飛火和熱輻射耦合作用點燃松針的實驗研究

彭志紅，陳海翔

(中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，合肥，230026)

0 引言

近幾十年來，世界上森林-城鎮(zhèn)交界域火災頻發(fā)，造成了慘重的經(jīng)濟損失以及人員傷亡，在全球范圍內(nèi)引起了廣泛的關注。研究表明，在交界域中，一旦發(fā)生植被火災，往往通過火焰輻射引燃和飛火顆粒點燃的蔓延方式導致住宅區(qū)發(fā)生火災[1]。

關于交界域火災中的輻射引燃，研究主要關注火災產(chǎn)生的熱輻射特征以及可燃物的輻射點燃行為進行。Cohen[2]、Zárate等[3]假定火焰面為矩形平面，根據(jù)史蒂芬玻爾茲曼定律計算目標物體接收的輻射熱流與距離的對應關系，從而估算距離火焰的安全距離。Mindykowski等[4]、McAllister等[5]則研究了不同輻射熱通量作用下森林可燃物引燃著火的燃燒特性。

飛火顆粒點燃燃料床是一個非常復雜的過程。Ganteaume等[6]實驗研究了樟子松木塊點燃8種樹木的凋落物和2種草皮的可能性；Ellis[7]開展實驗研究了有風和無風條件下不同狀態(tài)(glowing和flaming)顆粒對燃料床的點燃特性；Viegas[8]等實驗研究了飛火顆粒的種類、燃料床的類型以及含水率對顆粒點燃時間和點燃概率的影響；Hadden等[9]、Wang等[10]、Zak等[11]開展高溫金屬顆粒點燃可燃材料的實驗，分析顆粒溫度和尺寸對點燃過程的影響，揭示了顆粒點燃的機理。

盡管針對輻射引燃和飛火顆粒點燃的過程都已經(jīng)開展了大量的研究，但關于輻射和飛火顆粒耦合作用下點燃森林可燃物的研究極為少見。然而，在實際交界域火災中，二者往往同時出現(xiàn)。本文開展系列實驗，研究飛火顆粒和熱輻射耦合作用下松針的點燃過程，分析顆粒溫度、尺寸以及輻射熱通量對松針點燃特性的影響。

1 實驗設計

1.1 實驗臺

實驗裝置如圖1所，主要由加熱錐和高溫定碳爐兩部分組成。

1.管式高溫定碳爐；2.加熱錐；3.燃料床；4.攝像機；5.數(shù)據(jù)采集儀；6.KSY型電爐溫度控制器；7.PID溫度控制器；8.隔熱層；9.小型升降平臺；10.S型熱電偶；11.K型熱電偶；12.自制金屬勺圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experimental setup

(1)高溫定碳爐

高溫定碳爐作為加熱源，對金屬顆粒進行加熱，其額定最高溫度為1 300 ℃。高溫定碳爐與KSY型溫度控制器及鉑銠-鉑熱電偶配套使用，實現(xiàn)對爐內(nèi)溫度的調節(jié)和控制。實驗中，為了減少手動操作的誤差，將高溫定碳爐一端墊高，傾斜角為1°，使加熱結束的金屬顆粒僅依靠重力作用落在燃料床上。實驗開始時，設定加熱爐溫度期望值，待爐內(nèi)溫度達到期望值并穩(wěn)定以后，將金屬顆粒放置于自制金屬勺中放入陶瓷管內(nèi)，加熱足夠時間后，旋轉金屬勺，使得顆粒沿著傾斜的陶瓷管滑下落至燃料床內(nèi)，模擬飛火顆粒點燃森林可燃物的場景。由于設定的爐溫和實際的爐溫存在差異，實驗中將一根1 mm直徑K型熱電偶固定在金屬勺上，在實驗過程中實時測量爐內(nèi)的實際溫度。當金屬顆粒在爐內(nèi)加熱時間足夠長時，認為金屬顆粒溫度與加熱爐內(nèi)實際溫度保持一致，達到熱平衡。由于金屬顆粒的Bi數(shù)較小[12]，

(1)

因此認為熱顆粒溫度穩(wěn)定后，其內(nèi)部溫度是均勻的。

(2)加熱錐

加熱錐為電阻型加熱源，額定功率5 000 W，可以在錐體正下方10 cm×10 cm范圍內(nèi)提供相對均勻的輻射熱通量，標準距離(2.5 cm)下提供的輻射熱通量最高可達100 kW/m2。加熱錐由PID溫度控制器控制，通過調整爐絲溫度可以改變輸出的輻射熱通量。實驗開始前，需要對樣品表面位置接收到的輻射熱通量的均勻性進行驗證。將輻射熱流計布置在標準距離下的不同水平位置，測量了爐絲溫度在250 ℃～600 ℃范圍內(nèi)不同測點位置的輻射熱通量，結果如圖2(b)所示。從圖2(b)中可以看出，在同一加熱錐爐絲溫度下，外側與中心位置的輻射熱通量相比，誤差在5%以內(nèi)，因此認為錐形熱源提供的輻射熱通量是均勻的。

圖2 輻射熱通量的均勻性Fig.2 The uniformity of radiative heat flux

實驗過程中，控制燃料床的上表面與加熱錐的下表面的距離保持在2.5 cm，燃料床的中心與加熱錐的中心處于同一豎直直線上。實驗前，使用輻射熱流計(型號為64p-5-22，Medtherm公司生產(chǎn))測量得到加熱錐正下方2.5 cm處輻射熱流與PID溫度控制器儀表盤顯示的溫度的對應關系。多次測量發(fā)現(xiàn)該對應關系不隨時間變化，具有良好的穩(wěn)定性。實驗中將根據(jù)溫度控制器溫度推算燃料床表面輻射熱通量。

實驗分為三個系列：(1)熱輻射點燃；(2)熱顆粒點燃；(3)熱輻射和熱顆粒耦合點燃，實驗工況如表1所示。熱輻射和熱顆粒耦合點燃實驗中，熱輻射和熱顆粒同時作用于松針燃料。

表1 實驗工況設置Table 1 Arrangement of experimental conditions

1.2 實驗材料

實驗使用的松針采自四川省西南部的涼山彝族自治州的馬尾松。實驗前，將松針置于烘箱烘干，取出后裝入塑料袋密封保存。實驗前取出松針，實時測量松針含水率在4%～7%之間。然后修剪松針的長度至6 cm～8 cm，取20 g以自然堆積的方式置于10 cm×10 cm×5 cm的長方體不銹鋼網(wǎng)籃(網(wǎng)孔1.6 mm，絲徑1 mm)中，控制每次實驗松針燃料床的容積密度為40 kg/m3。

實驗選取高溫的不銹鋼球形顆粒模擬飛火顆粒的點燃過程，選取顆粒直徑分別為8 mm、10 mm和12 mm。實驗均在無風條件下進行，且不考慮燃料含水率的影響。在松針燃料的正上方和前方分別布置攝像機用于記錄燃料床的點燃過程。

2 實驗結果與討論

2.1 實驗現(xiàn)象

根據(jù)觀察到的不同工況下的實驗現(xiàn)象，把松針燃料床的點燃情況分為四類：(1)未點燃；(2)陰燃點燃；(3)陰燃向明火轉變的點燃；(4)直接明火點燃。本文將明火定義為火焰出現(xiàn)且持續(xù)至少1.0 s的情況[12,13]。

圖3呈現(xiàn)了松針燃料床未被點燃的代表性過程。圖3(a)中，15 kW/m2的輻射熱通量單獨作用于燃料床時，燃料床表面釋放出少量可見的煙霧且逐漸炭化變黑，之后不再發(fā)生反應。當存在熱顆粒時，煙霧首先出現(xiàn)在顆粒周圍，并且在顆粒周圍發(fā)生局部無焰燃燒，表現(xiàn)為熱顆粒周圍星星點點的小火星出現(xiàn)，之后火星逐漸消失。不點燃的實驗中，燃料的質量消耗低于10%。

圖3 未點燃的實驗場景Fig.3 Experimental scenes of failed ignition

圖4呈現(xiàn)了燃料床陰燃點燃的過程。僅熱輻射作用時，松針燃料在加熱一段時間以后表面開始發(fā)生無焰燃燒，并且迅速向周圍蔓延，直至燃料耗盡，整個過程中未觀察到火焰出現(xiàn)，如圖4(a)所示。僅存在熱顆粒作用時，顆粒周圍首先發(fā)生無焰燃燒，釋放出大量的煙霧，由于重力作用，顆粒逐漸進入燃料床內(nèi)部，在較長時間內(nèi)陰燃發(fā)生在燃料床內(nèi)部，難以在燃料表面觀察到陰燃蔓延的情況，燃料最終都消耗完全，如圖4(b)所示。當二者同時作用時，由于顆粒溫度高，陰燃首先發(fā)生在燃料表面顆粒周圍，隨后在外加輻射熱通量和熱顆粒的共同作用下向周圍蔓延直至燃盡，如圖4(c)所示。

圖5呈現(xiàn)了燃料床由陰燃轉變?yōu)槊骰瘘c燃的過程。該實驗工況與圖4相比，火焰出現(xiàn)前的現(xiàn)象基本一致，陰燃持續(xù)一段時間后，出現(xiàn)火焰并蔓延消耗掉整個燃料床。由于實驗在無風條件下進行，僅熱顆粒作用時，極少觀察到陰燃轉變?yōu)槊骰鸬膱鼍啊?/p>

圖4 陰燃點燃的實驗場景Fig.4 Experimental scenes of smoldering ignition

圖5 陰燃轉變?yōu)槊骰瘘c燃的實驗場景Fig.5 Experimental scenes of smoldering-to-flaming ignition

圖6呈現(xiàn)了直徑為8 mm，溫度為1 100 ℃的高溫顆粒直接明火點燃松針燃料床的過程。熱顆粒在與松針燃料床接觸極短時間內(nèi)即出現(xiàn)穩(wěn)定的火焰，之后觀察到火焰蔓延，最終燃盡整個燃料床。在本實驗所選擇的工況中，該點燃現(xiàn)象只在顆粒溫度較高的情況下出現(xiàn)，耦合作用實驗中選擇的顆粒溫度較低，并未觀察到直接明火點燃的現(xiàn)象。

圖6 明火點燃實驗場景Fig.6 Experimental scenes of flaming ignition

2.2 點燃概率

雖然點燃過程涉及較多的中間狀態(tài)，但最終燃料的消耗情況只有兩種，燃料消耗完全或者僅消耗掉極少部分，因此根據(jù)燃料的消耗情況可以將點燃分為點燃(燃料床消耗完全)和不點燃(燃料床質量損失低于10%)兩種情況。

定義點燃概率Pig為同一工況下發(fā)生點燃的試驗次數(shù)Nig與總試驗次數(shù)Ntot的比值:

(2)

式中，PSI，PFI，PSI→FI分別表示陰燃點燃概率、明火點燃概率以及陰燃轉變?yōu)槊骰鸬母怕剩?/p>

(3)

(4)

(5)

圖7呈現(xiàn)了僅熱輻射作用時，松針燃料床點燃概率、陰燃概率與輻射熱通量的關系，圖7中每個點都對應了10～15次的重復性實驗。松針燃料床在輻射熱通量為17.5 kW/m2時開始發(fā)生點燃行為，且該條件下發(fā)生的點燃均為陰燃點燃，當輻射熱通量增加至20 kW/m2時，松針燃料床開始出現(xiàn)陰燃轉變?yōu)槊骰鸬狞c燃行為，且概率隨著輻射熱通量的增加而增加。定義點燃概率為0.5時對應的輻射熱通量為臨界輻射熱通量，估算熱輻射引燃松針燃料床所需的臨界輻射熱通量為17.76 kW/m2。

圖7 不同輻射熱通量作用下松針的點燃概率以及陰燃點燃概率Fig.7 Ignition probability and smoldering ignition probability of pine needles by different radiative heat fluxes

圖8呈現(xiàn)了不同溫度和直徑的顆粒點燃松針燃料床的概率，顏色標尺的顏色從深到淺表征概率從0到1。圖8中黑線對應該粒徑點燃概率為0.5所需的溫度，定義為臨界顆粒點燃溫度，線上的區(qū)域定義為點燃區(qū)，線下區(qū)域為未點燃區(qū)。在本文的實驗條件下，松針燃料能否被點燃由顆粒的尺寸和初始溫度共同決定，小尺寸的顆粒需要較高的顆粒溫度才能夠點燃燃料床。本實驗中所選用的三種直徑的顆粒對應的臨界顆粒點燃溫度分別是1 058 ℃，940 ℃，855 ℃。實驗觀察到，熱顆粒作用于松針燃料床時，點燃行為大多為陰燃點燃或者直接明火點燃，陰燃轉化為明火點燃的現(xiàn)象極少出現(xiàn)。

圖8 不同溫度和直徑的熱顆粒作用下松針的點燃概率Fig.8 Ignition probability of pine needles by hot particles with different initial temperatures and diameters

圖9呈現(xiàn)了熱顆粒和熱輻射耦合作用實驗中，輻射熱通量、熱顆粒尺寸和溫度對點燃概率以及陰燃點燃概率的影響。圖9中從左往右熱顆粒直徑分別為8 mm、10 mm、12 mm，從下往上熱顆粒溫度分別為700 ℃、750 ℃、800 ℃，實心與空心的不同形狀分別表征了耦合作用和熱輻射單獨作用時的點燃概率和陰燃點燃概率。從圖9中可以看出，熱顆粒和熱輻射耦合作用點燃松針時，不同狀態(tài)顆粒點燃松針燃料床的概率隨著輻射熱通量的增加而增加，而陰燃點燃概率隨輻射熱通量的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，說明隨著輻射熱通量的增加，松針燃料床的點燃行為逐漸從陰燃點燃向陰燃轉變?yōu)槊骰鸬狞c燃轉變。此外，熱顆粒和熱輻射耦合作用與熱顆粒或者熱輻射單獨作用相比，都很大程度增大了點燃概率，增加了點燃的風險。耦合作用時，松針燃料床的臨界點燃溫度和臨界輻射熱通量隨顆粒尺寸增大而降低。

圖9 熱顆粒和熱輻射耦合作用時松針的點燃概率和陰燃點燃概率Fig.9 Ignition probability and smoldering ignition probability of pine needles under the coupled effect of hot particle and external radiative heat flux

2.3 陰燃向明火轉變的點燃時間

陰燃向明火轉變的點燃時間定義為開始施加熱輻射或顆粒與燃料接觸到出現(xiàn)穩(wěn)定的火焰的時間間隔。由于無風條件下飛火顆粒作用點燃松針燃料床時極少觀察到陰燃轉變?yōu)槊骰瘘c燃的行為，本文僅討論熱輻射單獨作用以及耦合作用時陰燃向明火轉變的點燃時間。

圖10 熱顆粒和熱輻射耦合作用下陰燃轉變?yōu)槊骰鸬狞c燃時間Fig.10 Ignition time of smoldering-to-flaming transition under the coupled effect of firebrand and radiation

實驗中觀察到，熱顆粒和熱輻射耦合作用于松針燃料床時，在同一實驗工況下，可能存在不同的場景，導致陰燃轉變?yōu)槊骰鸬狞c燃時間存在較大的差異。根據(jù)火焰出現(xiàn)的位置，可以將陰燃轉化為明火的點燃劃分為3種不同的場景：(1)火焰出現(xiàn)在燃料的側表面；(2)火焰出現(xiàn)在加熱錐處；(3)火焰出現(xiàn)在燃料上表面顆粒落點位置附近。

圖11(a)和圖11(b)呈現(xiàn)了火焰出現(xiàn)在燃料側表面的實驗場景。圖11(a)和圖11(b)的區(qū)別在于火焰出現(xiàn)時燃料的消耗情況不同，同一實驗工況下圖11(a)所示的點燃時間比圖11(b)長。隨著輻射強度的增加，火焰出現(xiàn)時刻的燃料消耗情況呈現(xiàn)出減少的趨勢。圖11(c)呈現(xiàn)了火焰出現(xiàn)在燃料上方加熱錐位置的實驗場景，該場景下松針燃料受熱產(chǎn)生的熱解氣體與空氣形成可燃氣體混合物擴散至加熱錐的位置被引燃，加熱錐充當了引燃源，該場景下，陰燃轉變?yōu)槊骰鸬狞c燃時間在一定程度上依賴于加熱錐的位置。對實驗結果進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，無論是否存在熱顆粒，隨著輻射熱通量的增加，陰燃轉變?yōu)槊骰鸬膱鼍熬尸F(xiàn)出由圖11(a)過渡至圖11(c)的趨勢。當存在熱顆粒時，可能出現(xiàn)圖11(d)所示的場景，火焰出現(xiàn)在熱顆粒落點周圍，熱顆粒充當了引燃源。

圖11 陰燃轉變?yōu)槊骰瘘c燃的不同場景Fig.11 Different scenes of smoldering-to-flaming transition ignition

3 結論

本文研究了熱顆粒和熱輻射耦合作用下松針燃料的點燃特性，對未點燃、陰燃點燃、陰燃轉變?yōu)槊骰瘘c燃，直接明火點燃四種不同的點燃現(xiàn)象進行了描述，分析了耦合作用實驗的點燃概率以及點燃行為的變化。

(1)與熱輻射點燃或者熱顆粒點燃單獨作用相比，二者耦合作用時，松針燃料床的點燃概率增加，點燃所需的臨界溫度和臨界輻射熱通量均降低。點燃概率隨顆粒的尺寸、溫度以及外加輻射熱通量的增加而增加。