外界風(fēng)和坡度條件下地表火蔓延的實(shí)驗(yàn)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(duì)坡度作用的研究仍不夠充分，對(duì)坡度影響火蔓延的物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)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(shí)驗(yàn);基于坡度可調(diào)火蔓延燃燒平臺(tái)，重點(diǎn)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(shí)驗(yàn)。兩

2、種實(shí)驗(yàn)中通過布設(shè)多根K型熱電偶觀測(cè)火蔓延速率(Rate of fire spread，簡(jiǎn)寫為ROS)）;另外在上坡火蔓延實(shí)驗(yàn)中，使用稱重板、皮托管和熱流計(jì)分別測(cè)量火蔓延過程中的燃燒特征、火焰周邊流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及火前傳熱特征。
　　從熱電偶測(cè)溫曲線中提取燃料著火的特征時(shí)刻并利用線形擬合方法計(jì)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(jì)算局部ROS(火前沿在蔓延過程中不同空間位置處的推

3、進(jìn)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(dòng)的特征，并且波動(dòng)的程度隨風(fēng)速和坡度的增加而增大。分析指出室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中燃料床的長(zhǎng)度是制約開展穩(wěn)定火蔓延實(shí)驗(yàn)的最主要因素。
　　對(duì)于草原植被燃料火蔓延實(shí)驗(yàn)，風(fēng)速極大促進(jìn)ROS，在4.6 m/s以下ROS隨風(fēng)速線形增加;而燃料含水率對(duì)于火蔓延產(chǎn)生顯著抑制作用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從能量分析出發(fā)建立了一個(gè)綜合考慮風(fēng)速和含水率影響的半經(jīng)驗(yàn)半物理模型，模型的計(jì)算結(jié)

4、果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值吻合。
　　對(duì)于上坡火蔓延實(shí)驗(yàn)，ROS隨坡度增加。實(shí)驗(yàn)坡度范圍被劃分為三個(gè)區(qū)間。低坡度區(qū):0°-20°，ROS隨坡度緩慢微弱增長(zhǎng);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(gè)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(qiáng)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(jìn)一步向前傾斜并促進(jìn)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(chǎng)的不對(duì)稱和空氣卷吸能力的差異引起，皮托管測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證火焰后方斜坡風(fēng)的存在。上坡線形火蔓延實(shí)驗(yàn)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(dòng)特征相對(duì)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(shì)。有效燃燒消耗率隨坡度的增加而減小，分析認(rèn)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(jì)的測(cè)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(duì)流冷卻同樣發(fā)揮了重要的作用，在量級(jí)上與輻射熱損相當(dāng)。在低坡度下對(duì)流表現(xiàn)為自然對(duì)流冷卻的形式，它在火前的長(zhǎng)距離范圍內(nèi)產(chǎn)生影響;