外界風(fēng)和坡度條件下地表火蔓延的實驗和模型研究.pdf

1、地表火蔓延是野火最主要的火災(zāi)形式，而外界風(fēng)速、燃料含水率和地形坡度是影響火蔓延的重要因素。前人工作中，對坡度作用的研究仍不夠充分，對坡度影響火蔓延的物理機制的認識尚不深入。本文在燃燒風(fēng)洞中使用草原植被燃料（呼倫貝爾草原）開展不同風(fēng)速(0-5.5 m/s)和含水率(4％-32％)條件下的火蔓延實驗;基于坡度可調(diào)火蔓延燃燒平臺，重點開展松針（樟子松Pinus sylvestris，吉林省吉林市）燃料床上線形上坡(0°-32°)火蔓延實驗。兩

2、種實驗中通過布設(shè)多根K型熱電偶觀測火蔓延速率(Rate of fire spread，簡寫為ROS)）;另外在上坡火蔓延實驗中，使用稱重板、皮托管和熱流計分別測量火蔓延過程中的燃燒特征、火焰周邊流場結(jié)構(gòu)以及火前傳熱特征。
　　從熱電偶測溫曲線中提取燃料著火的特征時刻并利用線形擬合方法計算全局ROS(火前沿在蔓延穩(wěn)定階段或距離內(nèi)的整體上表征速度);在相鄰熱電偶間距內(nèi)使用數(shù)學(xué)平均方法計算局部ROS(火前沿在蔓延過程中不同空間位置處的推

3、進表征速度)。全局ROS在整體表現(xiàn)出穩(wěn)定一致性，而局部ROS表現(xiàn)出圍繞全局ROS上下波動的特征，并且波動的程度隨風(fēng)速和坡度的增加而增大。分析指出室內(nèi)實驗中燃料床的長度是制約開展穩(wěn)定火蔓延實驗的最主要因素。
　　對于草原植被燃料火蔓延實驗，風(fēng)速極大促進ROS，在4.6 m/s以下ROS隨風(fēng)速線形增加;而燃料含水率對于火蔓延產(chǎn)生顯著抑制作用。根據(jù)實驗結(jié)果，從能量分析出發(fā)建立了一個綜合考慮風(fēng)速和含水率影響的半經(jīng)驗半物理模型，模型的計算結(jié)

4、果與實驗測量值吻合。
　　對于上坡火蔓延實驗，ROS隨坡度增加。實驗坡度范圍被劃分為三個區(qū)間。低坡度區(qū):0°-20°，ROS隨坡度緩慢微弱增長;中坡度區(qū):25°-29°，ROS隨坡度明顯增大;高坡度區(qū):30°-32°，ROS急劇增加。坡度的作用被歸納于兩個方面:坡度自身和上坡火誘導(dǎo)產(chǎn)生斜坡風(fēng)。坡度自身造成火焰與燃料床的夾角減小，增強了火焰的輻射傳熱能力，從而導(dǎo)致ROS增加。斜坡風(fēng)造成火焰進一步向前傾斜并促進燃燒，造成類似外界風(fēng)的效

5、果。其中前者在低坡度區(qū)發(fā)揮主要作用，而后者隨著坡度的增大逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。
　　斜坡風(fēng)由火焰前后溫度場的不對稱和空氣卷吸能力的差異引起，皮托管測量結(jié)果驗證火焰后方斜坡風(fēng)的存在。上坡線形火蔓延實驗中，與火蔓延同向的斜坡風(fēng)不能穿透火焰面，火焰前方只存在微弱的逆向（與火蔓延方向相反）卷吸氣流。隨著坡度的增大，斜坡風(fēng)增加更加迅速;解釋了低坡度下火焰面豎直而更大坡度下火焰額外傾斜的現(xiàn)象。
　　上坡火蔓延中不同位置的燃料失重速率存在散布

6、性，與局部ROS的波動特征相對應(yīng)。燃燒速率隨坡度的增大而增加，與ROS具有類似的變化趨勢。有效燃燒消耗率隨坡度的增加而減小，分析認為在模型研究中低坡度下燃料床符合“熱薄型”通用假定;而在更大坡度下燃料床表現(xiàn)出“熱厚型”特征。
　　輻射和總熱兩種熱流計的測量表明，在線形火蔓延的預(yù)熱階段，輻射熱占據(jù)主導(dǎo)地位，而對流冷卻同樣發(fā)揮了重要的作用，在量級上與輻射熱損相當(dāng)。在低坡度下對流表現(xiàn)為自然對流冷卻的形式，它在火前的長距離范圍內(nèi)產(chǎn)生影響;