辐射热流作用下杉木燃烧特性研究

翟春婕，张思玉，王新猛，戴璘蔓

（南京森林警察学院，江苏 南京 210023）

作为世界八大自然灾害之一，森林火灾会严重破坏生态环境，造成经济损失甚至人员伤亡。研究人员对森林火灾的发生及发展过程开展了很多研究[1-4]。不同种类的森林可燃物其物理结构和化学组成不同，如理化性质、载量、含水率等，导致燃烧过程受到许多因素的影响[5]。国内研究人员[6-8]大多以可燃物类型、载量、厚度、表体比、林分结构等为依据，综合评价并划分燃烧等级，为营林规划、提升林分抗御火灾的能力提供参考和依据。

可燃物的尺寸是影响林火蔓延速度和林火强度的重要因素。McArthur[9]和Peet[10]发现可燃物直径小于6 mm时，火蔓延基本难以维持，并提出火焰锋面的蔓延速度与细小可燃物的载量成正比关系。1998年，Sneeuwjagt和Peet[11]将火蔓延临界尺寸确定为10 mm，Cheney[12]则进一步观察到不同种可燃物的临界尺寸不同。2001年，Burrows[13]发现直径小于6 mm的桉树枝条及桉树叶属最易燃的可燃物，对其着火时间和失重速率构成重大影响。近期，Tihay[14]等人提出最易着火的可燃物是树叶以及直径小于4 mm的枯灌木枝条及树叶。

杉木（Cunninghamia lanceolata）是我国南方林区人工造林的主要树种，具有材性好、用途广、生长快等特点。已有文献研究了杉木林内可燃物含水率、易燃林分载荷量、空间分布格局等方面[15-19]，但对杉木尺寸因素的研究并不充分。基于此，本文以杉木作为研究对象，利用锥形量热仪[20]对杉木枝条及叶片进行燃烧实验，提取杉木叶片及不同直径杉木枝条热释放速率（HRR）和总释放热（THR）两个重要燃烧特性参数结果[21]，据此综合评价尺寸对杉木燃烧特性的影响。

1 研究区概况

实验所用杉木样本取自江苏省镇江市宝华山国家森林公园（北纬32°02′-32°09′，东经119°01′-119°20′），海拔约83 m，总面积136.03 km2，森林覆盖率高达92%。该地区年平均气温15.4℃，年降水量1018.6 mm，年平均空气相对湿度77%，四季分明，日照充足，属于北亚热带南部季风气候。山区主要植被类型为针叶林、阔叶林、针阔混交林、灌木和草丛等[22]。

2 材料与方法

2.1 实验样品

将林内采集的杉木叶片划分为活叶和死叶，杉木枝条根据直径进行分类。把分类好的样品进行第一次烘干，设置烘干箱温度为80℃，烘干时间为48 h，烘干后称重并记录质量，接着进行第二次烘干，比较两次烘干后的质量，若两次质量无差异，则视为达到绝干重量。选用100 mm×100 mm×25 mm的样品盒安装样品，如图1所示，将枝条剪成长略小于100 mm的枝段（图1(b)-(d)），并用游标卡尺测量其直径用于分类。由于杉木叶片结构较为特殊，为保证实验数据的说服力，将杉木叶的叶片跟小枝用剪刀剪开（图1(a)）。

图1 盛有杉木（a）叶片、（b）直径6 mm枝条、（c）直径8 mm枝条，（d）直径14 mm枝条的样品盒

2.2 实验方法

本文主要采用锥形量热仪（FTT，UK）对杉木的燃烧性进行分析，主要研究对象为死杉木叶、活杉木叶、杉木枝条，并选用檫树（Sassafras tsumu）枝条和女贞（Ligustrum lucidum）枝条与杉木枝条作实验对比。辐射热流设定为50 kW/m2，考虑到大多数针对森林可燃物的燃烧试验均为电火花点火方式，而自发着火方式研究很少。因此，本文采用自发着火方式。实验过程中观察记录实验现象，如：冒烟、弯曲、变形、收缩、着火和熄灭等现象。对比和分析同直径或同质量不同组的实验数据。每类样品实验重复5次，结果取平均值。

3 结果与分析

3.1 热释放速率

可燃物的热释放速率增大时，其热分解速率加快，挥发性可燃物生成量增多，加速了火焰的传播，使得火灾危险性增加。由于杉木枝条的尺寸不同且杉木叶有死活之分，本文首先研究了这两种因素的影响，并进一步比较了杉木枝条与檫树、女贞枝条的热释放速率。

3.1.1 杉木枝条热释放速率

本次实验选取直径为6mm、8mm、10mm、14mm、16 mm和20 mm的6组杉木枝条。测试过程中，观察在辐射热流作用下杉木枝条进入预热阶段发生的变化，包括水分蒸发、冒白烟、枝条表面和内部有机质热解并产生可燃性气体等。直径越大的枝条需要的预热时间越久。随着可燃气体的释放量的增加，枝条开始发生燃烧反应。图2为不同直径枝条的热释放速率，随着直径的增加，枝条热释放开始的时间逐渐增加且热释放速率的变化趋于平缓，可见直径越大，枝条热解所需要的热量越多，热释放的开始代表了火焰发生的时刻，因此实验现象也反映了不同直径的枝条其着火时间的不同。

从图2可以看出，随着时间的增加，热释放速率的曲线形状也有所变化，直径较小的情况下仅出现一个峰值PHRR。当直径大于6 mm后，在PHRR出现之前会出现一个短暂的平稳期，再出现峰值，是典型热厚性材料的特点[23]。可燃物表层首先着火，燃烧后释放热量，随着热量不断在枝条内部传递，出现燃烧的平稳时期，整个可燃物达到燃点后燃烧，此时出现PHRR，随后热量快速减少，最终火焰熄灭。直径为8 mm杉木枝条的热释放速率峰值在6组试验中最高，之后随着枝条直径增加，热释放速率的峰值减小，且热释放速率持续时间增加。相比之下，6 mm枝条峰值偏低的原因可能是枝条弯曲相对严重导致样件摆放时枝条之间有较大间隙，表明直径越小的枝条，燃烧过程越剧烈，火灾危险性比直径大的枝条更高。

图2 不同尺寸杉木枝条平均热释放速率变化

3.1.2 杉木叶热释放速率

实验将杉木叶分为活杉木叶和死杉木叶。图3为单位质量的活杉木叶和死杉木叶热释放速率对比图。实验表明，活杉木叶的预热阶段较为短暂且产生大量白烟，实验开始18 s时，热释放速率骤然升高，点燃时间远小于杉木枝条，于27 s时基本达到最大值，也是燃烧最剧烈的时刻，至117 s时趋于稳定。死杉木叶的燃烧过程与活杉木叶基本类似，点燃的时间比活杉木叶的时间略短，23 s基本达到最大值，峰值也稍大于活杉木叶。可见两者的热释放速率趋势相同，相差较小。这主要是因为实验中已经预先将两种杉木叶烘干，消除了水分的影响，而实际火灾中，活杉木叶的水分含量更高。

3.1.3 檫树、女贞与杉木枝条热释放速率

选取直径同为10 mm的檫树、女贞和杉木枝条实验数据进行比较分析。由图4热释放速率曲线比较可以看出，热释放速率峰值：女贞＞杉木＞檫树，燃烧所释热量的速度：女贞＞杉木＞檫树，可见两种辅助树种的燃烧性能相差较大，女贞更易被点燃且燃烧性高于同规格的杉木枝条，火灾危险性也较高，檫树则具有更好的抗火性能。

图3 杉木叶平均热释放速率变化

图4 直径10 mm檫树、女贞与杉木枝条平均热释放速率变化

3.2 总释放热

总释放热一般用于评价可燃物燃烧的持续性，这里分析比较了不同直径的杉木枝条、活杉木叶与死杉木叶及同直径下杉木、檫树和女贞枝条的总释放热。

3.2.1 杉木枝条总释放热

实验测定了直径为6 mm、8 mm、10 mm、14 mm、16 mm、20 mm的6组杉木枝条的总释放热，结果如图5，枝条着火并释放热量，开始时燃烧较为剧烈，总释放热增长较快，随着火焰的熄灭，燃烧进入炭化过程，总释放热开始减缓。随着杉木枝条直径的增加，总释放热逐渐增加。经过对比分析发现，直径越大的杉木枝条相对难燃，但总释放热越大。

图5 不同尺寸杉木枝条平均总释放热变化

3.2.2 杉木叶总释放热

图6为单位质量活和死杉木叶的释放热对比。与活杉木叶相比，死杉木叶释放热量速度较快，最终总释放热值基本一致，表明在相同的燃烧环境中杉木叶的总释放热与死活状态无关。

图6 杉木叶平均总释放热示意

3.2.3 檫树、女贞与杉木枝条总释放热

实验测定直径10 mm的女贞、檫树和杉木枝条的总释放热，结果对比如图7所示。总释放热相差较大。女贞和杉木枝条开始释放热量时间相近，在25 s左右，檫树枝条的预热时间较长，释放热量较慢，在85 s左右才开始释放热量。释放速率：女贞＞杉木＞檫树，总释放热：杉木＞女贞＞檫树。无论是点引燃时间，还是燃烧总释放热，檫树都低于女贞和杉木。由此可见，檫树枝条的燃烧性较差，抗火性相对较强，比较适宜用做防火树种。

图7 直径10 mm檫树、女贞、杉木枝条平均总释放热示意

4 讨论与结论

1）由于可燃物呈离散分布状态，且存在率先被引燃的可燃物（如枝条上的树皮，卷翘的树叶）充当了点火源作用，导致着火时间减小。这与文献[14]观察到现象一致。

2）随着杉木枝条直径的增大，热释放速率峰值逐渐减小，变化趋势也逐渐减缓；但热量释放持续的时间越长，总释放热越大。因此，直径越小的杉木枝条，越易燃，火灾危险性越大。

3）相同直径下杉木、檫树和女贞枝条热释放速率：女贞＞杉木＞檫树；热释放速率峰值：女贞＞杉木＞檫树；总释放热：杉木＞女贞＞檫树。杉木在燃烧时释放热量的速率和总释放热量都大于檫树，增加檫树比例能够显著增强杉木混交林的抗火性。

4）针对杉木叶的实验研究重复性很好，活和死杉木叶热释放速率趋势及总释放热基本一致，两者差别在实验误差范围内，结果与文献[19]得出的规律相似，但数值偏大。原因是：一方面，虽然实验对象均为针叶树种，但种类有所不同；另一方面，针叶类可燃物在样品盒内放置的状态（如密实度、厚度等）不同会对实验结果有一定的影响。因此，实验中离散分布的可燃物在样品盒中放置的标准有待进一步探讨。