火前锋附壁的模拟实验研究

吕云欢，刘乃安，谢小冬，张林鹤，吴 荻，张 阳，黄 磊

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

0 引言

森林爆发火是一种典型的极端森林火行为，以短时间内火蔓延速率陡增为特征。过去几年来，国内外森林爆发火事故频繁发生，对森林消防队员的生命安全造成巨大的威胁，频繁发生的爆发火事故还可能对森林的生态环境造成极大的破坏。

国内外学者对爆发火进行了初步的研究。Viegas等[1-7]在实验室和野外环境下均开展了火蔓延模拟实验，实验结果表明，爆发火主要发生在陡峭的山坡和峡谷中地形上。Dold和Zinoviev[8]提出了一种用于预测爆发火的数学模型，认为火焰加速是由浮力羽流附着在燃料表面所致。Xie等[9]在不同坡度、不同高宽比的条件下开展了沟壑地形(Trench fire)的火蔓延实验，发现在一定坡度及高宽比条件下会发生火焰附壁，同时引发爆发火。关于火焰倾斜附壁导致火焰加速的科学研究最早来源于1987年的国王十字重大火灾，这次事故共造成31人死亡。对火焰附壁现象的研究既包括实验研究[10-15]也包括理论研究[16-18]。

本文重点研究火焰附壁发生的条件及控制机制，传统的火蔓延实验中火前锋向前移动，精确的火焰附壁特性参数在移动过程中很难被准确测量。此外，由于火蔓延过程中燃烧、传热和流动相互耦合，对研究火焰附壁特性带来了较大的困难，因此本文选择通过气体燃烧器模拟火前锋，采用控制恒定气体流量的方式确保稳定的燃烧状态。另外，相较于常规火蔓延实验，气体燃烧器火焰更稳定，实验可重复性强，利于对火焰附壁开展精确且系统的研究。本文开展不同坡度和不同高宽比条件的模拟实验，分析火焰附壁特性参数随坡度角和高宽比的变化规律。

1 实验设计

1.1 实验装置及布置

变坡度气体火实验台的示意图如图1所示，实验台由支撑框架、实验台面、手动升降机构、挡板和燃烧器等五部分组成。实验台面板采用耐高温的防火板，利用升降杆调节防火板与水平面的夹角以改变坡度，坡度变化范围为0°～45°。侧向挡板高度可调，进而改变高宽比。本文开展不同坡度角及高宽比条件下火焰附着状态的实验研究。

实验测量仪器的布设如图2所示。在实验台中心线打孔，将热电偶(结点直径0.4 mm ～0.5 mm)固定于距实验台表面1 cm位置，在燃烧器后方1 cm处开始布置测点，燃烧器前方30 cm内热电偶间距为1 cm；30 cm～50 cm内，热电偶间距为2 cm。皮托管(Dwyer 160S-18)位于距实验台表面2.5 cm处，以测量沿实验台面方向的流场。

图2 测量仪器布置示意图

火焰几何参数的示意图如图3所示，火焰长度为燃烧器中点到焰舌的距离，火焰倾角为火焰长度方向与实验台表面之间的夹角，火焰夹角为火焰长度方向与竖直方向之间的夹角，火前锋距离实验台面1 cm假设为火焰附着位置，燃烧器中点与此位置的距离为火焰附着长度。在实验台侧面布置DV以拍摄火焰，选择40 s～60 s的稳态燃烧视频转换成连续的单帧图片，以获得RGB彩色像素图。将RGB色彩图转换成灰度图，利用MATLAB程序计算图像的灰度值。通过比较单个像素点的灰度值与最佳灰度阈值得到火焰二值图，再通过比例尺和像素距离获得平均的火焰倾角、火焰长度及火焰附着长度。

图3 火焰几何形态结构示意图

1.2 实验工况

实验燃料为丙烷，气体热释放速率为23.2 kW，流量为16 L/min。高宽比A： 0、0.2、0.6、1.0，坡度分别为：0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°，每个工况开展1次重复实验，共80组实验。

2 研究结果与分析

2.1 火焰几何形态参数

附着后的火焰对火前未燃燃料的传热会发生较大的变化，火焰倾角、火焰长度、火焰高度和火焰附着长度是影响火前传热的重要因素。图4是火焰倾角随坡度和高宽比的变化。不同高宽比条件下，火焰倾角均随坡度增大而逐渐减小，但火焰倾角减小速率随着高宽比的变化而变化。当A=0时，火焰倾角随坡度几乎呈现线性减小的趋势；当A>0.2时，火焰倾角受高宽比影响很小。当坡度小于10°时，挡板的存在对火焰倾角无显著影响；当坡度大于15°时，挡板存在时火焰倾角减小。当高宽比大于0.2且坡度大于25°时，火焰倾角接近于0°，火焰几乎完全附着。

图4 火焰倾角随坡度和高宽比的变化

图5是火焰长度随坡度和高宽比的变化，火焰长度随坡度呈增长趋势，受高宽比影响较小。图6是火焰附着长度随坡度和高宽比的变化。坡度小于等于15°时，侧向挡板的存在对火焰附着长度并不能产生明显的影响；坡度大于15°时，侧向挡板的存在会导致火焰附着长度快速增大。

图5 火焰长度随坡度和高宽比的变化

图6 火焰附着长度随坡度和高宽比的变化

2.2 火焰的脉动性

附着后的火焰紧贴坡面燃烧，火焰周围的热气体携带热量对前方未燃燃料进行对流加热，极大地提高了对流传热效率。附着长度随时间的瞬态变化会影响火前对流加热的作用范围，因此本文对火焰附壁过程中火焰附着长度随时间的变化进行了深入分析。本文采用图像处理法获取稳定燃烧时火焰附着长度随时间的脉动规律，统计得到每一个火焰附着长度值的数量，除以视频的总帧数，得到火焰在各位置处附着的概率。为比较不同高宽比及不同坡度条件下火焰脉动特性的变化规律，对火焰在不同位置发生附着的概率和火焰附着位置进行高斯拟合，得到火焰附着位置的概率密度曲线；然后对火焰附着位置进行无量纲化，也就是将各火焰附着位置除以平均火焰附着长度，进而得到无量纲火焰附着位置的概率密度曲线，曲线的两翼即代表着火焰脉动偏离平均位置的剧烈程度。

图7是不同高宽比条件下无量纲火焰附着位置的概率分布随坡度的变化。随坡度升高，火焰偏离平均位置的程度越来越剧烈，火焰的脉动性随坡度的增大而增强。当高宽比大于0.2且坡度大于25°时，火焰的脉动性随坡度的变化不再明显，由于此时火焰已经达到了完全附着的状态。

图7 不同高宽比下无量纲火焰附着位置概率分布随坡度的变化

比较相同坡度条件不同高宽比对火焰脉动性的影响。当坡度小于25°时，火焰脉动性在有挡板的条件下明显强于无挡板，并且火焰脉动性随挡板高宽比的增加而逐渐减弱，如图8(a)所示。当坡度大于25°后，无挡板和有挡板条件下的火焰脉动性有明显差异，但当高宽比大于某一数值后，火焰的脉动特性不再随高宽比的变化而变化，如图8(b)所示。当存在侧向挡板后，火焰两侧的卷吸在挡板作用下受限，增强了火焰自身的卷吸不对称行为，随着坡度的增加，火焰自身诱导产生的流场会作用于火焰本身，增强火焰本身的脉动行为。因此，有挡板条件下火焰的脉动性明显强于无挡板条件下的火焰脉动性。

图8 15°和30°无量纲火焰附着位置概率分布随高宽比的变化

有挡板条件下，高宽比对火焰脉动性的影响会随着火焰附着状态的变化而改变。当坡度小于25°时，火焰处于部分附着的状态，火前锋始终存在一段向上的火羽流，挡板的存在将火焰分为了两个部分，一部分是低于挡板的火焰部分，火焰的侧向卷吸完全被抑制；另一部分是高于挡板的火焰部分，火焰仍然能够正常卷吸来自各个方向的空气，这部分保持向上的羽流对火焰的作用与火焰自身诱导产生的流场相竞争，进而对火焰的脉动性产生影响。随着挡板高度的增加，低于挡板的火焰部分在增大，高于挡板部分的火焰逐渐减小，向上的羽流对火焰的作用逐渐减小，其与火焰自身诱导产生的流场间的竞争作用减小，火焰的脉动性逐渐减弱。当坡度大于25°后，火焰呈薄片状结构，紧贴坡面燃烧，不再存在向上的羽流，此时，火焰的脉动性仅仅与火焰自身诱导产生的流场相关，火焰的脉动性也不再随高宽比的变化而改变。

2.3 火焰附着的三种状态

从火焰形态及火焰倾角和火焰附着长度的实验数据来看，随坡度增大，火焰可分为3种状态：完全不附着、部分附着、完全附着。不同附着状态下，火焰对前方未燃燃料的传热方式和效率都存在一定的差异性。图9是火焰倾角和火焰附着长度随坡度的变化，由图9可知，二者随坡度的变化存在3个明显不同的变化阶段，火焰倾角和火焰附着长度在0°～10°之间随坡度变化速率较慢，10°～25°之间随坡度变化较快，大于25°后随坡度的变化较小。

图9 火焰倾角和火焰附着长度随坡度的变化

结合火焰图像对火焰附壁的3种状态进行简单的分析。如图10所示，坡度为0°～10°，火前锋稍微向前倾斜，火焰完全不附着；坡度为15°～20°，火焰发生明显倾斜和附着，火焰部分附着；坡度大于25°，火焰紧贴表面燃烧，呈薄片状，火焰完全附着。出现3种状态的主要原因是由于火焰自身诱导的流场变化，当高宽比大于等于0.2，随坡度的增加，火焰自身诱导的流场不断增强(如图11所示)，促使火焰倾斜，直至发生火焰附壁。当火焰发生完全附着，火焰脉动及燃烧产生的热气流对前方燃料进行加热，极大的增强热量传递，提高火蔓延速率，从而引发爆发火。

图10 火焰附着三种状态的实验图

图11 不同坡度和高宽比下气体流速的变化

2.4 火焰平均波动频率

随着坡度升高，火焰自身诱导的流场逐渐增大，火焰脉动也增强，焰舌接触火前未燃燃料的频率也会相应发生变化，进而影响火焰对前方未燃燃料的直接接触加热。实验中，在燃烧器前方的绝热表面上方1 cm位置布置了一系列热电偶，以测量温度变化，并对单根热电偶的波动频率进行统计及分析。假设热电偶温度高于300 ℃时接触火焰，统计稳态燃烧时温度高于300 ℃的波动频率，取所有热电偶频率的平均值作为该工况下火焰的平均波动频率，分析其随坡度及高宽比的变化，如图12所示。火焰的平均波动频率随着坡度的增加而增大，挡板存在时波动频率明显上升。

图12 平均波动频率变化和脉动火焰接触的单根热电偶温度变化

3 结论

本文开展了不同坡度及高宽比条件下的气体燃烧实验，研究了火焰几何参数、火焰附着特性的变化规律。主要研究结论如下：

(1) 上坡火蔓延过程中，火焰附壁主要由坡度决定，在一定范围内受高宽比影响较小。

(2) 随坡度升高，上坡火的火焰附着可分三种状态：完全不附着、部分附着和完全附着；处于完全附着状态的火前气流和热流均急剧增大。两种相邻状态之间转化存在临界坡度角。

(3) 完全附着后火焰表现出了明显的脉动，随坡度的增大而增强。脉动性受高宽比的影响较弱。