热金属颗粒对地表森林可燃物的传热仿真分析

李东晖 胡海清 郭妍

摘 要：为研究导线短路熔化形成的热金属颗粒对地表森林可燃物的传热机理，本文通过有限元仿真技术，基于传热学理论，建立热金属颗粒与地表可燃物间的传热仿真模型，将坠落在地面的热金属颗粒作为热源，考虑热传导、对流和辐射的作用，利用正交试验分析颗粒材质、环境温度、落地温度与熔点的比值、颗粒球心嵌入深度倍数和颗粒半径对可燃物加热过程的影响。结果表明，颗粒材质、落地温度与熔点的比值、颗粒半径是影响引燃的主要原因，且铜质颗粒在坠落后对可燃物的引燃能力更强。此研究为避免热金属颗粒引起森林火灾提供参考。

关键词：热金属颗粒;传热;森林火灾;有限元分析;引燃

中图分类号：S762.1 文献标识码：A 文章编号：1006-8023（2021）06-0047-06

Abstract：In order to study the heat transfer mechanism of hot metal particles formed by wire short-circuit melting to surface forest fuel， in this paper， the finite element analysis technology was used to establish the heat transfer simulation model between hot metal particle and fuel on ground based on the heat transfer theory. Taking hot metal particle as the heat source， considering the effects of heat conduction， convection and radiation， the effects of particle material， ambient temperature， ratio of landing temperature to melting point， multiple of particle center embedding depth and particle radius on the heating process of fuel were analyzed by orthogonal test. The results showed that material， ratio of landing temperature to melting point and radius were the main factors affecting ignition， and copper particles had stronger ignition ability to fuel. This study provides a reference for avoiding forest fire caused by hot metal particle.

Keywords：Hot metal particles; heat transfer; wildfire; finite element analysis; ignite

0 引言

随着自然环境的日益恶劣，木材已成为国际经贸的战略物资[1]。森林火灾是造成木材损失的主要原因，在灾害中释放出的大量温室气体，将进一步加剧极端气候的发生频率[2-3]。伴随着人类社会基础建设的不断进步，由输电导线短路产生的热金属颗粒已成为一类全新的火源形式[4]，并已引发多场森林火灾，造成巨大的损失[5-6]。

在该类事故中，导线金属受短路电弧热量加热，熔化生成金属液滴，受重力作用向地面坠落的过程中冷却变成热金属颗粒。若坠落在地面上的热金属颗粒仍存有足够热量，将引燃地表森林可燃物，引发森林大火。因此，通过对热金属颗粒坠落后对地表可燃物的加热过程进行研究，可以更合理地预防该类森林的火灾发生。目前，学界多通过室内模拟实验对各类热金属颗粒的引燃能力进行研究。Hadden等[7]通过室内模拟实验，热金属颗粒的直径和初始温度共同决定森林可燃物的引燃概率;Urban 等[8-9]根据自制的试验装置，确定在引燃形式相同时，体积较大的热金属颗粒所需要的初始温度更低;王苏盼[10]通过实验发现热金属颗粒在直接引燃可燃物时，既是加热源也充当先导点燃源，而由无焰燃烧向有焰燃烧的转变过程中仅充当加热源;此外，李梦媛等[11]通过实验对热金属颗粒沉入可燃物内部时的传热过程进行研究。现有的研究虽然能够通过实验现象测定热金属颗粒的引燃能力，但无法从森林可燃物受热分解的角度定量地描述各种热金属颗粒的区别。

随着计算机技术的不断发展，有限元仿真技术[12-13]开始被广泛应用于林火研究中，借用仿真技术可以直观地获得热金属颗粒对地表森林可燃物的传热情况。为此本文通过有限元数值分析方法，坠地后热金属颗粒对地表森林可燃物的热量传递过程进行分析，从而获得热金属颗粒材质、直径、落地温度、嵌入深度和周边环境温度对森林可燃物温度变化的影响。

1 研究对象

由于森林内的地表可燃物较为松软，可将坠落后的热金属颗粒视作嵌入到平面內部的球体[14]。热金属颗粒与地表森林可燃物的传热模型如图1所示。图1中：边界①-⑦为模型计算圆柱形区域的轴心;边界①-②-⑤-④-⑦-⑥为大气环境;边界④-⑤-⑨-⑧-⑥-⑦为地表森林可燃物;边界③-⑤为地面;r为热金属颗粒的半径;h为热金属颗粒球心嵌入地面的深度。

2 研究方法

在热金属颗粒与地表的森林可燃物接触后，可燃物受热释放出可燃性气体，当气体到达燃点后发生燃烧[15]。在分析热金属颗粒与地表森林可燃物间的换热过程时，首先需要根据传热模型建立仿真区域的实体模型，根据实际情况将材料属性和接触关系赋予实体模型。再赋予实体模型初始温度和热金属颗粒的初始温度，进行初始热场分析。然后根据初始热场分析的结果，进行瞬态热场分析，获得一定时间内热金属颗粒与可燃物的温度变化。如图2所示。图2中：T0为热金属颗粒的初始温度;T1为可燃物的初始温度（环境温度）;h为金属颗粒球心嵌入地面的深度;r为热金属颗粒的半径;t为热场分析时间;t0为初始分析时刻;step（step）为设定仿真步数;ti为时间步长;te为设定的传热计算时间。热金属颗粒对于地表森林可燃物的直接引燃常于12 s内结束[10]，本研究中te=12 s。在整个计算流程中，可以通过修改T0、T1、h和r对计算进行调整，研究各条件下可燃物的温度分布情况，实现稳定、可靠和实用的计算平台。

3 仿真模型的建立

3.1 传热计算模型

根据传热学相关理论，热金属颗粒与地表森林可燃物间的瞬态传热分布计算方程为[12]：

由于森林地表可燃物的主要成分以纤维素为主，本文将纤维素的传热系数作为地表森林可燃物的等效传热系数。地表森林可燃物的传热系数λe和温度差（T0-T1）间的关系为[16]：

热金属颗粒的辐射发射率受温度变化影响，需要根据金属材质通过“发射率-温度”函数表示[17-18]。由于森林可燃物的形貌及颜色较为多样，为考虑最恶劣情况，将可燃物的表面发射率设置为1[19]。导线多以铜或铝制成，本文以铜颗粒和铝颗粒作为主要研究对象，金属和可燃物的基本物理性能见表1[20-21]。

3.2 有限元仿真模型

根據计算模型，通过仿真软件搭建有限元仿真模型[22]，如图3所示。该模型由空气区域、金属颗粒区域与森林可燃物区域组成，模型的外部边界状态与外部环境相同。为提高计算精度，该仿真模型为四面体二次网格，共含有200万个节点，网格平均质量大于0.9。金属颗粒、空气和森林可燃物依照表1进行物理参数赋值，图3中的T0、T1、h和r的定义与前面的定义相同。

4 仿真分析

4.1 正交实验仿真方案

热金属颗粒在坠地时的最高温度无法超过其自身熔点。在描述嵌入深度时，也需要考虑球体的半径尺寸，才能准确描述球心的嵌入深度。在设计正交实验方案时，需要以颗粒初始温度与环境温度的比值作为热金属颗粒初始温度的特征参数，以球心嵌入地表的深度与颗粒半径的比值作为球心嵌入深度的特征参数。由此，通过将颗粒的半径、球心嵌入地表的深度与颗粒半径的比值、环境温度、颗粒落地温度与其熔点的比值作为变化参数，通过仿真计算获得可燃物的最终温度。为提高计算研究效率，本文通过正交实验法，分别对铜、铝2种材质的热金属颗粒使用L25（56）正交表进行仿真分析，共进行50次计算，见表2。

4.2 颗粒材质对可燃物加热过程的影响

根据表2内的各梯度布置，计算得到的部分地表森林可燃物温度变化云图如图4和图5所示。图4和图5中的T0、T1、r和h为对应的各因素取值，2#、5#、21#和25#为对应正交试验中的计算编号。

通过对图4和图5内的部分仿真结果进行分析，可以获得不同材质热金属颗粒对地表森林可燃物的传热特性。由于铜的熔点大于铝，则铜质热金属颗粒的坠地温度往往大于铝质颗粒。由于材料自身热性能的不同，铜颗粒的温度下降得较快，对可燃物的加热过程较为迅速。而铝颗粒的温度降低较慢，对可燃物的加热过程较为持续。此外，在材质相同时，半径（r）较小的颗粒的降温过程较为迅速，能够在短时间内将自身热量传向可燃物。该结果与Casey D Zak的实验研究相似[10-11]，说明仿真计算的结果与实际过程较为吻合。

4.3 各因素对可燃物加热过程的影响

在完成正交试验计算后，各因素影响下可燃物的温度均值随梯度的变化如图6所示。影响因素方差分析见表3。

结合图6和表3中的方差分析结果可以发现，由于正交实验仿真结果的R2均等于0.99，说明各因素变化可以解释最终温度99%的变化。当P<0.05时，即可认为该参数的变化与最终温度间存在显著性差异关系。因此，在对相同材质的热金属颗粒进行分析时，热颗粒半径（r）与熔点与落地温度的比值是影响可燃物加热过程的主要因素。

综合4.2中的计算结果，由于铜颗粒的落地温度较高，且对可燃物的加热过程较为迅速，更易直接造成可燃物发生有焰燃烧;而铝颗粒的落地温度相对较低，对可燃物的加热过程较为持续，可能会引起无焰燃烧转化为有焰燃烧的森林火灾。当材质相同时，半径（r）较小的颗粒质量较小，其相对表面积更大，只有当其落地温度较高时才会直接点燃地表可燃物。若落地温度不能直接点燃地表可燃物，其散热过程较快，无法以阴燃的形式缓慢点燃可燃物。而体积较大的颗粒即使落地温度不能直接点燃地表可燃物，也能够通过持续加热的方式使可燃物阴燃，更易引起森林火灾。

5 结论

本文基于有限元仿真技术对热金属颗粒对地表森林可燃物的热交换过程进行建模，研究热金属颗粒半径、颗粒嵌入深度倍数、环境温度和熔点与落地温度的比值对地表森林可燃物温度变化的影响，得出以下结论。

（1）热金属颗粒坠地时的温度是影响可燃物温升的主要原因。在其他条件相同时，由于铜的熔点高于铝，在坠地时铜质金属颗粒的温度往往更高，对可燃物的引燃能力更强。

（2）半径较大的金属颗粒能够以较高温度长时间对地表可燃物进行加热，即使无法直接点燃，也可能通过缓慢加热使其发生阴燃。

（3）由于热金属颗粒的温度高于其他常见的火源物，环境温度并不会对引燃过程产生很大的影响。在对该类灾害防控时，不应以季节温度划分警戒等级。

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