下坡森林地表火蔓延的实验及模型研究

发布时间：2020-06-10 09:31

【摘要】：坡度是影响森林地表火蔓延的重要因素,前人对坡度的研究大多集中于上坡火蔓延,而下坡火蔓延作为一种典型的森林地表火蔓延形式却受到较少关注,缺乏对其传热机制的深入分析与模型研究。本文主要研究线火源引燃条件下坡度对下坡火蔓延过程的影响,使用松针(Pinus massoniana)作为燃料,在变坡度燃料床上开展了四种坡度(0°,10°,20°,30°)及两种载荷(0.4,0.8 kg/m2)条件的下坡火蔓延实验。重点分析了火蔓延过程中的火蔓延速率、火焰形态(火焰长度、火焰倾角)、火前锋燃料质量损失、火前锋周边流场、燃料床表面及内部的温度分布和火前辐射热流等随坡度的变化趋势。实验结果表明,火前锋燃料质量损失随时间呈现线性增加的趋势,表明本次实验中的燃料床尺寸能够保证火蔓延达到稳定状态。下坡火蔓延速率随坡度的增加呈现先减小后增加的趋势,这与前人文献中描述的规律相一致。火焰倾角随坡度呈现线性增加的趋势,而火焰长度受坡度影响较小。根据火焰前方布置的皮托管得到的气体流速数据显示,火前存在逆向卷吸气流且流速随坡度的增加而增大,此时火前逆向卷吸的冷空气会对燃料产生对流冷却作用。根据在燃料床上表面与燃料床底部布置的两根热电偶温度数据显示,火前锋与燃烧区界面几乎同时到达两根热电偶,表明此时燃烧区界面垂直于燃料床,即在本实验中可以将燃料床近似看作热薄型。在燃料床尾端布置的辐射热流计数据显示,两种载荷条件下坡度为30°时辐射热流计接收到的火焰辐射热流均大于平坡时的辐射热流,但计算得到的火焰面与辐射热流计表面间的视角系数却随坡度的增加而减小。通过分析斯蒂芬-玻尔兹曼定律发现,辐射热流与视角系数随坡度呈现相反的变化规律可能是由于火焰发射率所引起的。视角系数的减小对火焰辐射热流的影响可以由火焰发射率的增加所补充,使得高坡度下热流计测得的火焰辐射热流更大,进而对火蔓延速率产生影响。根据上述对下坡火蔓延传热过程的分析,本文对下坡火蔓延火焰前方未燃燃料微元建立能量平衡关系式,对火蔓延速率进行预测。在模型中综合考虑了火焰辐射、燃烧区辐射,燃料微元的自然对流冷却及辐射热损项。模型的计算结果表明,火焰辐射加热在下坡火蔓延过程中发挥了主导作用,而燃烧区对未燃燃料的辐射加热作用在近火焰区不可以忽略。
【图文】：

实验台,火蔓延,液压,燃料床

逑图２．１变坡度火蔓延实验台逡逑该实验台如图２．１所示，，实验台宽度为３邋ｍ，长度为６邋ｍ，实验时使用液压逡逑装置对其坡度进行调整，坡度变化范围为０°至４５°。实验台左下方具有指示角度逡逑的表盘，实验过程中先利用该表盘对坡度进行初步调整，而后使用坡度数显仪进逡逑行准确控制。实验台表面铺设一层防火板，用以形成平整的表面进行相关火蔓延逡逑实验。由于下坡火蔓延过程相对稳定，无需将燃料铺满整个燃料床。因此，本次逡逑实验中选取该实验台中部靠前１邋ｍ宽，１．５邋ｍ长的区域铺设燃料进行实验。逡逑２．２．２实验测量系统逡逑下坡火蔓延实验中测量系统布置如图２．２所示。燃料床的宽度为１邋ｍ，长逡逑度Ｚ为１．５邋ｍ，在燃料床的中线位置布置９根热电偶来获取火蔓延过程中的温度逡逑数据

示意图,热电偶,称重传感器,单点

逑？Ｑ逡逑图２．２实验测量系统示意图逡逑实验中所使用的热电偶均为Ｋ型裸露式（如图２．３邋（ａ）所示），热电偶外径为逡逑１邋ｍｍ，节点直径为０．１７８邋＿。热电偶使用前会在放置在沸水中进行温度校正，逡逑检查其温度是否接近１００邋°Ｃ，实验中选用温度显示正常、精确度高的热电偶开展逡逑实验。在第７根热电偶位置（图２．２中从左向右数）的下方燃料床底部额外布置逡逑一根热电偶（距离燃料床底部约０．５邋ｃｍ），用来测量松针燃料床的内部温度特征。逡逑＼邋、？逡逑＼邋＾逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图２．３邋（ａ）邋Ｋ型裸露式热电偶，（ｂ）邋ＫＮＸ单点式压力称重传感器逡逑实验开始前用钻头对实验台中布置热电偶的位置进行打孔，将长度适中的陶逡逑瓷管插入该孔并固定，将热电偶由下向上穿入陶瓷管，热电偶节点的高度超过陶逡逑瓷管高度约１邋ｃｍ。由于实验过程中使用了不同的燃料铺设载荷进行实验
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S762

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