火前鋒附壁的模擬實(shí)驗(yàn)研究

呂云歡，劉乃安，謝小冬，張林鶴，吳 荻，張 陽(yáng)，黃 磊

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

0 引言

森林爆發(fā)火是一種典型的極端森林火行為，以短時(shí)間內(nèi)火蔓延速率陡增為特征。過(guò)去幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外森林爆發(fā)火事故頻繁發(fā)生，對(duì)森林消防隊(duì)員的生命安全造成巨大的威脅，頻繁發(fā)生的爆發(fā)火事故還可能對(duì)森林的生態(tài)環(huán)境造成極大的破壞。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)爆發(fā)火進(jìn)行了初步的研究。Viegas等[1-7]在實(shí)驗(yàn)室和野外環(huán)境下均開(kāi)展了火蔓延模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，爆發(fā)火主要發(fā)生在陡峭的山坡和峽谷中地形上。Dold和Zinoviev[8]提出了一種用于預(yù)測(cè)爆發(fā)火的數(shù)學(xué)模型，認(rèn)為火焰加速是由浮力羽流附著在燃料表面所致。Xie等[9]在不同坡度、不同高寬比的條件下開(kāi)展了溝壑地形(Trench fire)的火蔓延實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在一定坡度及高寬比條件下會(huì)發(fā)生火焰附壁，同時(shí)引發(fā)爆發(fā)火。關(guān)于火焰傾斜附壁導(dǎo)致火焰加速的科學(xué)研究最早來(lái)源于1987年的國(guó)王十字重大火災(zāi)，這次事故共造成31人死亡。對(duì)火焰附壁現(xiàn)象的研究既包括實(shí)驗(yàn)研究[10-15]也包括理論研究[16-18]。

本文重點(diǎn)研究火焰附壁發(fā)生的條件及控制機(jī)制，傳統(tǒng)的火蔓延實(shí)驗(yàn)中火前鋒向前移動(dòng)，精確的火焰附壁特性參數(shù)在移動(dòng)過(guò)程中很難被準(zhǔn)確測(cè)量。此外，由于火蔓延過(guò)程中燃燒、傳熱和流動(dòng)相互耦合，對(duì)研究火焰附壁特性帶來(lái)了較大的困難，因此本文選擇通過(guò)氣體燃燒器模擬火前鋒，采用控制恒定氣體流量的方式確保穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)。另外，相較于常規(guī)火蔓延實(shí)驗(yàn)，氣體燃燒器火焰更穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性強(qiáng)，利于對(duì)火焰附壁開(kāi)展精確且系統(tǒng)的研究。本文開(kāi)展不同坡度和不同高寬比條件的模擬實(shí)驗(yàn)，分析火焰附壁特性參數(shù)隨坡度角和高寬比的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及布置

變坡度氣體火實(shí)驗(yàn)臺(tái)的示意圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)由支撐框架、實(shí)驗(yàn)臺(tái)面、手動(dòng)升降機(jī)構(gòu)、擋板和燃燒器等五部分組成。實(shí)驗(yàn)臺(tái)面板采用耐高溫的防火板，利用升降桿調(diào)節(jié)防火板與水平面的夾角以改變坡度，坡度變化范圍為0°～45°。側(cè)向擋板高度可調(diào)，進(jìn)而改變高寬比。本文開(kāi)展不同坡度角及高寬比條件下火焰附著狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器的布設(shè)如圖2所示。在實(shí)驗(yàn)臺(tái)中心線打孔，將熱電偶(結(jié)點(diǎn)直徑0.4 mm ～0.5 mm)固定于距實(shí)驗(yàn)臺(tái)表面1 cm位置，在燃燒器后方1 cm處開(kāi)始布置測(cè)點(diǎn)，燃燒器前方30 cm內(nèi)熱電偶間距為1 cm；30 cm～50 cm內(nèi)，熱電偶間距為2 cm。皮托管(Dwyer 160S-18)位于距實(shí)驗(yàn)臺(tái)表面2.5 cm處，以測(cè)量沿實(shí)驗(yàn)臺(tái)面方向的流場(chǎng)。

圖2 測(cè)量?jī)x器布置示意圖

火焰幾何參數(shù)的示意圖如圖3所示，火焰長(zhǎng)度為燃燒器中點(diǎn)到焰舌的距離，火焰傾角為火焰長(zhǎng)度方向與實(shí)驗(yàn)臺(tái)表面之間的夾角，火焰夾角為火焰長(zhǎng)度方向與豎直方向之間的夾角，火前鋒距離實(shí)驗(yàn)臺(tái)面1 cm假設(shè)為火焰附著位置，燃燒器中點(diǎn)與此位置的距離為火焰附著長(zhǎng)度。在實(shí)驗(yàn)臺(tái)側(cè)面布置DV以拍攝火焰，選擇40 s～60 s的穩(wěn)態(tài)燃燒視頻轉(zhuǎn)換成連續(xù)的單幀圖片，以獲得RGB彩色像素圖。將RGB色彩圖轉(zhuǎn)換成灰度圖，利用MATLAB程序計(jì)算圖像的灰度值。通過(guò)比較單個(gè)像素點(diǎn)的灰度值與最佳灰度閾值得到火焰二值圖，再通過(guò)比例尺和像素距離獲得平均的火焰傾角、火焰長(zhǎng)度及火焰附著長(zhǎng)度。

圖3 火焰幾何形態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)燃料為丙烷，氣體熱釋放速率為23.2 kW，流量為16 L/min。高寬比A： 0、0.2、0.6、1.0，坡度分別為：0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°，每個(gè)工況開(kāi)展1次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，共80組實(shí)驗(yàn)。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 火焰幾何形態(tài)參數(shù)

附著后的火焰對(duì)火前未燃燃料的傳熱會(huì)發(fā)生較大的變化，火焰傾角、火焰長(zhǎng)度、火焰高度和火焰附著長(zhǎng)度是影響火前傳熱的重要因素。圖4是火焰傾角隨坡度和高寬比的變化。不同高寬比條件下，火焰傾角均隨坡度增大而逐漸減小，但火焰傾角減小速率隨著高寬比的變化而變化。當(dāng)A=0時(shí)，火焰傾角隨坡度幾乎呈現(xiàn)線性減小的趨勢(shì)；當(dāng)A>0.2時(shí)，火焰傾角受高寬比影響很小。當(dāng)坡度小于10°時(shí)，擋板的存在對(duì)火焰傾角無(wú)顯著影響；當(dāng)坡度大于15°時(shí)，擋板存在時(shí)火焰傾角減小。當(dāng)高寬比大于0.2且坡度大于25°時(shí)，火焰傾角接近于0°，火焰幾乎完全附著。

圖4 火焰傾角隨坡度和高寬比的變化

圖5是火焰長(zhǎng)度隨坡度和高寬比的變化，火焰長(zhǎng)度隨坡度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，受高寬比影響較小。圖6是火焰附著長(zhǎng)度隨坡度和高寬比的變化。坡度小于等于15°時(shí)，側(cè)向擋板的存在對(duì)火焰附著長(zhǎng)度并不能產(chǎn)生明顯的影響；坡度大于15°時(shí)，側(cè)向擋板的存在會(huì)導(dǎo)致火焰附著長(zhǎng)度快速增大。

圖5 火焰長(zhǎng)度隨坡度和高寬比的變化

圖6 火焰附著長(zhǎng)度隨坡度和高寬比的變化

2.2 火焰的脈動(dòng)性

附著后的火焰緊貼坡面燃燒，火焰周?chē)臒釟怏w攜帶熱量對(duì)前方未燃燃料進(jìn)行對(duì)流加熱，極大地提高了對(duì)流傳熱效率。附著長(zhǎng)度隨時(shí)間的瞬態(tài)變化會(huì)影響火前對(duì)流加熱的作用范圍，因此本文對(duì)火焰附壁過(guò)程中火焰附著長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化進(jìn)行了深入分析。本文采用圖像處理法獲取穩(wěn)定燃燒時(shí)火焰附著長(zhǎng)度隨時(shí)間的脈動(dòng)規(guī)律，統(tǒng)計(jì)得到每一個(gè)火焰附著長(zhǎng)度值的數(shù)量，除以視頻的總幀數(shù)，得到火焰在各位置處附著的概率。為比較不同高寬比及不同坡度條件下火焰脈動(dòng)特性的變化規(guī)律，對(duì)火焰在不同位置發(fā)生附著的概率和火焰附著位置進(jìn)行高斯擬合，得到火焰附著位置的概率密度曲線；然后對(duì)火焰附著位置進(jìn)行無(wú)量綱化，也就是將各火焰附著位置除以平均火焰附著長(zhǎng)度，進(jìn)而得到無(wú)量綱火焰附著位置的概率密度曲線，曲線的兩翼即代表著火焰脈動(dòng)偏離平均位置的劇烈程度。

圖7是不同高寬比條件下無(wú)量綱火焰附著位置的概率分布隨坡度的變化。隨坡度升高，火焰偏離平均位置的程度越來(lái)越劇烈，火焰的脈動(dòng)性隨坡度的增大而增強(qiáng)。當(dāng)高寬比大于0.2且坡度大于25°時(shí)，火焰的脈動(dòng)性隨坡度的變化不再明顯，由于此時(shí)火焰已經(jīng)達(dá)到了完全附著的狀態(tài)。

圖7 不同高寬比下無(wú)量綱火焰附著位置概率分布隨坡度的變化

比較相同坡度條件不同高寬比對(duì)火焰脈動(dòng)性的影響。當(dāng)坡度小于25°時(shí)，火焰脈動(dòng)性在有擋板的條件下明顯強(qiáng)于無(wú)擋板，并且火焰脈動(dòng)性隨擋板高寬比的增加而逐漸減弱，如圖8(a)所示。當(dāng)坡度大于25°后，無(wú)擋板和有擋板條件下的火焰脈動(dòng)性有明顯差異，但當(dāng)高寬比大于某一數(shù)值后，火焰的脈動(dòng)特性不再隨高寬比的變化而變化，如圖8(b)所示。當(dāng)存在側(cè)向擋板后，火焰兩側(cè)的卷吸在擋板作用下受限，增強(qiáng)了火焰自身的卷吸不對(duì)稱(chēng)行為，隨著坡度的增加，火焰自身誘導(dǎo)產(chǎn)生的流場(chǎng)會(huì)作用于火焰本身，增強(qiáng)火焰本身的脈動(dòng)行為。因此，有擋板條件下火焰的脈動(dòng)性明顯強(qiáng)于無(wú)擋板條件下的火焰脈動(dòng)性。

圖8 15°和30°無(wú)量綱火焰附著位置概率分布隨高寬比的變化

有擋板條件下，高寬比對(duì)火焰脈動(dòng)性的影響會(huì)隨著火焰附著狀態(tài)的變化而改變。當(dāng)坡度小于25°時(shí)，火焰處于部分附著的狀態(tài)，火前鋒始終存在一段向上的火羽流，擋板的存在將火焰分為了兩個(gè)部分，一部分是低于擋板的火焰部分，火焰的側(cè)向卷吸完全被抑制；另一部分是高于擋板的火焰部分，火焰仍然能夠正常卷吸來(lái)自各個(gè)方向的空氣，這部分保持向上的羽流對(duì)火焰的作用與火焰自身誘導(dǎo)產(chǎn)生的流場(chǎng)相競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)而對(duì)火焰的脈動(dòng)性產(chǎn)生影響。隨著擋板高度的增加，低于擋板的火焰部分在增大，高于擋板部分的火焰逐漸減小，向上的羽流對(duì)火焰的作用逐漸減小，其與火焰自身誘導(dǎo)產(chǎn)生的流場(chǎng)間的競(jìng)爭(zhēng)作用減小，火焰的脈動(dòng)性逐漸減弱。當(dāng)坡度大于25°后，火焰呈薄片狀結(jié)構(gòu)，緊貼坡面燃燒，不再存在向上的羽流，此時(shí)，火焰的脈動(dòng)性?xún)H僅與火焰自身誘導(dǎo)產(chǎn)生的流場(chǎng)相關(guān)，火焰的脈動(dòng)性也不再隨高寬比的變化而改變。

2.3 火焰附著的三種狀態(tài)

從火焰形態(tài)及火焰傾角和火焰附著長(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，隨坡度增大，火焰可分為3種狀態(tài)：完全不附著、部分附著、完全附著。不同附著狀態(tài)下，火焰對(duì)前方未燃燃料的傳熱方式和效率都存在一定的差異性。圖9是火焰傾角和火焰附著長(zhǎng)度隨坡度的變化，由圖9可知，二者隨坡度的變化存在3個(gè)明顯不同的變化階段，火焰傾角和火焰附著長(zhǎng)度在0°～10°之間隨坡度變化速率較慢，10°～25°之間隨坡度變化較快，大于25°后隨坡度的變化較小。

圖9 火焰傾角和火焰附著長(zhǎng)度隨坡度的變化

結(jié)合火焰圖像對(duì)火焰附壁的3種狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。如圖10所示，坡度為0°～10°，火前鋒稍微向前傾斜，火焰完全不附著；坡度為15°～20°，火焰發(fā)生明顯傾斜和附著，火焰部分附著；坡度大于25°，火焰緊貼表面燃燒，呈薄片狀，火焰完全附著。出現(xiàn)3種狀態(tài)的主要原因是由于火焰自身誘導(dǎo)的流場(chǎng)變化，當(dāng)高寬比大于等于0.2，隨坡度的增加，火焰自身誘導(dǎo)的流場(chǎng)不斷增強(qiáng)(如圖11所示)，促使火焰傾斜，直至發(fā)生火焰附壁。當(dāng)火焰發(fā)生完全附著，火焰脈動(dòng)及燃燒產(chǎn)生的熱氣流對(duì)前方燃料進(jìn)行加熱，極大的增強(qiáng)熱量傳遞，提高火蔓延速率，從而引發(fā)爆發(fā)火。

圖10 火焰附著三種狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)圖

圖11 不同坡度和高寬比下氣體流速的變化

2.4 火焰平均波動(dòng)頻率

隨著坡度升高，火焰自身誘導(dǎo)的流場(chǎng)逐漸增大，火焰脈動(dòng)也增強(qiáng)，焰舌接觸火前未燃燃料的頻率也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，進(jìn)而影響火焰對(duì)前方未燃燃料的直接接觸加熱。實(shí)驗(yàn)中，在燃燒器前方的絕熱表面上方1 cm位置布置了一系列熱電偶，以測(cè)量溫度變化，并對(duì)單根熱電偶的波動(dòng)頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及分析。假設(shè)熱電偶溫度高于300 ℃時(shí)接觸火焰，統(tǒng)計(jì)穩(wěn)態(tài)燃燒時(shí)溫度高于300 ℃的波動(dòng)頻率，取所有熱電偶頻率的平均值作為該工況下火焰的平均波動(dòng)頻率，分析其隨坡度及高寬比的變化，如圖12所示?；鹧娴钠骄▌?dòng)頻率隨著坡度的增加而增大，擋板存在時(shí)波動(dòng)頻率明顯上升。

圖12 平均波動(dòng)頻率變化和脈動(dòng)火焰接觸的單根熱電偶溫度變化

3 結(jié)論

本文開(kāi)展了不同坡度及高寬比條件下的氣體燃燒實(shí)驗(yàn)，研究了火焰幾何參數(shù)、火焰附著特性的變化規(guī)律。主要研究結(jié)論如下：

(1) 上坡火蔓延過(guò)程中，火焰附壁主要由坡度決定，在一定范圍內(nèi)受高寬比影響較小。

(2) 隨坡度升高，上坡火的火焰附著可分三種狀態(tài)：完全不附著、部分附著和完全附著；處于完全附著狀態(tài)的火前氣流和熱流均急劇增大。兩種相鄰狀態(tài)之間轉(zhuǎn)化存在臨界坡度角。

(3) 完全附著后火焰表現(xiàn)出了明顯的脈動(dòng)，隨坡度的增大而增強(qiáng)。脈動(dòng)性受高寬比的影響較弱。