坡度条件下不同长宽比矩形火源燃烧火焰贴地长度实验研究

李 权，陈宇航，苗延利，胡隆华

坡度条件下不同长宽比矩形火源燃烧火焰贴地长度实验研究

李 权，陈宇航，苗延利，胡隆华

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥 230026)

利用可变角度实验台，改变斜坡角度(10°～50°)、热释放速率(12.3～24.6kW)以及燃烧器长宽比(1～6)，开展了一系列燃烧实验，研究了火焰贴地长度随这3个因素的演变规律．结果表明，随着斜坡角度、火源热释放速率及燃烧器长宽比的增加，火焰贴地长度增加．对于相同的坡度和火源热释放速率，随长宽比增大，贴地长度增幅范围在65%～105%之间．基于斜坡诱导压差与火羽流浮力共同作用的物理机制分析，并考虑到燃烧器长宽比对火焰卷吸行为的影响，提出了无量纲火焰贴地长度预测模型．

斜坡火；不同长宽比矩形火源；火焰贴地长度；空气卷吸；热释放速率

地表火蔓延时常发生在坡地，在坡度条件影响下，火焰附着于地表，更容易向下游蔓延．其中，火焰贴地长度越大，所能到达的下游位置越远，直接决定了可以引燃下游可燃物的范围，因此，火焰贴地长度是影响火蔓延速率的一个重要参数[1-2]．

对于坡地上的火灾燃烧行为，前人已经进行了较多的研究[2-8]．Drysdale和Macmillan[3]研究了火焰在倾斜的PMMA平板上的蔓延，包括有侧壁和没有侧壁的情况．在没有侧壁的情况下，发现当倾角为15°～20°时，火焰蔓延速率发生了突然变化，出现急剧增加的现象．Dold等[5]研究了坡度对野火“爆发蔓延”的影响，发现在火焰前方的植被表面和地面处存在着流动附着，并发现这种流动附着与爆发性火灾增长的发生和发展之间存在明显的相关性．与流动附着相关联的气流不需要与环境风的变化有任何联系，它们可以完全由火焰本身产生，标志着火灾从具有稳定蔓延速度的状态向加速蔓延状态的转变．Gollner等[7-8]研究了PMMA板在不同倾角下的火焰蔓延和燃烧速率，发现下游热流和火焰蔓延速率在约30°时显著增加．Morandini等[4]使用粒子图像测速技术观察火焰向上蔓延的流体动力学效应．发现随着坡度的增加，火焰前锋的局部气流会发生逆转，同时随着坡度的增加，火焰附着在下游斜坡上，同斜坡之间存在显著的对流传热．

以上的研究多集中在斜坡上固体燃料的燃烧，然而利用固体燃料进行实验时，火焰在传播过程中一直处于不稳定的燃烧状态，导致火焰内部结构复杂，无法获得一些较为稳定的数据以及对火焰的燃烧行为进行定量研究．为了简化这个问题，许多研究人员使用气体燃烧器模拟火源，获得处于稳定燃烧状态的火焰，对稳定的火焰图像进行拍摄处理得到火焰形态的相关数据，并对火焰下游的中心线表面温度、热流分布等参数进行测量，以进一步了解气相火焰和斜坡之间的相互作用[9-18]．Wu等[11]使用气体燃烧器进行实验，利用绝热和等温材料分别作为斜坡表面，实验中发现随着斜坡角度的增加，羽流形状从垂直状态变为倾斜状态且火焰附着于斜坡表面，并且火焰贴地长度在斜坡角度大于24°之后出现快速增长的现象，并将这个角度定义为临界角度．Zhang等[10]利用丙烷作为燃料研究了斜坡上的火焰形态及下游热流分布，借助粒子图像测速系统(PIV)和红外摄像机对实验过程中火焰周围流场以及火焰温度分布进行了研究，同样发现当斜坡角度从15°增加到20°的时候火焰贴地长度急剧增加，并且结合火焰周围流场分布发现，当斜坡角度从15°增加到20°的时候，火焰上游的速度远大于火焰下游的速度，由两侧速度差引起的涡流沿着火焰边缘周期性向上运动，推动火焰附着于斜坡下游表面．Ju等[9]对斜坡火焰贴地长度及热流分布进行了研究，首先利用热释放速率对火焰的贴地长度进行分析量化，然后再利用火焰贴地长度对下游距离进行无量纲化，最终得到无量纲的热流与下游距离之间的关系．Ren等[17]则利用倾斜实验台开展了热释放速率为81kW至2.25MW的大规模火灾实验，并对火焰贴地长度、中心线温度分布及下游气流速度进行了测量．Bi等[18]则研究了环境风对斜坡燃烧行为的影响，研究发现火焰倾角随着环境风速的增大而增大，火焰长度随着环境风速的增大先增大后减小；随着环境风速和斜坡角度的增大，火焰高度减小，火焰贴地长度增加．

综上所述，前人对于斜坡上火灾燃烧行为的研究多使用单一形状的火源，现阶段仍然缺乏关于不同燃烧器形状的坡面火焰贴地行为研究．考虑到实际火灾场景中，火源通常呈现不同的长宽比．因此，本文选用了不同长宽比的矩形气体燃烧器，改变斜坡倾斜角度及热释放速率，研究了火焰贴地长度的变化规律，并提出适用不同长宽比火源的火焰贴地长度预测模型．

1 实验设计

图1为实验装置示意，本实验所使用的可变角度实验台通过电机控制伸缩杆长度来改变斜坡倾斜角度，所选取的角度为0°、10°、20°、30°、40°及50°这6个角度．本文共使用了4个不同长宽比的矩形扩散燃烧器，尺寸分别为8cm×8cm、11.2cm×5.6cm、16cm×4cm、19.8cm×3.3cm，对应的长宽比为1、2、4、6，燃烧器与斜坡固定在一起，并且保证出口与斜坡表面在同一平面上．选取丙烷气体作为燃料，利用质量流量计来控制燃料流量，假设燃烧充分[19]，火源的热释放速率取为12.3kW、18.5kW和24.6kW，具体工况设置如表1所示，每个工况重复实验3次以确保数据准确，并取3次实验的平均值用以后续的数据处理和分析．

图1 实验装置

在实验台的侧面放置一台数码相机(DV)对实验过程中的火焰图像进行拍摄，拍摄的速度设置为25帧/s，分辨率为1920×1080．实验过程中针对每一个工况稳定燃烧阶段的火焰进行时长为60s的拍摄．在调整斜坡角度时，会对相机也进行相应的调整，确保能够拍摄到完整的火焰图像．在对火焰图像的分析中，每一个工况取40s视频(即1000帧的火焰图像)进行平均化分析处理．原始的火焰图像首先经过MATLAB程序被转换为灰度图，然后利用Otsu[20]的方法得到二值图，然后将对应工况下的所有图像统计每个像素点火焰出现的概率便得到了火焰的出现概率分布图，最后用Tecplot软件读取火焰出现概率分布云图，如图2所示，本文取火焰概率云图中分布概率为0.5对应的火焰所对应的形态数据进行后续的分析处理[19,21]，火焰贴地长度a定义为燃烧器下游边缘到火焰抬升的位置．

表1 实验工况

Tab.1 Experimental conditions

图2 火焰附着长度定义

利用瑞利数确定本文所涉及工况的流动状态，根据前人的研究[22]，瑞利数定义为

2 结果与分析

2.1 火焰贴地变化规律

图3为燃烧器长宽比为4、热释放速率为12.3kW时不同斜坡角度下的火焰图像．从图中可以看出，随着斜坡角度的增加，火焰由原来竖直向上的状态转变为往右倾斜的状态并逐渐附着于斜坡表面，并且在斜坡角度增加到40～50°的时候完全附着．这是由于随着斜坡角度增加，火焰下游位置空间变小，导致空气卷吸受限．因此左侧的空气卷吸强于右侧，由于两侧空气卷吸不对称而产生的压力差会推动火焰向右倾斜并附着于斜坡表面．

图4为斜坡角度为40°、热释放速率为12.3kW时不同长宽比下的典型火焰图像．从图中可以观察到随着长宽比从1增加到6，火焰的附着现象越来越明显，这是因为长宽比较小时，如方形燃烧器，此时火焰可以从四周卷吸空气，当火焰下游区域卷吸受限时，火焰可以从燃烧器另外３边的方向卷吸空气，火焰燃烧相对充分，此时上下游因为空气卷吸不同而产生的压力差便相对较小；而燃烧器长宽比较大时，火源基部宽度小，火焰主要从两个长边(即燃烧器上下游)对应的区域卷吸空气，此时因为火焰下游一侧离坡面更近，卷吸受限作用相较于方形燃烧器火焰更强，此时因为空气卷吸不对称导致的压力差更大，因此长宽比较大的燃烧器对应工况的火焰更容易附着于斜坡，贴地长度也更大．

图4 斜坡角度为40°、热释放速率为12.3kW时不同燃烧器长宽比下的火焰图像

图5为不同斜坡角度、热释放速率以及燃烧器长宽比下的火焰贴地长度数据，从图中可以观察到贴地长度随着斜坡角度、燃烧器长宽比以及热释放速率的增加而增大．并且通过计算发现，对于相同的角度和火源热释放速率，当长宽比从1增加到6时，火焰贴地长度增幅范围在65%～105%．

（a）热释放速率为12.3kW

（b）热释放速率为18.5kW

（c）热释放速率为24.6kW

图5 不同斜坡角度、燃烧器长宽比及热释放速率下的火焰贴地长度

Fig.5 Flame attachment length at different slope angles，burner aspect ratios and heat release rates

2.2 火焰贴地长度模型

首先将每一个燃烧器对应的贴地长度利用公式(1)进行拟合，结果如图6所示，可见对于4个燃烧器对应的贴地长度，拟合效果都较好，每个燃烧器对应的拟合公式如下：

从以上的拟合结果可以观察到燃烧器长宽比对火焰贴地长度的影响，即随着长宽比从1增加到6，拟合曲线的斜率由1.44增加到2.32．这意味着随着长宽比增大，火焰贴地长度增加速率变快．可见长宽比越大，对火焰贴地长度影响越明显，这是因为线性比较大时，火焰侧面卷吸强度弱，火焰主要从上、下游两侧卷吸空气，导致上、下游不对称诱导的压力差增加，火焰更加容易附着于斜坡表面．

（a）＝1

（b）＝2

（c）＝4

（d）＝6

图6 不同燃烧器的火焰贴地长度拟合结果

Fig.6 Fitting results of flame attachment length for dif-ferent burners

对于普通浮力矩形池火，随着线性比增大，火焰卷吸行为逐渐由三维转变为二维[27]，即沿火焰短边的卷吸几乎可以忽略不计．Rangwala等[29]发现对于小尺度(火焰高度在0.15～0.25m)的三维层流火焰，燃料的侧面扩散会影响火焰长度；而对于中大尺度的三维湍流火焰，相较于燃料扩散效应，火焰侧面的空气卷吸占主导作用．Ren等[17]在其研究中指出，对于倾斜角度较小的斜坡扩散火焰，火焰更加三维化，火焰侧面空气卷吸效应显著，这可能会减弱火焰上下游的空气卷吸，导致上下游空气卷吸差产生的压力差减小，进而减弱火焰附着行为．

图7 火焰贴地长度模型

3 结 论

(1)实验结果表明，随着斜坡角度、热释放速率、燃烧器长宽比的增加，火焰贴地长度呈现递增的趋势．对于相同的角度和火源热释放速率，当长宽比从1增加到6时，火焰贴地长度增幅范围在65%～105%之间．

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Flame Attachment Length of Rectangular Fire Sources with Different Aspect Ratios Under Slope Conditions

Li Quan，Chen Yuhang，Miao Yanli，Hu Longhua

(State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China)

In this paper，a series of combustion experiments were carried out by changing the slope angle (10°—50°)，heat release rate(12.3—24.6kW) and burner aspect ratio (1—6) using a variable angle test bench，and the evolution law of flame attachment length with these three factors was studied. The results showed that the flame attachment length increases with the increase of slope angle，fire heat release rate and burner aspect ratio. With the increased aspect ratio，the increment range of flame attachment length was about 65%—105% at a given slope angle and heat release rate. Based on the analysis of the physical mechanism of slope-induced pressure difference and fire plume buoyancy，and considering the effect of burner aspect ratio on flame entrainment behavior，a dimensionless flame attachment length prediction model was proposed.

slope fire；rectangular fire source with different aspect ratios；flame attachment length；air entrainment；heat release rate

X913.4

A

1006-8740(2024)01-0075-07

2022-09-16．

国家自然科学基金重点国际合作研究资助项目(52020105008)；国家自然科学基金青年科学基金资助项目(52306171).

李 权(1997— )，男，硕士研究生，lq1997@mail.ustc.edu.cn.

胡隆华，男，博士，研究员，hlh@ustc.edu.cn.

(责任编辑：隋韶颖)