飞火和热辐射耦合作用点燃松针的实验研究

彭志红，陈海翔

(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

近几十年来，世界上森林-城镇交界域火灾频发，造成了惨重的经济损失以及人员伤亡，在全球范围内引起了广泛的关注。研究表明，在交界域中，一旦发生植被火灾，往往通过火焰辐射引燃和飞火颗粒点燃的蔓延方式导致住宅区发生火灾[1]。

关于交界域火灾中的辐射引燃，研究主要关注火灾产生的热辐射特征以及可燃物的辐射点燃行为进行。Cohen[2]、Zárate等[3]假定火焰面为矩形平面，根据史蒂芬玻尔兹曼定律计算目标物体接收的辐射热流与距离的对应关系，从而估算距离火焰的安全距离。Mindykowski等[4]、McAllister等[5]则研究了不同辐射热通量作用下森林可燃物引燃着火的燃烧特性。

飞火颗粒点燃燃料床是一个非常复杂的过程。Ganteaume等[6]实验研究了樟子松木块点燃8种树木的凋落物和2种草皮的可能性；Ellis[7]开展实验研究了有风和无风条件下不同状态(glowing和flaming)颗粒对燃料床的点燃特性；Viegas[8]等实验研究了飞火颗粒的种类、燃料床的类型以及含水率对颗粒点燃时间和点燃概率的影响；Hadden等[9]、Wang等[10]、Zak等[11]开展高温金属颗粒点燃可燃材料的实验，分析颗粒温度和尺寸对点燃过程的影响，揭示了颗粒点燃的机理。

尽管针对辐射引燃和飞火颗粒点燃的过程都已经开展了大量的研究，但关于辐射和飞火颗粒耦合作用下点燃森林可燃物的研究极为少见。然而，在实际交界域火灾中，二者往往同时出现。本文开展系列实验，研究飞火颗粒和热辐射耦合作用下松针的点燃过程，分析颗粒温度、尺寸以及辐射热通量对松针点燃特性的影响。

1 实验设计

1.1 实验台

实验装置如图1所，主要由加热锥和高温定碳炉两部分组成。

1.管式高温定碳炉；2.加热锥；3.燃料床；4.摄像机；5.数据采集仪；6.KSY型电炉温度控制器；7.PID温度控制器；8.隔热层；9.小型升降平台；10.S型热电偶；11.K型热电偶；12.自制金属勺图1 实验装置图Fig.1 Experimental setup

(1)高温定碳炉

高温定碳炉作为加热源，对金属颗粒进行加热，其额定最高温度为1 300 ℃。高温定碳炉与KSY型温度控制器及铂铑-铂热电偶配套使用，实现对炉内温度的调节和控制。实验中，为了减少手动操作的误差，将高温定碳炉一端垫高，倾斜角为1°，使加热结束的金属颗粒仅依靠重力作用落在燃料床上。实验开始时，设定加热炉温度期望值，待炉内温度达到期望值并稳定以后，将金属颗粒放置于自制金属勺中放入陶瓷管内，加热足够时间后，旋转金属勺，使得颗粒沿着倾斜的陶瓷管滑下落至燃料床内，模拟飞火颗粒点燃森林可燃物的场景。由于设定的炉温和实际的炉温存在差异，实验中将一根1 mm直径K型热电偶固定在金属勺上，在实验过程中实时测量炉内的实际温度。当金属颗粒在炉内加热时间足够长时，认为金属颗粒温度与加热炉内实际温度保持一致，达到热平衡。由于金属颗粒的Bi数较小[12]，

(1)

因此认为热颗粒温度稳定后，其内部温度是均匀的。

(2)加热锥

加热锥为电阻型加热源，额定功率5 000 W，可以在锥体正下方10 cm×10 cm范围内提供相对均匀的辐射热通量，标准距离(2.5 cm)下提供的辐射热通量最高可达100 kW/m2。加热锥由PID温度控制器控制，通过调整炉丝温度可以改变输出的辐射热通量。实验开始前，需要对样品表面位置接收到的辐射热通量的均匀性进行验证。将辐射热流计布置在标准距离下的不同水平位置，测量了炉丝温度在250 ℃～600 ℃范围内不同测点位置的辐射热通量，结果如图2(b)所示。从图2(b)中可以看出，在同一加热锥炉丝温度下，外侧与中心位置的辐射热通量相比，误差在5%以内，因此认为锥形热源提供的辐射热通量是均匀的。

图2 辐射热通量的均匀性Fig.2 The uniformity of radiative heat flux

实验过程中，控制燃料床的上表面与加热锥的下表面的距离保持在2.5 cm，燃料床的中心与加热锥的中心处于同一竖直直线上。实验前，使用辐射热流计(型号为64p-5-22，Medtherm公司生产)测量得到加热锥正下方2.5 cm处辐射热流与PID温度控制器仪表盘显示的温度的对应关系。多次测量发现该对应关系不随时间变化，具有良好的稳定性。实验中将根据温度控制器温度推算燃料床表面辐射热通量。

实验分为三个系列：(1)热辐射点燃；(2)热颗粒点燃；(3)热辐射和热颗粒耦合点燃，实验工况如表1所示。热辐射和热颗粒耦合点燃实验中，热辐射和热颗粒同时作用于松针燃料。

表1 实验工况设置Table 1 Arrangement of experimental conditions

1.2 实验材料

实验使用的松针采自四川省西南部的凉山彝族自治州的马尾松。实验前，将松针置于烘箱烘干，取出后装入塑料袋密封保存。实验前取出松针，实时测量松针含水率在4%～7%之间。然后修剪松针的长度至6 cm～8 cm，取20 g以自然堆积的方式置于10 cm×10 cm×5 cm的长方体不锈钢网篮(网孔1.6 mm，丝径1 mm)中，控制每次实验松针燃料床的容积密度为40 kg/m3。

实验选取高温的不锈钢球形颗粒模拟飞火颗粒的点燃过程，选取颗粒直径分别为8 mm、10 mm和12 mm。实验均在无风条件下进行，且不考虑燃料含水率的影响。在松针燃料的正上方和前方分别布置摄像机用于记录燃料床的点燃过程。

2 实验结果与讨论

2.1 实验现象

根据观察到的不同工况下的实验现象，把松针燃料床的点燃情况分为四类：(1)未点燃；(2)阴燃点燃；(3)阴燃向明火转变的点燃；(4)直接明火点燃。本文将明火定义为火焰出现且持续至少1.0 s的情况[12,13]。

图3呈现了松针燃料床未被点燃的代表性过程。图3(a)中，15 kW/m2的辐射热通量单独作用于燃料床时，燃料床表面释放出少量可见的烟雾且逐渐炭化变黑，之后不再发生反应。当存在热颗粒时，烟雾首先出现在颗粒周围，并且在颗粒周围发生局部无焰燃烧，表现为热颗粒周围星星点点的小火星出现，之后火星逐渐消失。不点燃的实验中，燃料的质量消耗低于10%。

图3 未点燃的实验场景Fig.3 Experimental scenes of failed ignition

图4呈现了燃料床阴燃点燃的过程。仅热辐射作用时，松针燃料在加热一段时间以后表面开始发生无焰燃烧，并且迅速向周围蔓延，直至燃料耗尽，整个过程中未观察到火焰出现，如图4(a)所示。仅存在热颗粒作用时，颗粒周围首先发生无焰燃烧，释放出大量的烟雾，由于重力作用，颗粒逐渐进入燃料床内部，在较长时间内阴燃发生在燃料床内部，难以在燃料表面观察到阴燃蔓延的情况，燃料最终都消耗完全，如图4(b)所示。当二者同时作用时，由于颗粒温度高，阴燃首先发生在燃料表面颗粒周围，随后在外加辐射热通量和热颗粒的共同作用下向周围蔓延直至燃尽，如图4(c)所示。

图5呈现了燃料床由阴燃转变为明火点燃的过程。该实验工况与图4相比，火焰出现前的现象基本一致，阴燃持续一段时间后，出现火焰并蔓延消耗掉整个燃料床。由于实验在无风条件下进行，仅热颗粒作用时，极少观察到阴燃转变为明火的场景。

图4 阴燃点燃的实验场景Fig.4 Experimental scenes of smoldering ignition

图5 阴燃转变为明火点燃的实验场景Fig.5 Experimental scenes of smoldering-to-flaming ignition

图6呈现了直径为8 mm，温度为1 100 ℃的高温颗粒直接明火点燃松针燃料床的过程。热颗粒在与松针燃料床接触极短时间内即出现稳定的火焰，之后观察到火焰蔓延，最终燃尽整个燃料床。在本实验所选择的工况中，该点燃现象只在颗粒温度较高的情况下出现，耦合作用实验中选择的颗粒温度较低，并未观察到直接明火点燃的现象。

图6 明火点燃实验场景Fig.6 Experimental scenes of flaming ignition

2.2 点燃概率

虽然点燃过程涉及较多的中间状态，但最终燃料的消耗情况只有两种，燃料消耗完全或者仅消耗掉极少部分，因此根据燃料的消耗情况可以将点燃分为点燃(燃料床消耗完全)和不点燃(燃料床质量损失低于10%)两种情况。

定义点燃概率Pig为同一工况下发生点燃的试验次数Nig与总试验次数Ntot的比值:

(2)

式中，PSI，PFI，PSI→FI分别表示阴燃点燃概率、明火点燃概率以及阴燃转变为明火的概率：

(3)

(4)

(5)

图7呈现了仅热辐射作用时，松针燃料床点燃概率、阴燃概率与辐射热通量的关系，图7中每个点都对应了10～15次的重复性实验。松针燃料床在辐射热通量为17.5 kW/m2时开始发生点燃行为，且该条件下发生的点燃均为阴燃点燃，当辐射热通量增加至20 kW/m2时，松针燃料床开始出现阴燃转变为明火的点燃行为，且概率随着辐射热通量的增加而增加。定义点燃概率为0.5时对应的辐射热通量为临界辐射热通量，估算热辐射引燃松针燃料床所需的临界辐射热通量为17.76 kW/m2。

图7 不同辐射热通量作用下松针的点燃概率以及阴燃点燃概率Fig.7 Ignition probability and smoldering ignition probability of pine needles by different radiative heat fluxes

图8呈现了不同温度和直径的颗粒点燃松针燃料床的概率，颜色标尺的颜色从深到浅表征概率从0到1。图8中黑线对应该粒径点燃概率为0.5所需的温度，定义为临界颗粒点燃温度，线上的区域定义为点燃区，线下区域为未点燃区。在本文的实验条件下，松针燃料能否被点燃由颗粒的尺寸和初始温度共同决定，小尺寸的颗粒需要较高的颗粒温度才能够点燃燃料床。本实验中所选用的三种直径的颗粒对应的临界颗粒点燃温度分别是1 058 ℃，940 ℃，855 ℃。实验观察到，热颗粒作用于松针燃料床时，点燃行为大多为阴燃点燃或者直接明火点燃，阴燃转化为明火点燃的现象极少出现。

图8 不同温度和直径的热颗粒作用下松针的点燃概率Fig.8 Ignition probability of pine needles by hot particles with different initial temperatures and diameters

图9呈现了热颗粒和热辐射耦合作用实验中，辐射热通量、热颗粒尺寸和温度对点燃概率以及阴燃点燃概率的影响。图9中从左往右热颗粒直径分别为8 mm、10 mm、12 mm，从下往上热颗粒温度分别为700 ℃、750 ℃、800 ℃，实心与空心的不同形状分别表征了耦合作用和热辐射单独作用时的点燃概率和阴燃点燃概率。从图9中可以看出，热颗粒和热辐射耦合作用点燃松针时，不同状态颗粒点燃松针燃料床的概率随着辐射热通量的增加而增加，而阴燃点燃概率随辐射热通量的增加呈现出先增加后降低的趋势，说明随着辐射热通量的增加，松针燃料床的点燃行为逐渐从阴燃点燃向阴燃转变为明火的点燃转变。此外，热颗粒和热辐射耦合作用与热颗粒或者热辐射单独作用相比，都很大程度增大了点燃概率，增加了点燃的风险。耦合作用时，松针燃料床的临界点燃温度和临界辐射热通量随颗粒尺寸增大而降低。

图9 热颗粒和热辐射耦合作用时松针的点燃概率和阴燃点燃概率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 阴燃向明火转变的点燃时间

阴燃向明火转变的点燃时间定义为开始施加热辐射或颗粒与燃料接触到出现稳定的火焰的时间间隔。由于无风条件下飞火颗粒作用点燃松针燃料床时极少观察到阴燃转变为明火点燃的行为，本文仅讨论热辐射单独作用以及耦合作用时阴燃向明火转变的点燃时间。

图10 热颗粒和热辐射耦合作用下阴燃转变为明火的点燃时间Fig.10 Ignition time of smoldering-to-flaming transition under the coupled effect of firebrand and radiation

实验中观察到，热颗粒和热辐射耦合作用于松针燃料床时，在同一实验工况下，可能存在不同的场景，导致阴燃转变为明火的点燃时间存在较大的差异。根据火焰出现的位置，可以将阴燃转化为明火的点燃划分为3种不同的场景：(1)火焰出现在燃料的侧表面；(2)火焰出现在加热锥处；(3)火焰出现在燃料上表面颗粒落点位置附近。

图11(a)和图11(b)呈现了火焰出现在燃料侧表面的实验场景。图11(a)和图11(b)的区别在于火焰出现时燃料的消耗情况不同，同一实验工况下图11(a)所示的点燃时间比图11(b)长。随着辐射强度的增加，火焰出现时刻的燃料消耗情况呈现出减少的趋势。图11(c)呈现了火焰出现在燃料上方加热锥位置的实验场景，该场景下松针燃料受热产生的热解气体与空气形成可燃气体混合物扩散至加热锥的位置被引燃，加热锥充当了引燃源，该场景下，阴燃转变为明火的点燃时间在一定程度上依赖于加热锥的位置。对实验结果进行统计发现，无论是否存在热颗粒，随着辐射热通量的增加，阴燃转变为明火的场景均呈现出由图11(a)过渡至图11(c)的趋势。当存在热颗粒时，可能出现图11(d)所示的场景，火焰出现在热颗粒落点周围，热颗粒充当了引燃源。

图11 阴燃转变为明火点燃的不同场景Fig.11 Different scenes of smoldering-to-flaming transition ignition

3 结论

本文研究了热颗粒和热辐射耦合作用下松针燃料的点燃特性，对未点燃、阴燃点燃、阴燃转变为明火点燃，直接明火点燃四种不同的点燃现象进行了描述，分析了耦合作用实验的点燃概率以及点燃行为的变化。

(1)与热辐射点燃或者热颗粒点燃单独作用相比，二者耦合作用时，松针燃料床的点燃概率增加，点燃所需的临界温度和临界辐射热通量均降低。点燃概率随颗粒的尺寸、温度以及外加辐射热通量的增加而增加。