彭志紅，陳海翔

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

0 引言

近幾十年來，世界上森林-城鎮(zhèn)交界域火災(zāi)頻發(fā)，造成了慘重的經(jīng)濟(jì)損失以及人員傷亡，在全球范圍內(nèi)引起了廣泛的關(guān)注。研究表明，在交界域中，一旦發(fā)生植被火災(zāi)，往往通過火焰輻射引燃和飛火顆粒點(diǎn)燃的蔓延方式導(dǎo)致住宅區(qū)發(fā)生火災(zāi)[1]。

關(guān)于交界域火災(zāi)中的輻射引燃，研究主要關(guān)注火災(zāi)產(chǎn)生的熱輻射特征以及可燃物的輻射點(diǎn)燃行為進(jìn)行。Cohen[2]、Zárate等[3]假定火焰面為矩形平面，根據(jù)史蒂芬玻爾茲曼定律計(jì)算目標(biāo)物體接收的輻射熱流與距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而估算距離火焰的安全距離。Mindykowski等[4]、McAllister等[5]則研究了不同輻射熱通量作用下森林可燃物引燃著火的燃燒特性。

飛火顆粒點(diǎn)燃燃料床是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。Ganteaume等[6]實(shí)驗(yàn)研究了樟子松木塊點(diǎn)燃8種樹木的凋落物和2種草皮的可能性；Ellis[7]開展實(shí)驗(yàn)研究了有風(fēng)和無風(fēng)條件下不同狀態(tài)(glowing和flaming)顆粒對(duì)燃料床的點(diǎn)燃特性；Viegas[8]等實(shí)驗(yàn)研究了飛火顆粒的種類、燃料床的類型以及含水率對(duì)顆粒點(diǎn)燃時(shí)間和點(diǎn)燃概率的影響；Hadden等[9]、Wang等[10]、Zak等[11]開展高溫金屬顆粒點(diǎn)燃可燃材料的實(shí)驗(yàn)，分析顆粒溫度和尺寸對(duì)點(diǎn)燃過程的影響，揭示了顆粒點(diǎn)燃的機(jī)理。

盡管針對(duì)輻射引燃和飛火顆粒點(diǎn)燃的過程都已經(jīng)開展了大量的研究，但關(guān)于輻射和飛火顆粒耦合作用下點(diǎn)燃森林可燃物的研究極為少見。然而，在實(shí)際交界域火災(zāi)中，二者往往同時(shí)出現(xiàn)。本文開展系列實(shí)驗(yàn)，研究飛火顆粒和熱輻射耦合作用下松針的點(diǎn)燃過程，分析顆粒溫度、尺寸以及輻射熱通量對(duì)松針點(diǎn)燃特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所，主要由加熱錐和高溫定碳爐兩部分組成。

1.管式高溫定碳爐；2.加熱錐；3.燃料床；4.攝像機(jī)；5.數(shù)據(jù)采集儀；6.KSY型電爐溫度控制器；7.PID溫度控制器；8.隔熱層；9.小型升降平臺(tái)；10.S型熱電偶；11.K型熱電偶；12.自制金屬勺圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental setup

(1)高溫定碳爐

高溫定碳爐作為加熱源，對(duì)金屬顆粒進(jìn)行加熱，其額定最高溫度為1 300 ℃。高溫定碳爐與KSY型溫度控制器及鉑銠-鉑熱電偶配套使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)和控制。實(shí)驗(yàn)中，為了減少手動(dòng)操作的誤差，將高溫定碳爐一端墊高，傾斜角為1°，使加熱結(jié)束的金屬顆粒僅依靠重力作用落在燃料床上。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，設(shè)定加熱爐溫度期望值，待爐內(nèi)溫度達(dá)到期望值并穩(wěn)定以后，將金屬顆粒放置于自制金屬勺中放入陶瓷管內(nèi)，加熱足夠時(shí)間后，旋轉(zhuǎn)金屬勺，使得顆粒沿著傾斜的陶瓷管滑下落至燃料床內(nèi)，模擬飛火顆粒點(diǎn)燃森林可燃物的場(chǎng)景。由于設(shè)定的爐溫和實(shí)際的爐溫存在差異，實(shí)驗(yàn)中將一根1 mm直徑K型熱電偶固定在金屬勺上，在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)測(cè)量爐內(nèi)的實(shí)際溫度。當(dāng)金屬顆粒在爐內(nèi)加熱時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，認(rèn)為金屬顆粒溫度與加熱爐內(nèi)實(shí)際溫度保持一致，達(dá)到熱平衡。由于金屬顆粒的Bi數(shù)較小[12]，

(1)

因此認(rèn)為熱顆粒溫度穩(wěn)定后，其內(nèi)部溫度是均勻的。

(2)加熱錐

加熱錐為電阻型加熱源，額定功率5 000 W，可以在錐體正下方10 cm×10 cm范圍內(nèi)提供相對(duì)均勻的輻射熱通量，標(biāo)準(zhǔn)距離(2.5 cm)下提供的輻射熱通量最高可達(dá)100 kW/m2。加熱錐由PID溫度控制器控制，通過調(diào)整爐絲溫度可以改變輸出的輻射熱通量。實(shí)驗(yàn)開始前，需要對(duì)樣品表面位置接收到的輻射熱通量的均勻性進(jìn)行驗(yàn)證。將輻射熱流計(jì)布置在標(biāo)準(zhǔn)距離下的不同水平位置，測(cè)量了爐絲溫度在250 ℃～600 ℃范圍內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)位置的輻射熱通量，結(jié)果如圖2(b)所示。從圖2(b)中可以看出，在同一加熱錐爐絲溫度下，外側(cè)與中心位置的輻射熱通量相比，誤差在5%以內(nèi)，因此認(rèn)為錐形熱源提供的輻射熱通量是均勻的。

圖2 輻射熱通量的均勻性Fig.2 The uniformity of radiative heat flux

實(shí)驗(yàn)過程中，控制燃料床的上表面與加熱錐的下表面的距離保持在2.5 cm，燃料床的中心與加熱錐的中心處于同一豎直直線上。實(shí)驗(yàn)前，使用輻射熱流計(jì)(型號(hào)為64p-5-22，Medtherm公司生產(chǎn))測(cè)量得到加熱錐正下方2.5 cm處輻射熱流與PID溫度控制器儀表盤顯示的溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)該對(duì)應(yīng)關(guān)系不隨時(shí)間變化，具有良好的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)中將根據(jù)溫度控制器溫度推算燃料床表面輻射熱通量。

實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)系列：(1)熱輻射點(diǎn)燃；(2)熱顆粒點(diǎn)燃；(3)熱輻射和熱顆粒耦合點(diǎn)燃，實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。熱輻射和熱顆粒耦合點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)中，熱輻射和熱顆粒同時(shí)作用于松針燃料。

表1 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置Table 1 Arrangement of experimental conditions

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)使用的松針采自四川省西南部的涼山彝族自治州的馬尾松。實(shí)驗(yàn)前，將松針置于烘箱烘干，取出后裝入塑料袋密封保存。實(shí)驗(yàn)前取出松針，實(shí)時(shí)測(cè)量松針含水率在4%～7%之間。然后修剪松針的長(zhǎng)度至6 cm～8 cm，取20 g以自然堆積的方式置于10 cm×10 cm×5 cm的長(zhǎng)方體不銹鋼網(wǎng)籃(網(wǎng)孔1.6 mm，絲徑1 mm)中，控制每次實(shí)驗(yàn)松針燃料床的容積密度為40 kg/m3。

實(shí)驗(yàn)選取高溫的不銹鋼球形顆粒模擬飛火顆粒的點(diǎn)燃過程，選取顆粒直徑分別為8 mm、10 mm和12 mm。實(shí)驗(yàn)均在無風(fēng)條件下進(jìn)行，且不考慮燃料含水率的影響。在松針燃料的正上方和前方分別布置攝像機(jī)用于記錄燃料床的點(diǎn)燃過程。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

根據(jù)觀察到的不同工況下的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，把松針燃料床的點(diǎn)燃情況分為四類：(1)未點(diǎn)燃；(2)陰燃點(diǎn)燃；(3)陰燃向明火轉(zhuǎn)變的點(diǎn)燃；(4)直接明火點(diǎn)燃。本文將明火定義為火焰出現(xiàn)且持續(xù)至少1.0 s的情況[12,13]。

圖3呈現(xiàn)了松針燃料床未被點(diǎn)燃的代表性過程。圖3(a)中，15 kW/m2的輻射熱通量單獨(dú)作用于燃料床時(shí)，燃料床表面釋放出少量可見的煙霧且逐漸炭化變黑，之后不再發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)存在熱顆粒時(shí)，煙霧首先出現(xiàn)在顆粒周圍，并且在顆粒周圍發(fā)生局部無焰燃燒，表現(xiàn)為熱顆粒周圍星星點(diǎn)點(diǎn)的小火星出現(xiàn)，之后火星逐漸消失。不點(diǎn)燃的實(shí)驗(yàn)中，燃料的質(zhì)量消耗低于10%。

圖3 未點(diǎn)燃的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景Fig.3 Experimental scenes of failed ignition

圖4呈現(xiàn)了燃料床陰燃點(diǎn)燃的過程。僅熱輻射作用時(shí)，松針燃料在加熱一段時(shí)間以后表面開始發(fā)生無焰燃燒，并且迅速向周圍蔓延，直至燃料耗盡，整個(gè)過程中未觀察到火焰出現(xiàn)，如圖4(a)所示。僅存在熱顆粒作用時(shí)，顆粒周圍首先發(fā)生無焰燃燒，釋放出大量的煙霧，由于重力作用，顆粒逐漸進(jìn)入燃料床內(nèi)部，在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)陰燃發(fā)生在燃料床內(nèi)部，難以在燃料表面觀察到陰燃蔓延的情況，燃料最終都消耗完全，如圖4(b)所示。當(dāng)二者同時(shí)作用時(shí)，由于顆粒溫度高，陰燃首先發(fā)生在燃料表面顆粒周圍，隨后在外加輻射熱通量和熱顆粒的共同作用下向周圍蔓延直至燃盡，如圖4(c)所示。

圖5呈現(xiàn)了燃料床由陰燃轉(zhuǎn)變?yōu)槊骰瘘c(diǎn)燃的過程。該實(shí)驗(yàn)工況與圖4相比，火焰出現(xiàn)前的現(xiàn)象基本一致，陰燃持續(xù)一段時(shí)間后，出現(xiàn)火焰并蔓延消耗掉整個(gè)燃料床。由于實(shí)驗(yàn)在無風(fēng)條件下進(jìn)行，僅熱顆粒作用時(shí)，極少觀察到陰燃轉(zhuǎn)變?yōu)槊骰鸬膱?chǎng)景。

圖4 陰燃點(diǎn)燃的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景Fig.4 Experimental scenes of smoldering ignition

圖5 陰燃轉(zhuǎn)變?yōu)槊骰瘘c(diǎn)燃的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景Fig.5 Experimental scenes of smoldering-to-flaming ignition

圖6呈現(xiàn)了直徑為8 mm，溫度為1 100 ℃的高溫顆粒直接明火點(diǎn)燃松針燃料床的過程。熱顆粒在與松針燃料床接觸極短時(shí)間內(nèi)即出現(xiàn)穩(wěn)定的火焰，之后觀察到火焰蔓延，最終燃盡整個(gè)燃料床。在本實(shí)驗(yàn)所選擇的工況中，該點(diǎn)燃現(xiàn)象只在顆粒溫度較高的情況下出現(xiàn)，耦合作用實(shí)驗(yàn)中選擇的顆粒溫度較低，并未觀察到直接明火點(diǎn)燃的現(xiàn)象。

圖6 明火點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景Fig.6 Experimental scenes of flaming ignition

2.2 點(diǎn)燃概率

雖然點(diǎn)燃過程涉及較多的中間狀態(tài)，但最終燃料的消耗情況只有兩種，燃料消耗完全或者僅消耗掉極少部分，因此根據(jù)燃料的消耗情況可以將點(diǎn)燃分為點(diǎn)燃(燃料床消耗完全)和不點(diǎn)燃(燃料床質(zhì)量損失低于10%)兩種情況。

定義點(diǎn)燃概率Pig為同一工況下發(fā)生點(diǎn)燃的試驗(yàn)次數(shù)Nig與總試驗(yàn)次數(shù)Ntot的比值:

(2)

式中，PSI，PFI，PSI→FI分別表示陰燃點(diǎn)燃概率、明火點(diǎn)燃概率以及陰燃轉(zhuǎn)變?yōu)槊骰鸬母怕剩?/p>

(3)

(4)

(5)

圖7呈現(xiàn)了僅熱輻射作用時(shí)，松針燃料床點(diǎn)燃概率、陰燃概率與輻射熱通量的關(guān)系，圖7中每個(gè)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)了10～15次的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。松針燃料床在輻射熱通量為17.5 kW/m2時(shí)開始發(fā)生點(diǎn)燃行為，且該條件下發(fā)生的點(diǎn)燃均為陰燃點(diǎn)燃，當(dāng)輻射熱通量增加至20 kW/m2時(shí)，松針燃料床開始出現(xiàn)陰燃轉(zhuǎn)變?yōu)槊骰鸬狞c(diǎn)燃行為，且概率隨著輻射熱通量的增加而增加。定義點(diǎn)燃概率為0.5時(shí)對(duì)應(yīng)的輻射熱通量為臨界輻射熱通量，估算熱輻射引燃松針燃料床所需的臨界輻射熱通量為17.76 kW/m2。

圖7 不同輻射熱通量作用下松針的點(diǎn)燃概率以及陰燃點(diǎn)燃概率Fig.7 Ignition probability and smoldering ignition probability of pine needles by different radiative heat fluxes

圖8呈現(xiàn)了不同溫度和直徑的顆粒點(diǎn)燃松針燃料床的概率，顏色標(biāo)尺的顏色從深到淺表征概率從0到1。圖8中黑線對(duì)應(yīng)該粒徑點(diǎn)燃概率為0.5所需的溫度，定義為臨界顆粒點(diǎn)燃溫度，線上的區(qū)域定義為點(diǎn)燃區(qū)，線下區(qū)域?yàn)槲袋c(diǎn)燃區(qū)。在本文的實(shí)驗(yàn)條件下，松針燃料能否被點(diǎn)燃由顆粒的尺寸和初始溫度共同決定，小尺寸的顆粒需要較高的顆粒溫度才能夠點(diǎn)燃燃料床。本實(shí)驗(yàn)中所選用的三種直徑的顆粒對(duì)應(yīng)的臨界顆粒點(diǎn)燃溫度分別是1 058 ℃，940 ℃，855 ℃。實(shí)驗(yàn)觀察到，熱顆粒作用于松針燃料床時(shí)，點(diǎn)燃行為大多為陰燃點(diǎn)燃或者直接明火點(diǎn)燃，陰燃轉(zhuǎn)化為明火點(diǎn)燃的現(xiàn)象極少出現(xiàn)。

圖8 不同溫度和直徑的熱顆粒作用下松針的點(diǎn)燃概率Fig.8 Ignition probability of pine needles by hot particles with different initial temperatures and diameters

圖9呈現(xiàn)了熱顆粒和熱輻射耦合作用實(shí)驗(yàn)中，輻射熱通量、熱顆粒尺寸和溫度對(duì)點(diǎn)燃概率以及陰燃點(diǎn)燃概率的影響。圖9中從左往右熱顆粒直徑分別為8 mm、10 mm、12 mm，從下往上熱顆粒溫度分別為700 ℃、750 ℃、800 ℃，實(shí)心與空心的不同形狀分別表征了耦合作用和熱輻射單獨(dú)作用時(shí)的點(diǎn)燃概率和陰燃點(diǎn)燃概率。從圖9中可以看出，熱顆粒和熱輻射耦合作用點(diǎn)燃松針時(shí)，不同狀態(tài)顆粒點(diǎn)燃松針燃料床的概率隨著輻射熱通量的增加而增加，而陰燃點(diǎn)燃概率隨輻射熱通量的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，說明隨著輻射熱通量的增加，松針燃料床的點(diǎn)燃行為逐漸從陰燃點(diǎn)燃向陰燃轉(zhuǎn)變?yōu)槊骰鸬狞c(diǎn)燃轉(zhuǎn)變。此外，熱顆粒和熱輻射耦合作用與熱顆?；蛘邿彷椛鋯为?dú)作用相比，都很大程度增大了點(diǎn)燃概率，增加了點(diǎn)燃的風(fēng)險(xiǎn)。耦合作用時(shí)，松針燃料床的臨界點(diǎn)燃溫度和臨界輻射熱通量隨顆粒尺寸增大而降低。

圖9 熱顆粒和熱輻射耦合作用時(shí)松針的點(diǎn)燃概率和陰燃點(diǎn)燃概率Fig.9 Ignition probability and smoldering ignition probability of pine needles under the coupled effect of hot particle and external radiative heat flux

2.3 陰燃向明火轉(zhuǎn)變的點(diǎn)燃時(shí)間

陰燃向明火轉(zhuǎn)變的點(diǎn)燃時(shí)間定義為開始施加熱輻射或顆粒與燃料接觸到出現(xiàn)穩(wěn)定的火焰的時(shí)間間隔。由于無風(fēng)條件下飛火顆粒作用點(diǎn)燃松針燃料床時(shí)極少觀察到陰燃轉(zhuǎn)變?yōu)槊骰瘘c(diǎn)燃的行為，本文僅討論熱輻射單獨(dú)作用以及耦合作用時(shí)陰燃向明火轉(zhuǎn)變的點(diǎn)燃時(shí)間。

圖10 熱顆粒和熱輻射耦合作用下陰燃轉(zhuǎn)變?yōu)槊骰鸬狞c(diǎn)燃時(shí)間Fig.10 Ignition time of smoldering-to-flaming transition under the coupled effect of firebrand and radiation

實(shí)驗(yàn)中觀察到，熱顆粒和熱輻射耦合作用于松針燃料床時(shí)，在同一實(shí)驗(yàn)工況下，可能存在不同的場(chǎng)景，導(dǎo)致陰燃轉(zhuǎn)變?yōu)槊骰鸬狞c(diǎn)燃時(shí)間存在較大的差異。根據(jù)火焰出現(xiàn)的位置，可以將陰燃轉(zhuǎn)化為明火的點(diǎn)燃劃分為3種不同的場(chǎng)景：(1)火焰出現(xiàn)在燃料的側(cè)表面；(2)火焰出現(xiàn)在加熱錐處；(3)火焰出現(xiàn)在燃料上表面顆粒落點(diǎn)位置附近。

圖11(a)和圖11(b)呈現(xiàn)了火焰出現(xiàn)在燃料側(cè)表面的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。圖11(a)和圖11(b)的區(qū)別在于火焰出現(xiàn)時(shí)燃料的消耗情況不同，同一實(shí)驗(yàn)工況下圖11(a)所示的點(diǎn)燃時(shí)間比圖11(b)長(zhǎng)。隨著輻射強(qiáng)度的增加，火焰出現(xiàn)時(shí)刻的燃料消耗情況呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)。圖11(c)呈現(xiàn)了火焰出現(xiàn)在燃料上方加熱錐位置的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，該場(chǎng)景下松針燃料受熱產(chǎn)生的熱解氣體與空氣形成可燃?xì)怏w混合物擴(kuò)散至加熱錐的位置被引燃，加熱錐充當(dāng)了引燃源，該場(chǎng)景下，陰燃轉(zhuǎn)變?yōu)槊骰鸬狞c(diǎn)燃時(shí)間在一定程度上依賴于加熱錐的位置。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，無論是否存在熱顆粒，隨著輻射熱通量的增加，陰燃轉(zhuǎn)變?yōu)槊骰鸬膱?chǎng)景均呈現(xiàn)出由圖11(a)過渡至圖11(c)的趨勢(shì)。當(dāng)存在熱顆粒時(shí)，可能出現(xiàn)圖11(d)所示的場(chǎng)景，火焰出現(xiàn)在熱顆粒落點(diǎn)周圍，熱顆粒充當(dāng)了引燃源。

圖11 陰燃轉(zhuǎn)變?yōu)槊骰瘘c(diǎn)燃的不同場(chǎng)景Fig.11 Different scenes of smoldering-to-flaming transition ignition

3 結(jié)論

本文研究了熱顆粒和熱輻射耦合作用下松針燃料的點(diǎn)燃特性，對(duì)未點(diǎn)燃、陰燃點(diǎn)燃、陰燃轉(zhuǎn)變?yōu)槊骰瘘c(diǎn)燃，直接明火點(diǎn)燃四種不同的點(diǎn)燃現(xiàn)象進(jìn)行了描述，分析了耦合作用實(shí)驗(yàn)的點(diǎn)燃概率以及點(diǎn)燃行為的變化。

(1)與熱輻射點(diǎn)燃或者熱顆粒點(diǎn)燃單獨(dú)作用相比，二者耦合作用時(shí)，松針燃料床的點(diǎn)燃概率增加，點(diǎn)燃所需的臨界溫度和臨界輻射熱通量均降低。點(diǎn)燃概率隨顆粒的尺寸、溫度以及外加輻射熱通量的增加而增加。