呂云歡,劉乃安,謝小冬,張林鶴,吳 荻,張 陽,黃 磊
(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥,230026)
森林爆發(fā)火是一種典型的極端森林火行為,以短時間內(nèi)火蔓延速率陡增為特征。過去幾年來,國內(nèi)外森林爆發(fā)火事故頻繁發(fā)生,對森林消防隊(duì)員的生命安全造成巨大的威脅,頻繁發(fā)生的爆發(fā)火事故還可能對森林的生態(tài)環(huán)境造成極大的破壞。
國內(nèi)外學(xué)者對爆發(fā)火進(jìn)行了初步的研究。Viegas等[1-7]在實(shí)驗(yàn)室和野外環(huán)境下均開展了火蔓延模擬實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,爆發(fā)火主要發(fā)生在陡峭的山坡和峽谷中地形上。Dold和Zinoviev[8]提出了一種用于預(yù)測爆發(fā)火的數(shù)學(xué)模型,認(rèn)為火焰加速是由浮力羽流附著在燃料表面所致。Xie等[9]在不同坡度、不同高寬比的條件下開展了溝壑地形(Trench fire)的火蔓延實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在一定坡度及高寬比條件下會發(fā)生火焰附壁,同時引發(fā)爆發(fā)火。關(guān)于火焰傾斜附壁導(dǎo)致火焰加速的科學(xué)研究最早來源于1987年的國王十字重大火災(zāi),這次事故共造成31人死亡。對火焰附壁現(xiàn)象的研究既包括實(shí)驗(yàn)研究[10-15]也包括理論研究[16-18]。
本文重點(diǎn)研究火焰附壁發(fā)生的條件及控制機(jī)制,傳統(tǒng)的火蔓延實(shí)驗(yàn)中火前鋒向前移動,精確的火焰附壁特性參數(shù)在移動過程中很難被準(zhǔn)確測量。此外,由于火蔓延過程中燃燒、傳熱和流動相互耦合,對研究火焰附壁特性帶來了較大的困難,因此本文選擇通過氣體燃燒器模擬火前鋒,采用控制恒定氣體流量的方式確保穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)。另外,相較于常規(guī)火蔓延實(shí)驗(yàn),氣體燃燒器火焰更穩(wěn)定,實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性強(qiáng),利于對火焰附壁開展精確且系統(tǒng)的研究。本文開展不同坡度和不同高寬比條件的模擬實(shí)驗(yàn),分析火焰附壁特性參數(shù)隨坡度角和高寬比的變化規(guī)律。
變坡度氣體火實(shí)驗(yàn)臺的示意圖如圖1所示,實(shí)驗(yàn)臺由支撐框架、實(shí)驗(yàn)臺面、手動升降機(jī)構(gòu)、擋板和燃燒器等五部分組成。實(shí)驗(yàn)臺面板采用耐高溫的防火板,利用升降桿調(diào)節(jié)防火板與水平面的夾角以改變坡度,坡度變化范圍為0°~45°。側(cè)向擋板高度可調(diào),進(jìn)而改變高寬比。本文開展不同坡度角及高寬比條件下火焰附著狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究。
實(shí)驗(yàn)測量儀器的布設(shè)如圖2所示。在實(shí)驗(yàn)臺中心線打孔,將熱電偶(結(jié)點(diǎn)直徑0.4 mm ~0.5 mm)固定于距實(shí)驗(yàn)臺表面1 cm位置,在燃燒器后方1 cm處開始布置測點(diǎn),燃燒器前方30 cm內(nèi)熱電偶間距為1 cm;30 cm~50 cm內(nèi),熱電偶間距為2 cm。皮托管(Dwyer 160S-18)位于距實(shí)驗(yàn)臺表面2.5 cm處,以測量沿實(shí)驗(yàn)臺面方向的流場。
圖2 測量儀器布置示意圖
火焰幾何參數(shù)的示意圖如圖3所示,火焰長度為燃燒器中點(diǎn)到焰舌的距離,火焰傾角為火焰長度方向與實(shí)驗(yàn)臺表面之間的夾角,火焰夾角為火焰長度方向與豎直方向之間的夾角,火前鋒距離實(shí)驗(yàn)臺面1 cm假設(shè)為火焰附著位置,燃燒器中點(diǎn)與此位置的距離為火焰附著長度。在實(shí)驗(yàn)臺側(cè)面布置DV以拍攝火焰,選擇40 s~60 s的穩(wěn)態(tài)燃燒視頻轉(zhuǎn)換成連續(xù)的單幀圖片,以獲得RGB彩色像素圖。將RGB色彩圖轉(zhuǎn)換成灰度圖,利用MATLAB程序計算圖像的灰度值。通過比較單個像素點(diǎn)的灰度值與最佳灰度閾值得到火焰二值圖,再通過比例尺和像素距離獲得平均的火焰傾角、火焰長度及火焰附著長度。
圖3 火焰幾何形態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖
實(shí)驗(yàn)燃料為丙烷,氣體熱釋放速率為23.2 kW,流量為16 L/min。高寬比A: 0、0.2、0.6、1.0,坡度分別為:0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°,每個工況開展1次重復(fù)實(shí)驗(yàn),共80組實(shí)驗(yàn)。
附著后的火焰對火前未燃燃料的傳熱會發(fā)生較大的變化,火焰傾角、火焰長度、火焰高度和火焰附著長度是影響火前傳熱的重要因素。圖4是火焰傾角隨坡度和高寬比的變化。不同高寬比條件下,火焰傾角均隨坡度增大而逐漸減小,但火焰傾角減小速率隨著高寬比的變化而變化。當(dāng)A=0時,火焰傾角隨坡度幾乎呈現(xiàn)線性減小的趨勢;當(dāng)A>0.2時,火焰傾角受高寬比影響很小。當(dāng)坡度小于10°時,擋板的存在對火焰傾角無顯著影響;當(dāng)坡度大于15°時,擋板存在時火焰傾角減小。當(dāng)高寬比大于0.2且坡度大于25°時,火焰傾角接近于0°,火焰幾乎完全附著。
圖4 火焰傾角隨坡度和高寬比的變化
圖5是火焰長度隨坡度和高寬比的變化,火焰長度隨坡度呈增長趨勢,受高寬比影響較小。圖6是火焰附著長度隨坡度和高寬比的變化。坡度小于等于15°時,側(cè)向擋板的存在對火焰附著長度并不能產(chǎn)生明顯的影響;坡度大于15°時,側(cè)向擋板的存在會導(dǎo)致火焰附著長度快速增大。
圖5 火焰長度隨坡度和高寬比的變化
圖6 火焰附著長度隨坡度和高寬比的變化
附著后的火焰緊貼坡面燃燒,火焰周圍的熱氣體攜帶熱量對前方未燃燃料進(jìn)行對流加熱,極大地提高了對流傳熱效率。附著長度隨時間的瞬態(tài)變化會影響火前對流加熱的作用范圍,因此本文對火焰附壁過程中火焰附著長度隨時間的變化進(jìn)行了深入分析。本文采用圖像處理法獲取穩(wěn)定燃燒時火焰附著長度隨時間的脈動規(guī)律,統(tǒng)計得到每一個火焰附著長度值的數(shù)量,除以視頻的總幀數(shù),得到火焰在各位置處附著的概率。為比較不同高寬比及不同坡度條件下火焰脈動特性的變化規(guī)律,對火焰在不同位置發(fā)生附著的概率和火焰附著位置進(jìn)行高斯擬合,得到火焰附著位置的概率密度曲線;然后對火焰附著位置進(jìn)行無量綱化,也就是將各火焰附著位置除以平均火焰附著長度,進(jìn)而得到無量綱火焰附著位置的概率密度曲線,曲線的兩翼即代表著火焰脈動偏離平均位置的劇烈程度。
圖7是不同高寬比條件下無量綱火焰附著位置的概率分布隨坡度的變化。隨坡度升高,火焰偏離平均位置的程度越來越劇烈,火焰的脈動性隨坡度的增大而增強(qiáng)。當(dāng)高寬比大于0.2且坡度大于25°時,火焰的脈動性隨坡度的變化不再明顯,由于此時火焰已經(jīng)達(dá)到了完全附著的狀態(tài)。
圖7 不同高寬比下無量綱火焰附著位置概率分布隨坡度的變化
比較相同坡度條件不同高寬比對火焰脈動性的影響。當(dāng)坡度小于25°時,火焰脈動性在有擋板的條件下明顯強(qiáng)于無擋板,并且火焰脈動性隨擋板高寬比的增加而逐漸減弱,如圖8(a)所示。當(dāng)坡度大于25°后,無擋板和有擋板條件下的火焰脈動性有明顯差異,但當(dāng)高寬比大于某一數(shù)值后,火焰的脈動特性不再隨高寬比的變化而變化,如圖8(b)所示。當(dāng)存在側(cè)向擋板后,火焰兩側(cè)的卷吸在擋板作用下受限,增強(qiáng)了火焰自身的卷吸不對稱行為,隨著坡度的增加,火焰自身誘導(dǎo)產(chǎn)生的流場會作用于火焰本身,增強(qiáng)火焰本身的脈動行為。因此,有擋板條件下火焰的脈動性明顯強(qiáng)于無擋板條件下的火焰脈動性。
圖8 15°和30°無量綱火焰附著位置概率分布隨高寬比的變化
有擋板條件下,高寬比對火焰脈動性的影響會隨著火焰附著狀態(tài)的變化而改變。當(dāng)坡度小于25°時,火焰處于部分附著的狀態(tài),火前鋒始終存在一段向上的火羽流,擋板的存在將火焰分為了兩個部分,一部分是低于擋板的火焰部分,火焰的側(cè)向卷吸完全被抑制;另一部分是高于擋板的火焰部分,火焰仍然能夠正常卷吸來自各個方向的空氣,這部分保持向上的羽流對火焰的作用與火焰自身誘導(dǎo)產(chǎn)生的流場相競爭,進(jìn)而對火焰的脈動性產(chǎn)生影響。隨著擋板高度的增加,低于擋板的火焰部分在增大,高于擋板部分的火焰逐漸減小,向上的羽流對火焰的作用逐漸減小,其與火焰自身誘導(dǎo)產(chǎn)生的流場間的競爭作用減小,火焰的脈動性逐漸減弱。當(dāng)坡度大于25°后,火焰呈薄片狀結(jié)構(gòu),緊貼坡面燃燒,不再存在向上的羽流,此時,火焰的脈動性僅僅與火焰自身誘導(dǎo)產(chǎn)生的流場相關(guān),火焰的脈動性也不再隨高寬比的變化而改變。
從火焰形態(tài)及火焰傾角和火焰附著長度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看,隨坡度增大,火焰可分為3種狀態(tài):完全不附著、部分附著、完全附著。不同附著狀態(tài)下,火焰對前方未燃燃料的傳熱方式和效率都存在一定的差異性。圖9是火焰傾角和火焰附著長度隨坡度的變化,由圖9可知,二者隨坡度的變化存在3個明顯不同的變化階段,火焰傾角和火焰附著長度在0°~10°之間隨坡度變化速率較慢,10°~25°之間隨坡度變化較快,大于25°后隨坡度的變化較小。
圖9 火焰傾角和火焰附著長度隨坡度的變化
結(jié)合火焰圖像對火焰附壁的3種狀態(tài)進(jìn)行簡單的分析。如圖10所示,坡度為0°~10°,火前鋒稍微向前傾斜,火焰完全不附著;坡度為15°~20°,火焰發(fā)生明顯傾斜和附著,火焰部分附著;坡度大于25°,火焰緊貼表面燃燒,呈薄片狀,火焰完全附著。出現(xiàn)3種狀態(tài)的主要原因是由于火焰自身誘導(dǎo)的流場變化,當(dāng)高寬比大于等于0.2,隨坡度的增加,火焰自身誘導(dǎo)的流場不斷增強(qiáng)(如圖11所示),促使火焰傾斜,直至發(fā)生火焰附壁。當(dāng)火焰發(fā)生完全附著,火焰脈動及燃燒產(chǎn)生的熱氣流對前方燃料進(jìn)行加熱,極大的增強(qiáng)熱量傳遞,提高火蔓延速率,從而引發(fā)爆發(fā)火。
圖10 火焰附著三種狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)圖
圖11 不同坡度和高寬比下氣體流速的變化
隨著坡度升高,火焰自身誘導(dǎo)的流場逐漸增大,火焰脈動也增強(qiáng),焰舌接觸火前未燃燃料的頻率也會相應(yīng)發(fā)生變化,進(jìn)而影響火焰對前方未燃燃料的直接接觸加熱。實(shí)驗(yàn)中,在燃燒器前方的絕熱表面上方1 cm位置布置了一系列熱電偶,以測量溫度變化,并對單根熱電偶的波動頻率進(jìn)行統(tǒng)計及分析。假設(shè)熱電偶溫度高于300 ℃時接觸火焰,統(tǒng)計穩(wěn)態(tài)燃燒時溫度高于300 ℃的波動頻率,取所有熱電偶頻率的平均值作為該工況下火焰的平均波動頻率,分析其隨坡度及高寬比的變化,如圖12所示?;鹧娴钠骄▌宇l率隨著坡度的增加而增大,擋板存在時波動頻率明顯上升。
圖12 平均波動頻率變化和脈動火焰接觸的單根熱電偶溫度變化
本文開展了不同坡度及高寬比條件下的氣體燃燒實(shí)驗(yàn),研究了火焰幾何參數(shù)、火焰附著特性的變化規(guī)律。主要研究結(jié)論如下:
(1) 上坡火蔓延過程中,火焰附壁主要由坡度決定,在一定范圍內(nèi)受高寬比影響較小。
(2) 隨坡度升高,上坡火的火焰附著可分三種狀態(tài):完全不附著、部分附著和完全附著;處于完全附著狀態(tài)的火前氣流和熱流均急劇增大。兩種相鄰狀態(tài)之間轉(zhuǎn)化存在臨界坡度角。
(3) 完全附著后火焰表現(xiàn)出了明顯的脈動,隨坡度的增大而增強(qiáng)。脈動性受高寬比的影響較弱。