陳 松，劉乃安，謝小冬，張林鶴，吳 荻，張 陽(yáng)

(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

森林地表火蔓延主要受可燃物、地形和氣象條件影響，其中填充比是描述可燃物堆積特征的重要參數(shù)。填充比(β)定義為單位體積燃料床中燃料體積所占的比例，其表達(dá)式為：

(1)

其中，Vf為燃料體積，Vb為燃料床體積，mf為燃料質(zhì)量，ρb為燃料床的體積密度(kg·m-3)，是燃料床載荷m′(kg·m-2)與厚度δ(m)的比值，ρf為燃料密度(kg·m-3)。目前關(guān)于可燃物對(duì)地表火蔓延影響因素的研究主要為含水率、載荷等參數(shù)，缺乏填充比對(duì)火蔓延影響的系統(tǒng)性研究。

Butler等[3]研究了坡度和填充比對(duì)火蔓延速率的影響。當(dāng)坡度低于25°時(shí)，填充比較高時(shí)火蔓延速率更快。當(dāng)坡度高于25°時(shí)，填充比較低時(shí)火蔓延速率更快，作者分析是因?yàn)榈吞畛浔葪l件下，燃料床內(nèi)部對(duì)流加熱增強(qiáng)。當(dāng)坡度為-16°～10°，填充比對(duì)火蔓延速率的影響較弱。由于文中僅改變了3個(gè)填充比，變化范圍較小，不能充分研究填充比對(duì)火蔓延的影響，因此結(jié)論有一定的局限性。

Fang等[4]研究了燃料床孔隙率(與填充比之和為1)對(duì)火蔓延速率的影響，通過(guò)板壓燃料床控制燃料床厚度，從而改變?nèi)剂洗部紫堵试?.85～0.97范圍內(nèi)變化。結(jié)果表明火蔓延速率隨孔隙率的增加而增大，作者認(rèn)為隨著孔隙率的增加，進(jìn)入燃燒區(qū)的氧氣量也隨之增多，燃燒更加劇烈，燃燒區(qū)對(duì)未燃燃料的熱輻射也更強(qiáng)；燃燒區(qū)的熱輻射可以穿透更遠(yuǎn)的距離，對(duì)未燃燃料的預(yù)熱增強(qiáng)。

以上文獻(xiàn)回顧可以看出，可燃物填充比對(duì)火蔓延速率有重要影響，而現(xiàn)有文獻(xiàn)中關(guān)于填充比影響的研究較少，缺乏系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文所有實(shí)驗(yàn)均在平坡實(shí)驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)長(zhǎng)100.0 cm，寬80.0 cm。燃料床長(zhǎng)80.0 cm，寬50.0 cm。在燃料床中心線布置6根結(jié)點(diǎn)直徑0.5 mm的鎳鉻-鎳硅露端式K型熱電偶，用于測(cè)量燃料床表面火焰溫度。在距離燃料床尾端1.5 cm處布置兩組熱流計(jì)(Hukseflux Thermal Sensors SBG01-050水冷式熱流計(jì))，分別測(cè)量燃料床表面及內(nèi)部的熱流密度。在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的側(cè)邊架設(shè)DV(索尼FDR-AX60，分辨率為1 920×1 080，采樣頻率25幀)，拍攝火前鋒圖像以獲取火焰長(zhǎng)度和火焰傾斜角。使用SartoriusMSE36201S-0CE-D0高精度電子天平(精度0.1 g)測(cè)量質(zhì)量損失速率。

①熱電偶；②總熱流計(jì)；③輻射熱流計(jì)；④數(shù)碼攝像機(jī)；⑤電子天平

使用松木加工的刨花絲作為燃料，刨花絲寬2.0 mm，厚0.15 mm。通過(guò)松木塊樣本測(cè)量體積以及烘干后的質(zhì)量，計(jì)算出密度并取各樣本的平均值，得到刨花密度為625 kg·m-3。實(shí)驗(yàn)采用的燃料載荷為0.4 kg·m-2，改變7種填充比，每種工況至少進(jìn)行一次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用線火源引燃，點(diǎn)火前記錄環(huán)境溫度、空氣相對(duì)濕度，并測(cè)量燃料含水率，實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況表

實(shí)驗(yàn)前用燃料床定型模具將燃料壓至設(shè)定的填充比。如圖2所示，模具分為兩部分：(a)主體部分，長(zhǎng)0.8 m，寬0.5 m，高0.5 m，由厚度為1.0 mm的304帶孔不銹鋼板焊接而成；(b)壓板部分：長(zhǎng)0.79 m，寬0.49 m，厚1 mm的304帶孔不銹鋼板。

圖2 制作不同填充比燃料床的模具

制作設(shè)定填充比燃料床的步驟如下：

(1)測(cè)量刨花絲含水率；

(2)根據(jù)測(cè)得的含水率稱(chēng)量一定質(zhì)量的刨花絲；

(3)將稱(chēng)量好的刨花絲鋪設(shè)在模具中并用水淋濕；

(4)用壓板將刨花絲擠壓至設(shè)定的厚度(填充比)并將壓板固定；

(5)把模具放進(jìn)干燥箱內(nèi)，將干燥箱溫度設(shè)為80 ℃，烘12 h以上。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 火焰長(zhǎng)度與火焰傾斜角

如圖3所示，火焰長(zhǎng)度是焰舌到火焰根部中點(diǎn)的長(zhǎng)度，火焰傾斜角是火頭與火焰根部中心的連線與燃料床表面火蔓延方向的夾角，火焰深度是火焰根部在火蔓延方向上的水平長(zhǎng)度[5]?；鹧骈L(zhǎng)度LF和火焰傾斜角γ通過(guò)架設(shè)在燃料床側(cè)面的DV拍攝的火前鋒圖像獲得。連續(xù)讀取30幀圖片，分別選擇火焰尖端、火焰根部中點(diǎn)和燃料床表面遠(yuǎn)處點(diǎn)，測(cè)量每張圖片中的火焰長(zhǎng)度和火焰傾斜角，最后取平均值，得到火焰長(zhǎng)度與傾斜角。

圖3 火前鋒的幾何參數(shù)

如圖4所示，火焰長(zhǎng)度LF隨填充比的增大逐漸減小，且減小速率逐漸降低。填充比增大則燃料床內(nèi)部的孔隙率減小，導(dǎo)致燃料顆粒之間的距離減小[6]，燃料床內(nèi)部的氧氣量減小，導(dǎo)致底層燃料無(wú)法與上層燃料同時(shí)燃燒，燃燒強(qiáng)度減小，火焰長(zhǎng)度逐漸減小。另外，Schemel等[7]提出，燃料燃燒時(shí)的熱釋放速率與燃料床內(nèi)部的空氣流動(dòng)相關(guān)，隨著填充比增大，燃料床內(nèi)部空氣流動(dòng)能力減弱，熱釋放速率減小，導(dǎo)致火焰長(zhǎng)度減小。

圖4 火焰長(zhǎng)度隨填充比的變化

平坡無(wú)風(fēng)條件下火焰傾斜角一般在90°左右[8]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，火焰傾斜角與填充比有關(guān)。如圖5所示，火焰傾斜角隨填充比增加而增大。

圖5 火焰傾斜角隨填充比的變化

在Steward[9]的研究中，火焰高度是一定量的空氣被卷吸的結(jié)果，因此可以用火焰長(zhǎng)度表征卷吸作用的強(qiáng)弱。由圖6可以看出，當(dāng)填充比較小時(shí)，火焰深度較小，因此火前鋒后方的空氣溫度下降較快，火前鋒兩側(cè)溫差較小，兩側(cè)空氣卷吸基本對(duì)稱(chēng)，火焰傾斜角略高于90°；當(dāng)填充比較大時(shí)，燃料床上表面首先燃燒，火焰深度較大，故燃燒區(qū)上方的空氣溫度較高，火前鋒前后的溫度差較大，兩側(cè)空氣卷吸不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)致的壓差增大，火焰傾斜角增大。

圖6 不同填充比下的火前鋒圖像(載荷：0.4 kg·m-2)

2.2 火蔓延速率

火蔓延速率(Rate of spread, ROS)通過(guò)熱電偶數(shù)據(jù)獲得，提取熱電偶溫度首次達(dá)到300 ℃的時(shí)間，表征為火前鋒到達(dá)熱電偶的時(shí)刻[10]。平坡無(wú)風(fēng)條件下的火蔓延速率整體上穩(wěn)定[11]，因此對(duì)熱電偶位置-時(shí)間進(jìn)行線性擬合，得到的斜率即為火蔓延速率。如圖7所示，ROS隨填充比的增加而減小。

圖7 ROS隨填充比的變化

DeMestre等[12]定義了熱輻射吸收系數(shù)α：

(2)

其中，σ是燃料顆粒的表面積體積比。

由式(2)可知，當(dāng)填充比增大時(shí)，來(lái)自火焰及燃燒區(qū)的熱輻射主要被火前鋒前方的燃料吸收，燃料床內(nèi)部的輻射傳熱降低[12]。此外，隨著填充比增加，火焰傾斜角增加，且火焰長(zhǎng)度減小，故火焰熱輻射降低，分析認(rèn)為是導(dǎo)致ROS下降的主要原因。

2.3 質(zhì)量損失速率

質(zhì)量損失速率是表征火線強(qiáng)度的重要指標(biāo)[13]，與ROS的變化密切相關(guān)[14]。本文實(shí)驗(yàn)測(cè)量燃料床整體的質(zhì)量損失，當(dāng)燃料床為熱厚型時(shí)無(wú)法獲得火前鋒蔓延過(guò)程中的質(zhì)量損失速率，因此，在分析質(zhì)量損失速率時(shí)，應(yīng)先判斷燃料床是否為熱薄型。熱薄型與熱厚型的區(qū)別為火蔓延過(guò)程中是否考慮燃料床厚度方向上的傳熱，表觀上，是燃料床厚度方向上燃料是否同時(shí)燃燒。火蔓延過(guò)程中，熱薄型燃料床的燃料消耗率較高，熱厚型燃料床的燃料消耗率較低。所以，當(dāng)燃料消耗率突然降低時(shí)，可推斷出燃料床從熱薄型向熱厚型轉(zhuǎn)變。

燃料消耗率η定義為燃料消耗量與初始燃料質(zhì)量之比：

(3)

其中minitial為燃料床初始質(zhì)量(kg)，member為燃燒后余燼質(zhì)量(kg)。

如圖8所示，當(dāng)填充比小于0.06時(shí)，燃料消耗率均大于96%；當(dāng)填充比在0.06～0.08時(shí)，燃料消耗率突然降低。因此，可得知在此區(qū)間存在一個(gè)臨界填充比，燃料床由熱薄型向熱厚型轉(zhuǎn)變。

圖8 燃料消耗率隨填充比的變化

質(zhì)量損失速率隨填充比的變化如圖9所示，當(dāng)填充比大于0.06時(shí)，燃料床為熱厚型，無(wú)法獲得火前鋒蔓延過(guò)程中的質(zhì)量損失速率，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的質(zhì)量損失包含余火燃料的部分。當(dāng)填充比小于0.06時(shí)，隨填充比的增加，質(zhì)量損失速率逐漸減小。隨燃料床內(nèi)部孔隙率減小，內(nèi)部氧氣量降低，導(dǎo)致燃燒強(qiáng)度減弱。

圖9 質(zhì)量損失速率隨填充比的變化

2.4 熱流密度

關(guān)于燃料的預(yù)熱機(jī)制，前人主要聚焦于燃料床表面吸收的火焰熱輻射和對(duì)流傳熱[15]，本文同時(shí)測(cè)量燃料床表面及燃料床內(nèi)部的熱流密度，分析燃料預(yù)熱機(jī)制隨填充比的變化規(guī)律。如圖10所示，燃料床表面及內(nèi)部的總熱流、輻射熱流峰值，均隨著填充比的增加呈減小的趨勢(shì)。對(duì)比圖10(a)和圖10(b)可知，在不同填充比條件下，燃料床內(nèi)部的總熱流和輻射熱流，均高于燃料床表面的總熱流和輻射熱流，說(shuō)明刨花燃料床內(nèi)部傳熱起主導(dǎo)作用。

圖10 熱流密度峰值隨填充比的變化

3 結(jié)論

本文研究了刨花的填充比對(duì)火蔓延的影響，分析了火焰長(zhǎng)度、火焰傾斜角、火蔓延速率、質(zhì)量損失速率及熱流密度隨填充比的變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)隨填充比增大，火焰長(zhǎng)度逐漸減小，火焰傾斜角逐漸增加；測(cè)量的燃料床表面及內(nèi)部的總熱流、輻射熱流均呈降低的趨勢(shì)，導(dǎo)致火蔓延速率減小。

(2)隨填充比增大，火前鋒前后的溫度差變化及空氣卷吸的不對(duì)稱(chēng)，導(dǎo)致火前鋒兩側(cè)的壓差增大，火前鋒逐漸向燃燒區(qū)傾斜，這與常規(guī)的平坡及上坡火蔓延的火前鋒有顯著差別。

(3)填充比在0.06～0.08之間存在一個(gè)臨界值，使得燃料床由熱薄型向熱厚型轉(zhuǎn)變；當(dāng)填充比小于0.06時(shí)，隨填充比的增加，質(zhì)量損失速率逐漸減小。