上坡地表火蔓延的實驗和理論研究.pdf

1、本文開展上坡地表火蔓延的實驗和理論研究，重點研究燃燒過程中火蔓延速率的變化規(guī)律和燃料的預熱機制。本文首先研究常規(guī)的上坡火，在此基礎(chǔ)上研究另外三種受坡度控制的火行為:峽谷火、爆發(fā)火和跳躍火，在變坡度火蔓延實驗臺展開對四種火行為的實驗研究，分析不同環(huán)境下的燃燒行為、火焰幾何參數(shù)、流場分布和熱流分布等特性，來揭示控制火蔓延速率變化的物理機制。
　　在線火源引燃的上坡火蔓延實驗中，坡度角范圍為0°～35°。當坡度角小于等于20°時，燃燒過

2、程中火線輪廓維持近似線形;當坡度角大于等于25°時，燃燒過程中火線輪廓從線形逐漸轉(zhuǎn)變成一個穩(wěn)定的V形，之后火線夾角不再隨時間變化。對于兩種不同的火線形狀，火蔓延速率在整體上均是穩(wěn)定的。
　　本文通過對線火源引燃的上坡火開展實驗和理論研究，來分析火線輪廓對燃料預熱機制的影響。對燃料床中心線上的輻射熱流的數(shù)值計算表明，控制單一變量的條件下，火線夾角僅在一定的范圍內(nèi)影響輻射熱流分布;輻射熱流主要來自火焰寬度方向上的中間部分;火焰傾斜角和

3、火焰長度在整個范圍內(nèi)都會影響輻射熱流分布。利用實驗測量的火線夾角，與經(jīng)驗公式計算的火焰傾斜角和火焰長度，來計算上坡火蔓延實驗中，火頭前方燃料床中心線上的輻射熱流分布。結(jié)果表明，當坡度角從20°上升至25°，火線輪廓從線形轉(zhuǎn)變成V形時，輻射熱流的最大值降低。計算未燃區(qū)燃料面上的輻射熱流分布，發(fā)現(xiàn)線形火線輻射熱流的最大值在中心線上，而V形火線輻射熱流的最大值在燃料床兩側(cè)。從計算的輻射熱流分布、測量的流場分布、能量方程三個角度，研究不同的火線

4、輪廓對對流傳熱機制的影響，得出一致的結(jié)論:對于線形火線，火頭前方中心線上的燃料受到對流冷卻的作用;對于V形火線，火頭前方中心線上的燃料受到對流加熱的作用。概括分析上坡火蔓延過程中燃料的預熱機制，對于線形火線，輻射傳熱起主導作用;對于V形火線，輻射傳熱和對流傳熱共同作用。
　　對于峽谷地形，受到兩個重要的幾何參數(shù)——中間坡度角和側(cè)面坡度角的控制。本文通過對峽谷火蔓延開展實驗和模型研究，來揭示峽谷的兩個坡度角對火線發(fā)展的影響。在峽谷火

5、中，側(cè)面坡度角為零時，相當于常規(guī)的上坡火蔓延;對于點火源或線火源引燃的上坡火，火頭均沿著最大坡度線方向蔓延。在峽谷火中，當側(cè)面坡度角大于零，使用點火源引燃，火頭蔓延的方向偏離最大坡度線，偏向燃料床的中心線;當中間坡度角上升至一定值（本文中為30°），火頭僅沿著燃料床的中心線蔓延。在峽谷火中，固定側(cè)面坡度角，不同的中間坡度角可導致火線形狀的顯著差異;對于較大的中間坡度角，兩側(cè)燃料床上火焰之間的相互作用會增強火焰的輻射傳熱，同時會促使熱氣體

6、流過燃料床中心線上，對燃料產(chǎn)生強烈的對流加熱作用。受到對流加熱引起的正反饋效應，峽谷中心線上的火蔓延速率和熱釋放速率都會急劇上升，甚至產(chǎn)生爆發(fā)火。
　　爆發(fā)火是通常發(fā)生在峽谷、長的陡坡、溝壑等特殊地形，以短時間內(nèi)火蔓延速率和熱釋放速率突變式地增長為特征的森林火災現(xiàn)象，是一種極端火行為。本文回顧了爆發(fā)火的研究現(xiàn)狀，總結(jié)出爆發(fā)火的理論和實驗研究都非常匱乏，缺少爆發(fā)火形成機制的動力學模型或物理模型。本文分析了四川草原火災案例中的爆發(fā)火現(xiàn)

7、象。本文從火焰加速的角度來初步研究爆發(fā)火的形成機制:在上坡火蔓延中，火焰附壁是形成火焰加速的關(guān)鍵因素;在峽谷火蔓延中，對流加熱引起的正反饋效應，是產(chǎn)生火焰加速的主要原因。
　　當兩條火線相交，它們的交點在強烈的輻射與對流加熱作用下，會產(chǎn)生一個很快的火蔓延速率，形成跳躍火。本文基于上坡火和跳躍火的實驗研究，分析兩種火行為的火線夾角、火蔓延速率、無量綱輻射熱流分布的變化規(guī)律，對比分析了兩種火行為的異同點。點火源引燃的上坡火中，一旦形成