林少潤，王思言，孫培藝，袁?晗，黃鑫炎

聚光陰燃點火的特性：實驗和模擬

林少潤1, 2，王思言1，孫培藝1，袁?晗1，黃鑫炎1, 2

(1. 香港理工大學消防安全工程研究中心，香港 999077；2. 香港理工大學深圳研究院，深圳 518057)

陽光經(jīng)匯聚后形成的光斑可點燃常見的可燃物，是生活中潛在的火災風險，威脅人們的生命和財產(chǎn)安全．本文首先通過小尺度實驗研究了多層薄紙在匯聚陽光下的陰燃點火現(xiàn)象．實驗將直射的太陽光通過一個直徑為150mm、焦距為108mm的玻璃球匯聚后作用在燃料上，并在焦距范圍內(nèi)通過改變薄紙的位置以控制光斑的直徑大小(1.5～20.0mm)．實驗發(fā)現(xiàn)：隨著光斑直徑減小，燃料內(nèi)部熱傳導散熱的影響增強，點火所需的臨界輻射熱通量增大．然后，研究進一步基于開源代碼Gpyro建立了陰燃點火和火蔓延的二維模型，成功再現(xiàn)實驗現(xiàn)象并驗證實驗結果．本文量化了太陽聚光后的火災風險，以期對未來的火災防護工作提供一定的參考意義和科學?指導．

陰燃；臨界熱通量；光斑；加熱面積；火災

俗話說，“萬物生長靠太陽”，太陽光是一切生命的源泉．然而，陽光經(jīng)匯聚后會形成擁有巨大能量的光斑，可點燃生活中常見的可燃物，進而造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡．古希臘的阿基米德曾利用一面巨大的凹面鏡匯聚陽光并用其點燃了羅馬的戰(zhàn)船，在著名的敘拉古戰(zhàn)役中立下大功．這段歷史雖被后代學者證實為夸大之詞，但聚光鏡能通過光學原理聚光并引燃周圍的可燃物卻是不爭事實[1]．然而，人們對于“光與鏡”相遇時的火災風險常常不以為意．反光鏡、玻璃球、圓形魚缸等這類日常生活中不起眼的物品，本身雖不易燃，卻很可能因為不當擺放成為現(xiàn)實版的“阿基米德之鏡”，成為火災的點火源，對人類生命和財產(chǎn)安全造成巨大威脅．從2010年到2015年，英國報道了125起由常見物品聚光點火而引發(fā)的火災事故．如2009年，一個由玻璃球制成的門把手匯聚陽光并點燃了屋內(nèi)的可燃物，最終造成了觸目驚心的火災悲?。?014年，在英國倫敦，一顆被放在窗邊的玻璃球匯聚陽光后點燃了屋內(nèi)的電視機，最終燒毀整棟房屋．不只是建筑火災，太陽聚光也常常是導致野火的罪魁禍首．在2019年，一場森林火災襲擊了我國的廣西省．事后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，火災的起因正是裝水的塑料瓶匯聚的陽光點燃了森林中的可燃物．近日在上海，一對父子進行放大鏡聚光實驗時意外引燃了一塊巨大的生態(tài)園草坪，給園區(qū)造成了巨大損失．

可燃物的點火對火災的發(fā)生和發(fā)展起著至關重要的作用[2]．與其他點火方式不同，太陽的聚光點火主要發(fā)生在較小的加熱區(qū)域，可視為點狀點火源．點狀點火源是現(xiàn)實火災中常見的起火因素，如飛火顆?粒[3]、金屬熱顆粒[4]、高溫熔融液滴[5]、激光[6]和閃?電[7]等．在過去幾十年，大量的文獻研究了飛火顆粒在森林或城林交界域的點火機理[3]，而針對其他點狀點火源引發(fā)火災的機理則較少研究．飛火顆粒點火通常包含傳熱傳質(zhì)過程[8-9]，而太陽聚光點火只包含能量的傳遞，該過程與激光點火相似．因此，激光點火的實驗現(xiàn)象可以為太陽聚光點火提供一定的參考．Kashiwagi[10-11]發(fā)現(xiàn)，在加熱直徑為2～3cm的激光束下，紅橡木和PMMA塑料發(fā)生明火自燃(flaming autoignition)的臨界熱通量分別為90kW/m2和160kW/m2．即使將激光束的加熱直徑增大到3.5cm，其所需的臨界熱通量(80～90kW/m2)仍遠遠高于錐形量熱儀下標準測試(加熱直徑為10cm)所測的值(25～50kW/m2)[12]．

此外，Grishin等[13]發(fā)現(xiàn)了多孔森林可燃物在鎢絲燈產(chǎn)生的光束下發(fā)生明火點火所需的臨界熱通量隨著加熱直徑的增大而減?。?014年，Warren[1]專門對常見聚光物品產(chǎn)生的光斑進行了火災風險的定性研究，他將一個小型球狀玻璃魚缸裝滿水后放在太陽光下，隨后對其建立光學模型算出大致的光斑輻照熱流，并證明了太陽光聚光后點燃印刷紙的可能性．最近，美國桑迪亞國家實驗室[14-15]在一個聚光太陽能塔中使用了數(shù)百個反射鏡，產(chǎn)生了大于2000kW/m2(直徑約為0.5m)的輻射熱流，并在幾秒鐘內(nèi)點燃PMMA板和松樹．然而，目前學術圈對太陽聚光點火尚無系統(tǒng)的研究，其點火的機理仍未得到很好的理解與總結．

本文利用直徑為150mm、焦距為108mm的玻璃球匯聚的太陽光，探索了太陽聚光對多層再生餐巾紙的陰燃點火機理．在玻璃球的焦距內(nèi)，實驗所選取的光斑直徑為1.5～20mm，其輻射強度可高達780kW/m2．實驗對不同光斑大小和輻射強度下的陰燃點火實驗和臨界熱通量進行了定量分析，從而確定太陽聚光點火的臨界條件．最后，本文建立了一個二維計算模型對實驗結果進行驗證．

1?實驗設計

1.1?實驗裝置與燃料

實驗采用未經(jīng)漂白的薄紙巾作為燃料(圖1(a))，因其常見于室內(nèi)，并常作為垃圾被遺棄于野外．實驗開始前，薄紙先在70℃的恒溫烤箱內(nèi)充分干燥48h，然后存儲在電子恒濕恒溫箱內(nèi)，以避免其再次吸收空氣中的水分．薄紙的干密度約為98kg/m3，厚度約為1mm．

本實驗利用直徑為150mm、折射率為1.53的透明玻璃球匯聚陽光，其焦距和后焦距分別為108mm和33mm．太陽光經(jīng)玻璃球匯聚后會在燃料表面形成圓形光斑并持續(xù)加熱燃料(圖1)．為了使實驗裝置與太陽光平行(保證光束垂直作用于燃料表面)，裝置的底座上安裝了一個由兩個鋁塊組成的定位裝置(靠近太陽的鋁板正中間開有一個1mm的小孔)．

1.2?光斑輻射強度的量化

圖1?實驗裝置圖及光學模擬的聚光系數(shù)與測量值的對比

為了驗證模擬的結果，利用常規(guī)的熱流計測量的較大光斑的輻射強度并計算出其聚光系數(shù)．如圖1(b)所示，計算結果與輻射熱流的測量值基本一致，驗證了光學模擬計算結果的準確性．由于存在球面像差，穿過玻璃球的陽光束會形成焦散區(qū)，即視圖外部逐漸變得模糊．因此，當光束超過焦距后，光斑的邊緣將難以辨別．為了保證實驗的精度，實驗中只采用了后焦距內(nèi)邊界清晰的光斑．為了研究光斑大小對陰燃點火臨界條件的影響，本實驗選取了直徑分別為20mm、9.0mm、5.5mm和1.5mm的4種光斑，其距離玻璃球表面的直線距離分別為3mm、13mm、19mm和33mm．

1.3?實驗流程

實驗前，通過軌道調(diào)節(jié)樣品架至所需光斑大小所對應的位置．然后，用一塊隔熱板將光斑隔離，再將樣品插入樣品架內(nèi)．當太陽輻射計的讀數(shù)相對穩(wěn)定后，移開隔熱板使光斑作用在試樣上一段時間．加熱后，將試樣移出并放置在穩(wěn)定無風的環(huán)境內(nèi)觀察5min，以判斷陰燃點火是否成功．在相同光斑下的不同輻射強度測試了超過100組實驗以確定其陰燃點火的臨界條件．然后，通過調(diào)節(jié)樣品架的位置以研究光斑直徑的大小對點火臨界條件的影響．本研究在陽光充足的室外環(huán)境下進行了超過600組實驗．太陽的初始輻射強度在0.2～1.6kW/m2之間．實驗過程中，大氣溫度為(29±2)℃，相對濕度為(82±10)%，大氣壓強約為101kPa．

2?實驗結果

2.1?陰燃點火與燃燒現(xiàn)象

圖2(a)展示了紙張在加熱直徑為1.5mm、輻射熱流為600kW/m2的光斑下的陰燃點火和火蔓延現(xiàn)象．當光斑作用在紙張上時，可觀察到大量的白煙從加熱區(qū)域溢出．隨著加熱的進行，加熱區(qū)域表面的紙張開始炭化并破碎，使下層的紙張直接受到光斑的加熱．在加熱8s后，紙張從樣品架取出，并放置在無風的環(huán)境下觀察5min．如圖2(a)所示，炭化區(qū)域開始向外擴散，并最終將整份紙張燒燼．圖2(b)展示了紙張在加熱直徑為5.5mm、輻射熱流為350kW/m2的光斑下的實驗現(xiàn)象．在加熱的初始階段，可以觀察到跟圖2(a)相同的熱解和炭化趨勢．然而，在持續(xù)加熱8s之后，炭化區(qū)域沒有向外擴散，因此可認為點火失敗．

圖2?紙張在不同光斑下陰燃點火與火蔓延現(xiàn)象

2.2?臨界點火熱通量

如公式(5)所示，點火所需的臨界熱通量隨著光斑直徑的增大而減小，并逐漸趨近于一維模型下所得的最小點火輻射熱通量(12kW/m2)，這與實驗的現(xiàn)象完全相符．

圖3?不同光斑直徑下的陰燃點火臨界熱通量

3?數(shù)值模擬

3.1?二維瞬態(tài)守恒方程和陰燃動力學參數(shù)

為了更好地解釋實驗現(xiàn)象，本文基于開源代碼Gpyro[22-24]建立了二維模型，以預測光斑大小對點火臨界條件的影響，其數(shù)值模型如圖4所示．利用試樣幾何結構的對稱性，模型選取了真實尺寸的一半進行計算，以節(jié)約計算成本和時間．

該模型求解了二維固相和氣相瞬態(tài)守恒方程，并假設了氣相和固相組分之間的熱平衡．此處僅列出模型中的主要守恒方程，其他的細節(jié)可以從手冊中查閱[22–24]．

固相質(zhì)量守恒方程：

固相組分守恒方程：

固相能量守恒方程：

氣相質(zhì)量守恒方程：

氣相組分守恒方程：

氣相動量守恒方程[25]：

圖4?太陽聚光點火的二維計算模型

由于紙張主要由木漿制成，本文采用與木材陰燃相似的4步異相化學反應模型：包括半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的熱解及炭的氧化，見式(12)～式(15)：

表1?薄紙陰燃4步反應動力學參數(shù)

Tab.1?4-step smoldering kinetics of paper

表2?凝聚相物種的熱物理參數(shù)

Tab.2　　Thermophysical properties of condensed-phase species

3.2?模擬結果

為了更好地展示瞬態(tài)特性，圖5于對稱軸左、右兩邊分別展示了圖5(a)點火成功與圖5(b)點火失敗兩個算例的二維溫度和和熱釋放速率分布圖．如圖5(a)所示，在25kW/m2的輻射熱流下，當加熱光斑的直徑為20mm時，在加熱50s后，加熱區(qū)域附近可觀察到一個釋放出強烈熱量的高溫陰燃區(qū)，并隨著時間的推移逐漸向外端蔓延．在500s時，該燃燒區(qū)域蔓延至試樣的末端，并最終將樣品燒盡．相反地，保持輻射熱流的強度不變，當加熱光斑的直徑減小到5mm，在加熱了200s后，加熱區(qū)域溫度升至約400℃并釋放出少量熱量，如圖5(b)所示．然而，隨著時間的推移，加熱區(qū)域的溫度和熱釋放逐漸降低，并最終熄滅．即使將加熱的時間延長至1000s，點火仍不能發(fā)生．這些結果均與實驗觀察到的現(xiàn)象一致．

（a）點火成功(D＝20mm) （b）點火失敗(D＝5mm)

圖6總結了模型預測的不同光斑下陰燃點火臨界輻射熱通量與實驗值的對比．總的來說，預測結果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好，進一步驗證了模型的準確性．同時，該模型還較好地預測了加熱光斑直徑對點火臨界熱通量的影響；即點火臨界熱通量隨光斑直徑的增大而減?。纾敼獍咧睆綇?mm增大到20mm時，點火的臨界輻射熱通量從290kW/m2急降至13kW/m2，所有的這些預測均與實驗測量一致．

圖6　　不同光斑直徑下預測的陰燃點火臨界熱通量與測量值的對比

4?結?論

(1)本文通過小尺度實驗研究了多層薄紙在匯聚的陽光下陰燃點火現(xiàn)象．實驗中，自然的陽光通過一個直徑為150mm、焦距為108mm的玻璃球匯聚后作用在燃料上，并通過改變玻璃球和燃料的距離以研究光斑的大小對陰燃點火臨界熱通量的影響．為了量化聚光后的輻射熱通量，本實驗利用光學軟件Tracepro模擬了不同光斑下的輻射熱通量，并通過實測值驗證模型的可靠性．

(2)實驗發(fā)現(xiàn)，隨著太陽輻射增大或光斑直徑減小，聚光后的輻射熱流均增大．隨著光斑直徑的增大，陰燃點火的臨界熱通量逐漸降低并趨近于在錐形量熱儀下測到的最小值(11kW/m2)．研究通過簡化的傳熱分析揭示了燃料內(nèi)部傳導散熱的影響將隨著光斑的變小而逐漸增強．最后，本文基于開源代碼Gpyro建立二維模型再現(xiàn)實驗現(xiàn)象并驗證實驗結果．本項工作量化了陽光經(jīng)匯聚后潛在的火災風險，并揭示了燃料內(nèi)部傳導散熱對小光斑加熱的影響．未來的工作將利用實驗和模擬進一步探討不同燃料在匯聚的太陽光下的火災風險．

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Smoldering Ignition Characteristics by Concentrated Solar Irradiation：Insight from Experimental and Numerical Study

Lin Shaorun1, 2，Wang Siyan1，Sun Peiyi1，Yuan Han1，Huang Xinyan1, 2

(1. Research Centre for Fire Safety Engineering，The Hong Kong Polytechnic University，Hong Kong 999077，China；2. Shenzhen Research Institute，The Hong Kong Polytechnic University，Shenzhen 518057，China)

The concentrated solar irradiation spot can ignite common fuels，which is a potential fire risk that threatens the safety of people’s life and properties. In this work，small-scale experiments were performed to investigate the smoldering ignition of multi-layer tissue paper using concentrated solar irradiation spots. The sunlight was concentrated through a transparent glass sphere with a diameter of 150mm and a focus length of 108mm. The diameter of solar spot applied here(1.5—20.0mm)was obtained by adjusting the position of the sample within the focus length. It was found that，as the diameter of solar spot decreases，the internal conductive heat loss increases，and the critical radiant heat flux required for ignition increases. Afterwards，a 2-D numerical model was established based on the open-source code Gpyro to reproduce the experimental phenomena and validate the experimental results. This work quantifies the fire risk of concentrated solar spots and provides some guidance for future fire protection strategies.

smoldering；critical heat flux；solar spot；heating area；fire

10.11715/rskxjs.R202305024

TK11

A

1006-8740(2023)04-0390-07

2022-03-07．

國家自然科學基金資助項目(51876183).

林少潤(1994—??)，男，博士，flynn.lin@connect.polyu.hk.

黃鑫炎，男，博士，副教授，xy.huang@polyu.edu.hk.

(責任編輯：隋韶穎)