熱金屬顆粒對(duì)地表森林可燃物的傳熱仿真分析

李東暉 胡海清 郭妍

摘?要：為研究導(dǎo)線短路熔化形成的熱金屬顆粒對(duì)地表森林可燃物的傳熱機(jī)理，本文通過(guò)有限元仿真技術(shù)，基于傳熱學(xué)理論，建立熱金屬顆粒與地表可燃物間的傳熱仿真模型，將墜落在地面的熱金屬顆粒作為熱源，考慮熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射的作用，利用正交試驗(yàn)分析顆粒材質(zhì)、環(huán)境溫度、落地溫度與熔點(diǎn)的比值、顆粒球心嵌入深度倍數(shù)和顆粒半徑對(duì)可燃物加熱過(guò)程的影響。結(jié)果表明，顆粒材質(zhì)、落地溫度與熔點(diǎn)的比值、顆粒半徑是影響引燃的主要原因，且銅質(zhì)顆粒在墜落后對(duì)可燃物的引燃能力更強(qiáng)。此研究為避免熱金屬顆粒引起森林火災(zāi)提供參考。

關(guān)鍵詞：熱金屬顆粒;傳熱;森林火災(zāi);有限元分析;引燃

中圖分類號(hào)：S762.1?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?文章編號(hào)：1006-8023（2021）06-0047-06

Abstract：In order to study the heat transfer mechanism of hot metal particles formed by wire short-circuit melting to surface forest fuel， in this paper， the finite element analysis technology was used to establish the heat transfer simulation model between hot metal particle and fuel on ground based on the heat transfer theory. Taking hot metal particle as the heat source， considering the effects of heat conduction， convection and radiation， the effects of particle material， ambient temperature， ratio of landing temperature to melting point， multiple of particle center embedding depth and particle radius on the heating process of fuel were analyzed by orthogonal test. The results showed that material， ratio of landing temperature to melting point and radius were the main factors affecting ignition， and copper particles had stronger ignition ability to fuel. This study provides a reference for avoiding forest fire caused by hot metal particle.

Keywords：Hot metal particles; heat transfer; wildfire; finite element analysis; ignite

0?引言

隨著自然環(huán)境的日益惡劣，木材已成為國(guó)際經(jīng)貿(mào)的戰(zhàn)略物資[1]。森林火災(zāi)是造成木材損失的主要原因，在災(zāi)害中釋放出的大量溫室氣體，將進(jìn)一步加劇極端氣候的發(fā)生頻率[2-3]。伴隨著人類社會(huì)基礎(chǔ)建設(shè)的不斷進(jìn)步，由輸電導(dǎo)線短路產(chǎn)生的熱金屬顆粒已成為一類全新的火源形式[4]，并已引發(fā)多場(chǎng)森林火災(zāi)，造成巨大的損失[5-6]。

在該類事故中，導(dǎo)線金屬受短路電弧熱量加熱，熔化生成金屬液滴，受重力作用向地面墜落的過(guò)程中冷卻變成熱金屬顆粒。若墜落在地面上的熱金屬顆粒仍存有足夠熱量，將引燃地表森林可燃物，引發(fā)森林大火。因此，通過(guò)對(duì)熱金屬顆粒墜落后對(duì)地表可燃物的加熱過(guò)程進(jìn)行研究，可以更合理地預(yù)防該類森林的火災(zāi)發(fā)生。目前，學(xué)界多通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)各類熱金屬顆粒的引燃能力進(jìn)行研究。Hadden等[7]通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，熱金屬顆粒的直徑和初始溫度共同決定森林可燃物的引燃概率;Urban 等[8-9]根據(jù)自制的試驗(yàn)裝置，確定在引燃形式相同時(shí)，體積較大的熱金屬顆粒所需要的初始溫度更低;王蘇盼[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)熱金屬顆粒在直接引燃可燃物時(shí)，既是加熱源也充當(dāng)先導(dǎo)點(diǎn)燃源，而由無(wú)焰燃燒向有焰燃燒的轉(zhuǎn)變過(guò)程中僅充當(dāng)加熱源;此外，李夢(mèng)媛等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)熱金屬顆粒沉入可燃物內(nèi)部時(shí)的傳熱過(guò)程進(jìn)行研究?，F(xiàn)有的研究雖然能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象測(cè)定熱金屬顆粒的引燃能力，但無(wú)法從森林可燃物受熱分解的角度定量地描述各種熱金屬顆粒的區(qū)別。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元仿真技術(shù)[12-13]開(kāi)始被廣泛應(yīng)用于林火研究中，借用仿真技術(shù)可以直觀地獲得熱金屬顆粒對(duì)地表森林可燃物的傳熱情況。為此本文通過(guò)有限元數(shù)值分析方法，墜地后熱金屬顆粒對(duì)地表森林可燃物的熱量傳遞過(guò)程進(jìn)行分析，從而獲得熱金屬顆粒材質(zhì)、直徑、落地溫度、嵌入深度和周邊環(huán)境溫度對(duì)森林可燃物溫度變化的影響。

1?研究對(duì)象

由于森林內(nèi)的地表可燃物較為松軟，可將墜落后的熱金屬顆粒視作嵌入到平面內(nèi)部的球體[14]。熱金屬顆粒與地表森林可燃物的傳熱模型如圖1所示。圖1中：邊界①-⑦為模型計(jì)算圓柱形區(qū)域的軸心;邊界①-②-⑤-④-⑦-⑥為大氣環(huán)境;邊界④-⑤-⑨-⑧-⑥-⑦為地表森林可燃物;邊界③-⑤為地面;r為熱金屬顆粒的半徑;h為熱金屬顆粒球心嵌入地面的深度。

2?研究方法

在熱金屬顆粒與地表的森林可燃物接觸后，可燃物受熱釋放出可燃性氣體，當(dāng)氣體到達(dá)燃點(diǎn)后發(fā)生燃燒[15]。在分析熱金屬顆粒與地表森林可燃物間的換熱過(guò)程時(shí)，首先需要根據(jù)傳熱模型建立仿真區(qū)域的實(shí)體模型，根據(jù)實(shí)際情況將材料屬性和接觸關(guān)系賦予實(shí)體模型。再賦予實(shí)體模型初始溫度和熱金屬顆粒的初始溫度，進(jìn)行初始熱場(chǎng)分析。然后根據(jù)初始熱場(chǎng)分析的結(jié)果，進(jìn)行瞬態(tài)熱場(chǎng)分析，獲得一定時(shí)間內(nèi)熱金屬顆粒與可燃物的溫度變化。如圖2所示。圖2中：T0為熱金屬顆粒的初始溫度;T1為可燃物的初始溫度（環(huán)境溫度）;h為金屬顆粒球心嵌入地面的深度;r為熱金屬顆粒的半徑;t為熱場(chǎng)分析時(shí)間;t0為初始分析時(shí)刻;step（step）為設(shè)定仿真步數(shù);ti為時(shí)間步長(zhǎng);te為設(shè)定的傳熱計(jì)算時(shí)間。熱金屬顆粒對(duì)于地表森林可燃物的直接引燃常于12 s內(nèi)結(jié)束[10]，本研究中te=12 s。在整個(gè)計(jì)算流程中，可以通過(guò)修改T0、T1、h和r對(duì)計(jì)算進(jìn)行調(diào)整，研究各條件下可燃物的溫度分布情況，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠和實(shí)用的計(jì)算平臺(tái)。

3?仿真模型的建立

3.1?傳熱計(jì)算模型

根據(jù)傳熱學(xué)相關(guān)理論，熱金屬顆粒與地表森林可燃物間的瞬態(tài)傳熱分布計(jì)算方程為[12]：

由于森林地表可燃物的主要成分以纖維素為主，本文將纖維素的傳熱系數(shù)作為地表森林可燃物的等效傳熱系數(shù)。地表森林可燃物的傳熱系數(shù)λe和溫度差（T0-T1）間的關(guān)系為[16]：

熱金屬顆粒的輻射發(fā)射率受溫度變化影響，需要根據(jù)金屬材質(zhì)通過(guò)“發(fā)射率-溫度”函數(shù)表示[17-18]。由于森林可燃物的形貌及顏色較為多樣，為考慮最惡劣情況，將可燃物的表面發(fā)射率設(shè)置為1[19]。導(dǎo)線多以銅或鋁制成，本文以銅顆粒和鋁顆粒作為主要研究對(duì)象，金屬和可燃物的基本物理性能見(jiàn)表1[20-21]。

3.2?有限元仿真模型

根據(jù)計(jì)算模型，通過(guò)仿真軟件搭建有限元仿真模型[22]，如圖3所示。該模型由空氣區(qū)域、金屬顆粒區(qū)域與森林可燃物區(qū)域組成，模型的外部邊界狀態(tài)與外部環(huán)境相同。為提高計(jì)算精度，該仿真模型為四面體二次網(wǎng)格，共含有200萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格平均質(zhì)量大于0.9。金屬顆粒、空氣和森林可燃物依照表1進(jìn)行物理參數(shù)賦值，圖3中的T0、T1、h和r的定義與前面的定義相同。

4?仿真分析

4.1?正交實(shí)驗(yàn)仿真方案

熱金屬顆粒在墜地時(shí)的最高溫度無(wú)法超過(guò)其自身熔點(diǎn)。在描述嵌入深度時(shí)，也需要考慮球體的半徑尺寸，才能準(zhǔn)確描述球心的嵌入深度。在設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，需要以顆粒初始溫度與環(huán)境溫度的比值作為熱金屬顆粒初始溫度的特征參數(shù)，以球心嵌入地表的深度與顆粒半徑的比值作為球心嵌入深度的特征參數(shù)。由此，通過(guò)將顆粒的半徑、球心嵌入地表的深度與顆粒半徑的比值、環(huán)境溫度、顆粒落地溫度與其熔點(diǎn)的比值作為變化參數(shù)，通過(guò)仿真計(jì)算獲得可燃物的最終溫度。為提高計(jì)算研究效率，本文通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)法，分別對(duì)銅、鋁2種材質(zhì)的熱金屬顆粒使用L25（56）正交表進(jìn)行仿真分析，共進(jìn)行50次計(jì)算，見(jiàn)表2。

4.2?顆粒材質(zhì)對(duì)可燃物加熱過(guò)程的影響

根據(jù)表2內(nèi)的各梯度布置，計(jì)算得到的部分地表森林可燃物溫度變化云圖如圖4和圖5所示。圖4和圖5中的T0、T1、r和h為對(duì)應(yīng)的各因素取值，2#、5#、21#和25#為對(duì)應(yīng)正交試驗(yàn)中的計(jì)算編號(hào)。

通過(guò)對(duì)圖4和圖5內(nèi)的部分仿真結(jié)果進(jìn)行分析，可以獲得不同材質(zhì)熱金屬顆粒對(duì)地表森林可燃物的傳熱特性。由于銅的熔點(diǎn)大于鋁，則銅質(zhì)熱金屬顆粒的墜地溫度往往大于鋁質(zhì)顆粒。由于材料自身熱性能的不同，銅顆粒的溫度下降得較快，對(duì)可燃物的加熱過(guò)程較為迅速。而鋁顆粒的溫度降低較慢，對(duì)可燃物的加熱過(guò)程較為持續(xù)。此外，在材質(zhì)相同時(shí)，半徑（r）較小的顆粒的降溫過(guò)程較為迅速，能夠在短時(shí)間內(nèi)將自身熱量傳向可燃物。該結(jié)果與Casey D Zak的實(shí)驗(yàn)研究相似[10-11]，說(shuō)明仿真計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際過(guò)程較為吻合。

4.3?各因素對(duì)可燃物加熱過(guò)程的影響

在完成正交試驗(yàn)計(jì)算后，各因素影響下可燃物的溫度均值隨梯度的變化如圖6所示。影響因素方差分析見(jiàn)表3。

結(jié)合圖6和表3中的方差分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由于正交實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果的R2均等于0.99，說(shuō)明各因素變化可以解釋最終溫度99%的變化。當(dāng)P<0.05時(shí)，即可認(rèn)為該參數(shù)的變化與最終溫度間存在顯著性差異關(guān)系。因此，在對(duì)相同材質(zhì)的熱金屬顆粒進(jìn)行分析時(shí)，熱顆粒半徑（r）與熔點(diǎn)與落地溫度的比值是影響可燃物加熱過(guò)程的主要因素。

綜合4.2中的計(jì)算結(jié)果，由于銅顆粒的落地溫度較高，且對(duì)可燃物的加熱過(guò)程較為迅速，更易直接造成可燃物發(fā)生有焰燃燒;而鋁顆粒的落地溫度相對(duì)較低，對(duì)可燃物的加熱過(guò)程較為持續(xù)，可能會(huì)引起無(wú)焰燃燒轉(zhuǎn)化為有焰燃燒的森林火災(zāi)。當(dāng)材質(zhì)相同時(shí)，半徑（r）較小的顆粒質(zhì)量較小，其相對(duì)表面積更大，只有當(dāng)其落地溫度較高時(shí)才會(huì)直接點(diǎn)燃地表可燃物。若落地溫度不能直接點(diǎn)燃地表可燃物，其散熱過(guò)程較快，無(wú)法以陰燃的形式緩慢點(diǎn)燃可燃物。而體積較大的顆粒即使落地溫度不能直接點(diǎn)燃地表可燃物，也能夠通過(guò)持續(xù)加熱的方式使可燃物陰燃，更易引起森林火災(zāi)。

5?結(jié)論

本文基于有限元仿真技術(shù)對(duì)熱金屬顆粒對(duì)地表森林可燃物的熱交換過(guò)程進(jìn)行建模，研究熱金屬顆粒半徑、顆粒嵌入深度倍數(shù)、環(huán)境溫度和熔點(diǎn)與落地溫度的比值對(duì)地表森林可燃物溫度變化的影響，得出以下結(jié)論。

（1）熱金屬顆粒墜地時(shí)的溫度是影響可燃物溫升的主要原因。在其他條件相同時(shí)，由于銅的熔點(diǎn)高于鋁，在墜地時(shí)銅質(zhì)金屬顆粒的溫度往往更高，對(duì)可燃物的引燃能力更強(qiáng)。

（2）半徑較大的金屬顆粒能夠以較高溫度長(zhǎng)時(shí)間對(duì)地表可燃物進(jìn)行加熱，即使無(wú)法直接點(diǎn)燃，也可能通過(guò)緩慢加熱使其發(fā)生陰燃。

（3）由于熱金屬顆粒的溫度高于其他常見(jiàn)的火源物，環(huán)境溫度并不會(huì)對(duì)引燃過(guò)程產(chǎn)生很大的影響。在對(duì)該類災(zāi)害防控時(shí)，不應(yīng)以季節(jié)溫度劃分警戒等級(jí)。

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