上坡地表火蔓延的實(shí)驗(yàn)和理論研究.pdf

1、本文開(kāi)展上坡地表火蔓延的實(shí)驗(yàn)和理論研究，重點(diǎn)研究燃燒過(guò)程中火蔓延速率的變化規(guī)律和燃料的預(yù)熱機(jī)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(shí)驗(yàn)臺(tái)展開(kāi)對(duì)四種火行為的實(shí)驗(yàn)研究，分析不同環(huán)境下的燃燒行為、火焰幾何參數(shù)、流場(chǎng)分布和熱流分布等特性，來(lái)揭示控制火蔓延速率變化的物理機(jī)制。
　　在線火源引燃的上坡火蔓延實(shí)驗(yàn)中，坡度角范圍為0°～35°。當(dāng)坡度角小于等于20°時(shí)，燃燒過(guò)

2、程中火線輪廓維持近似線形;當(dāng)坡度角大于等于25°時(shí)，燃燒過(guò)程中火線輪廓從線形逐漸轉(zhuǎn)變成一個(gè)穩(wěn)定的V形，之后火線夾角不再隨時(shí)間變化。對(duì)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(guò)對(duì)線火源引燃的上坡火開(kāi)展實(shí)驗(yàn)和理論研究，來(lái)分析火線輪廓對(duì)燃料預(yù)熱機(jī)制的影響。對(duì)燃料床中心線上的輻射熱流的數(shù)值計(jì)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(lái)自火焰寬度方向上的中間部分;火焰傾斜角和

3、火焰長(zhǎng)度在整個(gè)范圍內(nèi)都會(huì)影響輻射熱流分布。利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量的火線夾角，與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的火焰傾斜角和火焰長(zhǎng)度，來(lái)計(jì)算上坡火蔓延實(shí)驗(yàn)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(dāng)坡度角從20°上升至25°，火線輪廓從線形轉(zhuǎn)變成V形時(shí)，輻射熱流的最大值降低。計(jì)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(jì)算的輻射熱流分布、測(cè)量的流場(chǎng)分布、能量方程三個(gè)角度，研究不同的火線

4、輪廓對(duì)對(duì)流傳熱機(jī)制的影響，得出一致的結(jié)論:對(duì)于線形火線，火頭前方中心線上的燃料受到對(duì)流冷卻的作用;對(duì)于V形火線，火頭前方中心線上的燃料受到對(duì)流加熱的作用。概括分析上坡火蔓延過(guò)程中燃料的預(yù)熱機(jī)制，對(duì)于線形火線，輻射傳熱起主導(dǎo)作用;對(duì)于V形火線，輻射傳熱和對(duì)流傳熱共同作用。
　　對(duì)于峽谷地形，受到兩個(gè)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(guò)對(duì)峽谷火蔓延開(kāi)展實(shí)驗(yàn)和模型研究，來(lái)揭示峽谷的兩個(gè)坡度角對(duì)火線發(fā)展的影響。在峽谷火

5、中，側(cè)面坡度角為零時(shí)，相當(dāng)于常規(guī)的上坡火蔓延;對(duì)于點(diǎn)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(dāng)側(cè)面坡度角大于零，使用點(diǎn)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(dāng)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(dǎo)致火線形狀的顯著差異;對(duì)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(huì)增強(qiáng)火焰的輻射傳熱，同時(shí)會(huì)促使熱氣體

6、流過(guò)燃料床中心線上，對(duì)燃料產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流加熱作用。受到對(duì)流加熱引起的正反饋效應(yīng)，峽谷中心線上的火蔓延速率和熱釋放速率都會(huì)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(zhǎng)的陡坡、溝壑等特殊地形，以短時(shí)間內(nèi)火蔓延速率和熱釋放速率突變式地增長(zhǎng)為特征的森林火災(zāi)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(shí)驗(yàn)研究都非常匱乏，缺少爆發(fā)火形成機(jī)制的動(dòng)力學(xué)模型或物理模型。本文分析了四川草原火災(zāi)案例中的爆發(fā)火現(xiàn)

7、象。本文從火焰加速的角度來(lái)初步研究爆發(fā)火的形成機(jī)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(duì)流加熱引起的正反饋效應(yīng)，是產(chǎn)生火焰加速的主要原因。
　　當(dāng)兩條火線相交，它們的交點(diǎn)在強(qiáng)烈的輻射與對(duì)流加熱作用下，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(shí)驗(yàn)研究，分析兩種火行為的火線夾角、火蔓延速率、無(wú)量綱輻射熱流分布的變化規(guī)律，對(duì)比分析了兩種火行為的異同點(diǎn)。點(diǎn)火源引燃的上坡火中，一旦形成