱。

图9 质量损失速率随填充比的变化

2.4 热流密度

关于燃料的预热机制，前人主要聚焦于燃料床表面吸收的火焰热辐射和对流传热[15]，本文同时测量燃料床表面及燃料床内部的热流密度，分析燃料预热机制随填充比的变化规律。如图10所示，燃料床表面及内部的总热流、辐射热流峰值，均随着填充比的增加呈减小的趋势。对比图10(a)和图10(b)可知，在不同填充比条件下，燃料床内部的总热流和辐射热流，均高于燃料床表面的总热流和辐射热流，说明刨花燃料床内部传热起主导作用。