（安全技术及工程专业论文）火旋风环境下飞火颗粒的运动行为研究.pdf

u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n a ad i s s e r t a t i o nf o r s t u d y o n in a nd m a s t e r sd e g r e e m o t i o no ff i r e b r a n d s ou to ffir ew hir l s a u t h o r sn a m e ：x i n w a n g s p e c i a l i t y ： s a f e t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g 一 一 s u p e r v i s o r ：p r o f j i a n j u nz h o u a s s o c i a t ep r o f h a i x i a n gc h e n f i n i s h e dt i m e ： m a y 2 011 3 川59809iiii_啪y 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有 关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 签字日期： 王新 沙1 1 口s 9 3 7 钾彻硼 摘要 摘要 在森林火灾中，火旋风现象一旦发生，能够卷吸提升燃烧的可燃物颗粒， 形成远距离飞火现象，导致火势加速跳跃式蔓延，增加扑救难度，威胁扑救人员 的安全。认识飞火颗粒在火旋风环境中的产生机理及运动规律对认识远距离飞火 现象、评估飞火最远传播距离至关重要。目前对于飞火的研究主要集中在短距离 飞火，对于火旋风引发的远距离飞火研究甚少。基于火旋风流场研究成果及其相 关实验，本文重点对以下四个方面进行研究： 1 火旋风环境下飞火颗粒的产生机理 火旋风过程中强烈的螺旋式上升运动使得燃烧更加剧烈，燃烧速度更快，温 度更高，加速了火灾的蔓延扩展速度。而且在旋转的气流柱中，往往卷挟起大量 的燃烧屑块和余烬，形成飞火现象，散布到主要火区以外很远的地方，形成新的 火源。因此研究飞火颗粒在火旋风中的产生机理对于研究飞火现象至关重要。本 文通过定性和定量实验分析，揭示了火旋风环境下飞火颗粒的产生机理，即火旋 风主要通过底部边界层将飞火颗粒卷吸进入火旋风，并通过其自身的拖拽力使飞 火颗粒上升。 2 飞火颗粒在火旋风流场中的上升行为 飞火颗粒在火旋风流场中的上升行为直接决定飞火颗粒最大上升高度，从而 影响飞火颗粒的蔓延距离，评估飞火最远传播距离首先要研究飞火颗粒在火旋风 中的上升行为。本文将火旋风流场分为火焰区和羽流区重点研究了球形飞火颗 粒在火焰区和羽流区的上升运动规律，提出了飞火颗粒在火旋风流场中能够上升 的临界条件，并提出了飞火颗粒在竖直方向上升轨迹的计算模型。研究结果将有 助于对远距离飞火现象的认识和防控。 3 飞火颗粒在火旋风火焰区的运动轨迹研究 对于火旋风流场，可以像油池火一样分为火焰区和羽流区。在火焰区轴向速 度是随高度不断增大的，而在羽流区，轴向速度是不断衰减的，因此连续火焰区 是整个火旋风流场的核心区域，研究火焰区对着火颗粒在火旋风火焰区中的运动 行为的影响是非常重要的，本文采用数值模拟的方法，将火焰区简化为b u r g e r s 涡流场，主要研究着火颗粒在火旋风火焰区中的运动轨迹。 4 飞火蔓延距离计算方法研究 飞火可以使火灾在相距较远的离散可燃物之间进行跳跃式蔓延，加快了火灾 蔓延速度，因此，对飞火蔓延现象的认识和飞火蔓延距离的计算是降低飞火危险 性的前提。基于火旋风羽流中心线速度模型，本文重点研究球形飞火颗粒在环境 风影响下颗粒的蔓延过程，给出了计算飞火蔓延距离的方法和飞火颗粒在火焰羽 i 因素对飞火蔓延 粒在火旋风中的 播距离提供了可 a b s t r a c t a b s t r a c t i nf o r e s tf i r e s ，f i r ew h i r lc a l lc a r r yf i r e b r a n d sa l o f tt og e n e r a t el o n g d i s t a n c e s p o t t i n gf i r e ，w h i c ha c c e l e r a t e sf i r es p r e a dr a t e ，i m p e n d sf i r ec o n t r o l l i n ga n dt h r e a t e n s f i r e f i g h t e r s s a f e t y s os t u d y i n gt h em o t i o no ff i r e b r a n d so r i g i n a t e df r o mf i r ew h i r li s i m p o r t a n tf o ru n d e r s t a n d i n gl o n g d i s t a n c es p o t t i n gf i r ea n dp r e d i c t i n gt h em a x i m u m s p o t t i n gd i s t a n c e t h er e s e a r c h e sa v a i l a b l ef o rf i r e b r a n d sm a i n l yf o c u so nt h es h o r t s h o r t - d i s t a n c es p o t t i n gf i r e ，a n dt h e r ei so b v i o u s l yl a c ko fl o n g d i s t a n c es p o t t i n gf i r e i n v e s t i g a t i o n s b a s e do nr e s e a r c hr e s u l t so ff i r ew h i r ls t r u c t u r e ，t h i sw o r ki sc a r r i e d o u tt oi n v e s t i g a t et h el o n g d i s t a n c es p o t t i n gf i r eg e n e r a t e db yf i r ew h i r l ，i n c l u d i n g t h ef o l l o w i n gf o u rp a r t s ： 1 1 1 1 em e c h a n i s mo ff i r e b r a n d so r i g i n a t e df r o mf i r ew h i r l 。n l es w i r l i n gu p l i f tv e l o c i t ye x i s t i n gi n f i r ew h i r lc a nm a k ec o m b u s t i o nm o r e i n t e n s ea n df a s t ，t h et e m p e r a t u r em o r eh i 曲，a n di tw i l la c c e l e r a t e sf i r es p r e a dr a t e i i l t h em e a n t i m e ，f i r ew h i r lp i c k su pl a r g eb u r n i n gd e b r i sa n de m b e r st og e n e r a t es p o t t i n g f i r e ，w h i c hw i l lb es c a t t e r e do v e raw i d ea r e aa n dg e n e r a t en e wi g n i t i o n s s os t u d y i n g t h em e c h a n i s mo ff i r e b r a n d so r i g i n a t e df r o mf i ew h i r li si m p o r t a n tf o ru n d e r s t a n d i n g l o n g - d i s t a n c es p o t t i n gf i e b a s e do nq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ee x p e r i m e n t s ，t h i s w o r kr e v e a l st h em e c h a n i s mo ff i e b r a n d so r i g i n a t e df r o mf i r ew h i r l ：f i r e b r a n d sa r e e n t r a i n e di nt h eb o u n d a r yl a y e ro ff i r ew h i r l ，a n dt h e yc a nl o f tb yt h ed r a gf o r c eo ff i e w h i r l 2 f i r e b r a n d sl o f t i n gi nf i r ew h i r l i nt h i sw o r k , f i r ew h i r li sd i v i d e di n t ot w od i s t i n c tr e g i o n s ：f l a m ea n dp l u m e r e g i o n s t h eb e h a v i o r o ff i r e b r a n dl o f t i n gi nt h e s er e g i o n si s s t u d i e da n gh e n c e t h ec r i t i c a lc o n d i t i o no ff i r e b r a n d s l o f t i n g i nf i r ew h i r li s p r o p o s e d t h e n a m a t h e m a t i c a lm o d e lt o p r e d i c tt h el o f t i n gm o v e m e n to ff i r e b r a n d si nf i r ew h i r li s p r e s e n t e d t l l i sr e s e a r c hw i l lb eh e l p f u lt ou n d e r s t a n da n dc o n t r o lt h el o n g d i s t a n c e s p o t t i n gf i r ep h e n o m e n o n 3 t r a j e c t o r yo ff i r e b r a n d si nt h er e g i o no ff l a m e n 坨f i r ep l u m eo ff i r ew h i r li n v o l v e st w od i s t i n c tr e g i o n sl i k eg e n e r a lp o o lf i r e s ： f l a m ea n dp l u m e i nt h er e g i o no ff l a m e ，t h ec e n t c r l i n ev e l o c i t yi n c r e a s e sm t ht h e h e i g h t ；i nr e g i o no fp l u m e ，t h ep l u m ev e l o c i t yd e c a y s 埘t ht h eh e i g h t s t u d y i n g m o t i o no ff i r e b r a n d si nt h er e g i o no ff l a m ei si m p o r t a n t i nt h i sw o r k ，w ea n a l y z et h e t r a j e c t o r yo ff i r e b r a n d si nt h ef l a m eo faf i r ew h i r l ( t h eb u r g e r sv o r t e x ) u s i n g h i n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 4 t h ep r o p a g a t i o nd i s t a n c eo ff i r e b r a n d s f i r e b r a n d sc a l ls t a r tn e w i g n i t i o n sb e y o n dt h ec o n t i n u o u sf i r ez o n ea 1 1 dl e a dt o f i r es p r e a d i n gi nan o n c o n t i n u o u sw a y u n d e r s t a n d i n gt h ep r o p a g a t i o nd i s t a n c eo f f i r e b r a n d si st h ep r e m i s ef o rr e d u c i n gt h er i s ko f s p o t t i n gf i r e b a s e do nt h ec e n t e r l i n e v e l o c i t yo ff i r ew h i r l ，t h i sw o r ki sa i le f f o r tt os t u d yf i r e b r a n d st r a n s p o r t i n gi na m b i e n t w i n d i nt h i sw o r k ，o n em o d e lf o rp r e d i c t i n gt h em a x i m u mp r o p a g a t i o nd i s t a n c eo f f i r e b r a n d si sp r o p o s e d i nt h em e a n t i m e ，t h er a n g eo ff i r e b r a n dd i a m e t e r sa 1 1 dt h e f a c t o r sa f f e c t i n gt h i sd i s t a n c e ，s u c ha sw i n ds p e e da n df i r e b r a n dc o m b u s t i o np r o c e s s , a r ea n a l y z e d b ya b o v ea n a l y t i c a la n de x p e r i m e n t a lw o r k , t h em o t i o no ff i r e b r a n d si na 1 1 do u t o ff i r ew h i r l si sr e v e a l e d ，w h i c hp r o v i d e sab e t t e rw a yt ou n d e r s t a n dl o n g d i s t a n c e s p o t t i n gf i r e ，a sw e l la sal o g i c a lb a s i sf o rp r e d i c t i n gt h em a x i m u m s p o r i n gd i s t a n c e k e yw o r d s ：f i r e b r a n d ，f i r ew h i r l ，b o u n d a r yl a y e r , l o f t i n g ，p r o p a g a t i o nd i s t a n c e i v 符号表 ，钾 巧 符号表 颗粒质量 颗粒速度 拖拽力 流场速度 雷诺数 阻力系数 空气密度 颗粒的密度 颗粒的直径 颗粒初始直径 颗粒截面积 产生火旋风的油盘直径 竖直方向的高度 无量纲高度 热释放速率 火旋风环量 b u r g e r s 涡轴向流速度的系数 流场初始速度 火旋风火焰高度 羽流区轴向流速度的系数 燃料质量扩散数 空气的热扩散率 v 一乃 一_ 融 乃 乃 氐 4 d z z q r 口 日 6 召 口 耻f v f 丸。 l c p s k 屹 q 口r a p 。 q p z 气瞰 k f t 锄i n d x p 乩 t p 空气的动力粘性系数 空气的运动粘性系数 颗粒最大直径 空气温度 空气比热温度 涡流数 流场的径向速度 流场的切向速度 流场的竖直方向速度 颗粒的径向加速度 颗粒的切向加速度 颗粒竖直方向加速度 颗粒的径向速度 颗粒的切向速度 颗粒的竖直方向速度 颗粒最大上升高度 颗粒初始高度 颗粒的沉降速度 燃尽时间 飞火蔓延距离 环境风速 飞火蔓延时间 v i 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 研究现状4 1 3 本文研究目标和内容6 1 4 研究思路6 1 5 章节安排7 第2 章火旋风中飞火颗粒的产生机理1 0 2 1 引言10 2 2 火旋风的形成机理1 0 2 3 火旋风的物理特性。1 1 2 4 实验室产生火旋风的方法1 3 2 5 火旋风中飞火颗粒的产生机理1 5 2 6 火旋风边界层的实验研究18 2 6 1 火旋风模拟实验台的基本结构18 2 6 2 测量系统。19 2 6 3 实验工况2 1 2 6 4 实验结果2 1 2 7 本章小结3 0 第3 章飞火颗粒在火旋风环境中上升行为研究3 3 3 1 引言3 3 3 2 飞火颗粒在火旋风中上升行为研究3 4 3 2 1 飞火颗粒的运动方程3 4 3 2 2 火旋风流场结构3 6 3 2 3 飞火颗粒燃烧模型3 8 3 3 模型的分析与计算3 9 3 3 1 飞火颗粒在火旋风中心线中能够上升的条件3 9 3 3 2 飞火颗粒上升过程数值模拟4 1 v i t 目录 3 3 3 不燃烧颗粒与燃烧颗粒上升过程的比较。j 4 8 3 4 与普通油池火的对比4 9 3 4 1 羽流模型5 0 3 4 2 颗粒的运动模型5 1 3 5 本章小结5 4 第4 章飞火颗粒在火旋风火焰区的运动轨迹研究5 6 4 1 火旋风的流场结构一5 6 4 2 运动方程及其燃烧模型的选取5 8 4 ：2 1 颗粒运动控制方程5 8 4 2 2 颗粒的燃烧模型【8 t4 2 1 5 9 4 3 模型的分析与计算6 0 4 3 1 定性分析颗粒能够上升需要的条件6 0 4 3 2 模型数值计算方法6 2 4 3 3 模型数值计算结果6 4 4 。3 4 计算结果分析6 6 4 4 本章小结6 6 第5 章飞火蔓延距离计算方法研究6 9 5 1 引言。6 9 5 2 飞火蔓延过程分析6 9 5 3 飞火颗粒运动动力学7 0 5 3 1 飞火颗粒在火旋风流场中的上升过程71 5 3 2 飞火颗粒在外部流场中的运动过程7 2 5 4 飞火颗粒燃烧对飞火传播过程的影响7 4 5 5 飞火颗粒在b m 羽流下的蔓延距离7 5 5 5 1 飞火颗粒在b m 羽流中的上升过程7 5 5 5 2 飞火颗粒在外部流场中的运动过程。7 6 5 6 本章小结7 7 第6 章结论与展望。7 9 6 1 本文主要结论7 9 6 2 论文创新点7 9 h 目录 6 3 进步工作展望8 0 参考文献81 致谢8 5 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果8 8 i x 目录 x 插图 插图 图1 1 短距离飞火( 左) 与远距离飞火( 右) 示意图。l 图1 2 某森林火灾飞火现场图( 来自勃啤轲) 2 图i 3 飞火蔓延过程示意图3 图2 1 火旋风的结构示意图1 2 图2 2 油池火与火旋风对比图- 。1 2 图2 3e m n o n s & y i n g 的火旋风产生装置结构l3 图2 4k o h y us a t o h 和k w a n g - t z uy a n g 模型1 4 图2 5 火墙式火旋风模型结构图1 4 图2 6 火阵列诱发火旋风l5 图2 7 火旋风盛期观察到的飞火颗粒1 6 图2 8 火旋风衰减期观察到的飞火颗粒17 图2 9 旋转羽流期观察到的飞火颗粒1 7 图2 1 0 火旋风实验台本体机构图。l8 图2 1 1 皮托管测速原理1 9 图2 1 2 测量点分布图2 0 图2 1 3 距离油盘中心2 5 c m 处，不同高度的径向速度随时间的变化关系图2 2 图2 1 4 油盘平均径向速度高度的曲线图2 3 图2 1 5 最大径向速度及相应高度随油盘中心距离的变化2 3 图2 1 6 距离油盘边缘高度l c m 处，不同径向位置径向速度随时间的变化2 4 图2 1 7 距离油盘边缘高度3 e r a 处。不同径向位置径向速度随时间的变化2 4 图2 1 8 平均径向速度随油盘中心距离的变化2 5 图2 1 9 距离油盘中心2 5 e m 时，不同高度处火旋风的切向速度随时间的变化2 6 图2 2 0 距离油盘中心3 5 c m 时，不同高度处火旋风的切向速度随时间的变化2 6 图2 2 l 平均切向速度一高度的变化曲线图2 6 图2 2 2 距离油盘边缘l c m 高度处，不同径向位置处火旋风切向速度随时间的变化规律 ：1 7 图2 2 3 距离油盘边缘3 c m 高度处，不同径向位置处火旋风切向速度随时间的变化规律 2 7 图2 2 4 距离油盘边缘2 1 e m 高度处，不同径向位置处火旋风切向速度随时间的变化规律 x i 插图 ：8 图2 2 5 火旋风平均切向速度随油盘中心距离的变化趋势图2 8 图2 2 6 直径2 0 c m 油盘燃料的质量变化率2 9 图2 2 7 直径3 0 c m 油盘燃料的质量变化率2 9 图2 2 8 直径4 0 c m 油盘燃料的质量变化率3 0 图3 1 飞火颗粒受力图3 4 图3 2 火旋风流场结构示意图3 7 图3 3 火旋风轴向速度与高度关系图3 8 图3 4 不同直径颗粒的直径随燃烧时间的变化3 9 图3 5 飞火颗粒临界直径与颗粒产生位置高度的关系图。4 0 图3 6 不燃烧颗粒上升高度与时间的关系图4 2 图3 7 不燃烧颗粒上升高度与颗粒竖直速度的关系图4 2 图3 8 不同直径的不燃烧颗粒上升高度与时间的关系图4 3 图3 9 不同直径的不燃烧颗粒上升高度与速度的关系图4 3 图3 1 0 不同密度的不燃烧颗粒上升高度与时间的关系图4 4 图3 1 1 不同直径的不燃烧颗粒上升高度与速度的关系图4 5 图3 1 2 飞火颗粒上升高度与时间的关系图。4 6 图3 1 3 飞火颗粒上升高度与颗粒竖直速度的关系图。4 7 图3 1 4 不同直径( 右) ，不同密度( 左) 的燃烧颗粒上升高度与时间的关系图4 7 图3 1 5 不同直径( 右) ，不同密度( 左) 的燃烧颗粒上升高度与速度的关系图4 8 图3 1 6 飞火颗粒上升高度与时间的关系图4 9 图3 1 7 飞火颗粒上升高度与颗粒竖直速度的关系图4 9 图3 1 8b a u m - - m c c a f f r e y 火焰羽流流场结构示意图5 0 图3 1 9 圣：4 3 7 0 8 k w 时，火羽流中心线速度随高度的变化关系5 l u 图3 2 0 不燃烧颗粒在火旋风及b m 火焰羽流中上升高度与时间的关系图5 2 图3 2 1 燃烧颗粒在b m 火焰羽流及火旋风中上升高度与时间的关系图5 3 图3 2 2 不燃烧颗粒在b - m 火焰羽流及火旋风中上升高度与颗粒竖直速度的关系图5 3 图4 1 不同涡流数火旋风的切向速度刚5 7 图4 2 着火颗粒轨迹图6 4 图4 3 着火颗粒轨迹水平投影图6 5 图4 4 飞火颗粒竖直速度随时间变化6 5 x i l 插图 图4 5 飞火颗粒径向和切向速度随时间变化6 6 图5 1 飞火蔓延过程示意图7 0 图5 2 飞火颗粒的传播距离与风速的关系7 4 图5 3 相同尺度b m 火焰和火旋风产生的飞火颗粒传播距离与风速的关系7 7 x 表格 表格 表2 1 实验工况列表21 表2 2 不同油盘直径拖拽力3 0 表3 1b a u m m e c a f f r e y 火焰羽流模型中心线速度值5 1 x v i 第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 高强度火灾发生时，未燃尽的细小可燃物颗粒( 如树皮、树枝等屑块) 可能 会被强烈的上升热羽流卷起，并受外界风驱动在主要火灾范围以外引发新的火 源。这种火灾传播形式一般称为飞火。 在森林火灾中，飞火漂移的距离可以达到几十米到数百米，甚至数千米或更 远。飞火将未燃尽的可燃物携带的能量传播到火前锋的前方，有人把它看成是第 四种热量传递的方式。飞火使火灾以跳跃的方式加速蔓延，使得实际火焰传播 速度常常大于经验预测的林火蔓延速度，给扑救决策造成困难，给消防员的安全 造成威胁。一般认为，对流火羽流产生短距离飞火，而火旋风产生远距离飞火咖 ( 如图1 1 ) 。火旋风是一种特殊的火现象，其螺旋式的强烈上升运动能卷挟起 大量的燃烧屑块散布到火源以外很远的地方，从而形成新的火源。火旋风能够加 大飞火颗粒的上升高度，导致飞火传播的距离增大，较之短距离飞火，火旋风产 生的飞火所引发的危害更大，是造成重大森林火灾损失的原因之一【3 】。 图1 1 短距离飞火( 左) 与远距离飞火( 右) 示意图 在各国森林火灾史记录上飞火现象是经常出现的。1 9 9 6 2 0 0 2 年美国俄克 拉荷马州共进行了9 9 场计划火烧，其中有2 1 次产生飞火现象。统计表明，当空 气相对湿度低于4 0 时地表可燃物很容易被飞火点燃且火势迅速蔓延。我国大 兴安岭1 9 8 7 年特大森林火灾中，也曾出现过飞火现象h 1 。如在大兴安岭盘中和 马林两林场，地形类似，林场类似，林场北面是1 0 0 米宽的河流，河西有公路， 路西一排高山。当两林场着火后，火从西山飞过2 - 3 千米直奔居民区，而当时山 坡河谷的林木并无着火，这正是飞火所致。 第1 章绪论 最近几十年，在发达国家，由于人们向郊区和植被密集区迁徙，形成了建筑 与植被混合分布的大面积城市森林交界域( w u i ，w ii d l a n d u r b a ni n t e r f a c e ) 。 在城市森林交界域中，建筑物一般与周围植被有一定空间距离，一旦发生森林火 灾，沿着地表植被蔓延的火焰直接引燃建筑物的可能性不大，火焰热辐射和飞火 是引燃建筑物的两种主要方式睛3 。统计表明：交界域中房屋被引燃的原因1 0 是 由于火焰辐射，9 0 是由于飞火，飞火飞行距离最远到达2 9 k m 醢1 。飞火成为建筑 物火灾安全的重大威胁。美国南加州由于交界域面积广阔，加上自然原因( 大风 和高热天气。“圣安娜”强风每年1 0 月至次年2 月在加州出现，其时速超过1 1 3 公里) ，几乎每年都发生火灾1 。飞火成为这些火灾蔓延的主要方式。其他国家 如澳大利亚的交界域火灾中飞火的危害也极为严重口1 。 图1 2 某森林火灾飞火现场图( 来自崭糊 飞火现象不仅出现在森林火灾中，还出现在城市火灾中。当建筑物着火后， 一些可燃物也可能被大风吹至远处引燃其他建筑物，造成火灾在离散的建筑物之 间蔓延。在1 9 2 3 年东京地震震后火灾中火旋风和大风卷起大量燃烧的物体，大 风携带飞火越过2 0 0 m 宽的水域，点燃了一个原本没有发生火灾的小岛上的建筑 物砼1 。在1 8 7 1 年芝加哥大火中，对流柱卷起大量燃烧物体，风驱使飞火越过芝 加哥河点燃对岸建筑的屋顶。调查表明，飞火是这场损毁三分之一城市的大火的 主要蔓延机理。飞火导致火灾蔓延的一个典型例子是1 9 9 7 年发生在美国g r a n d f o r k 城市的火灾。那年，该城市被洪水淹没，高层建筑物被洪水分隔。洪水导 致一栋大楼电器故障引发火灾。燃烧产生的未燃尽物体随风运动，点燃了附近的 建筑，导致1 1 栋建筑焚毁哺1 。 在城市大尺度火灾中，地震次生火灾是一种重要的类型。地震之后，城市中 可能出现多处起火点，加上通讯、供水等生命线系统遭到一定程度的破坏、消防 能力大大削弱等不利条件，火势就可能在城市中大规模蔓延，出现灾难性城市特 大火灾。已有研究表明，地震次生火灾的蔓延方式有四种：火焰的直接接触、热 2 第l 章绪论 辐射蔓延、热烟气羽流蔓延和飞火蔓延魄埘。在大风天气下，热烟气羽流蔓延和 飞火蔓延占主要地位。在1 9 2 3 年日本关东大地震后，引发了火旋风，造成了巨 大的人员和财产损失，而飞火是东京城市火灾快速蔓延的重要方式之一乜1 。 图1 3 飞火蔓延过程示意图 飞火现象是火灾蔓延的一种很重要的方式。火行为愈猛烈，产生的飞火数量 愈多，燃烧着物质所携带能量愈多，传播的距离愈远。大气条件可能会加大火强 度，比如在高风速和干燥的条件下，飞火传播的距离愈远。另外，地形条件，树 木的种类，可燃物的含水量等因素都会对飞火的形成产生重要影响，因此，飞火 的形成过程是非常复杂的叩1 。迄今对飞火现象还没有很好的了解。通常，飞火现 象的形成一般分为三个连续的过程：飞火产生、传输和点燃其落地处的可燃物。 下面分别叙述飞火形成的三个过程。 1 飞火的生成 所有高能量火灾都能产生飞火。强大的对流柱，是形成飞火的良好条件。如 果对流柱倾斜，被对流气流卷扬起来的燃烧物，在风力和重力的作用下，就会产生 飞火。常见的飞火颗粒的形状分为：球形，圆柱形，和碟形等。单树在自然燃烧 状态下产生的可燃物颗粒主要是特征尺寸约l - - - lo c m 的圆柱形细枝n 2 3 1 。然而， 可燃物颗粒产生过程往往与树冠火和火旋风等特殊火行为耦合在一起，这些特殊 火行为的复杂性，给飞火的研究带来了一定难度。 2 飞火的传输 飞火的传输过程包括燃烧的屑块在火焰或火羽流中的上升过程和随后的降 落过程( 如图1 3 ) 。它直接决定飞火颗粒的迁移距离和落地时的燃烧状态，影 响其点燃落地处可燃物的能力。因此，传输过程是当前飞火科学研究的重点。在 传输过程中，颗粒的燃烧规律和飞越距离与周围风场密切相关。颗粒燃烧规律影 响颗粒本身的形状和质量从而影响颗粒在风场的动力学行为。另外，卷挟飞火颗 粒的火焰或火羽流类型对飞火传播距离也有较大影响。因此研究飞火的动力学模 型、火焰的流场结构和飞火颗粒的燃烧模型对整个飞火现象的研究起了非常重要 3 第l 章绪论 的作用 3 飞火点燃落地处的植被 燃烧着的飞火颗粒落地时是否具备点燃落地处可燃物的能力对是否形成飞 火现象至关重要。实验表明，颗粒的数量、大小、空气流动状态、植被含水率等 参数影响点燃成功率。深入理解飞火点燃行为，需要严格考虑颗粒燃烧状态以及 颗粒与植被及环境之间的传热传质过程。 1 2 研究现状 由于飞火现象的形成过程非常复杂，与地形条件，树木的种类，可燃物的含 水量等因素都有着密切的关系，因此对于飞火的研究工作并不系统。 t a r i f a u 引( 1 9 6 5 年) 的工作是飞火研究的开山之作，他们在风洞中研究了 球形和圆柱形木质颗粒的燃烧和运动行为，提出了燃烧过程中颗粒半径、密度 随各种变量变化的t a r i f a 经验模型，并采用简单的垂直火羽流模型( 无风环境 下的火羽流) 和倾斜热对流柱模型( 有风环境下的火羽流) ，估算了飞火颗粒的 最远飞行距离和燃烧时间。他开创了之后被广泛采用的飞火研究路线：首先进 行飞火实验，然后基于实验发展经验模型，最后利用各种成熟的火羽流模型计 算特定火灾环境中的飞火运动轨迹，预测飞火最远传播距离。 a l b i n i n 5 1 ( 1 9 8 3 年) 发展了燃烧树木产生的飞火的最远输运距离的模型，稍 后这个模型扩展到从线性热源( 如风驱动的地表火) 产生的飞火。这种模型已经 被b e h a v e 和f a r s i t e 软件采用。他提出：由于火强度随时在变化，从而引起了 浮力场的波动；火强度的改变引起对流烟柱角度发生倾斜，热流输送了飞火颗粒， 飞火颗粒抬升的最大高度与热流强度有关。同时，a l b i n i 进行了大量实验，得 出了不同木材的燃烧模型及不同几何形状飞火颗粒的拖拽力系数。 w o y c h e e s ea n dp a g n i n 引( 2 0 0 1 年) 使用b a u m m c c a f f r e y 羽流模型模拟了 球形和碟性颗粒的上升行为，发现存在一个可以被抬升的颗粒尺寸的上限。并且 计算了最大传输距离。同时开展了较为系统的飞火颗粒的风洞实验研究。这些实 验工作得到的数据被很多理论分析工作所采用，暗示着飞火实验工作较为缺乏。 最近不少研究者通过c f d 来模拟飞火颗粒的运动轨迹，他们利用了不同的湍 流模型来模拟城市火灾或者森林火灾流场。h i m o t o n 等应用l e s 模型模拟了不燃 烧平板颗粒在湍流边界层中的运动轨迹。h u a n g n 鲫等通过七一占模型模拟了流场 中存在建筑物时球形颗粒的运动轨迹。s a r d o y n 鲫在轨迹模型中加入了简单的颗粒 燃烧模型，是目前最好的数值研究工作。这些理论研究工作的思路是：先数值研 究产生飞火的火羽流流场( 一般使用计算流体力学c f d ) ，然后考虑飞火颗粒在 _ i i 第l 章绪论 此流场中的受力情况，从而依据力学定律计算飞火颗粒的运行轨迹。 m a n z e l l o h h 3 2 h 2 1 搭建飞火颗粒产生装置，进行了大量飞火颗粒点燃各种 燃料床的点燃实验。他通过实验得出影响飞火颗粒点燃燃料床的主要因素包括： 飞火颗粒的种类，燃料床的含水率及风速。这些实验对建立飞火颗粒的点燃模型 有着很大帮助。 近年来，大部分研究关注于飞火颗粒运动轨迹的计算模型，主要是依据流体 力学和牛顿力学定律，分析飞火颗粒的受力情况，建立动力学方程。尽管燃烧过 程改变飞火颗粒的质量和尺寸从而影响颗粒飞行轨迹，然而一些研究遗憾地没有 考虑此过程。 我国对飞火现象也进行了一些研究，主要集中在飞火传输模型方面，如林其 钊h 1 等从理论上分析了飞火的形成过程，建立了飞火形成及传播过程的理论模型， 探讨了飞火过程的影响因素，给出了用诺谟图估算飞火距离的方法1 。应该说， 我国飞火研究工作尚不够全面，不够系统。 尽管近年来飞火研究得到较多关注并取得了一定进展，但以上仅仅是对普通 对流火羽流进行了一定的研究，对特殊情形尤其是火旋风情形下产生的飞火需要 更深入的研究。迄今关于火旋风环境中或类似于火旋风环境中飞火传输过程( 包 括飞火在火旋风中的上升过程和在火旋风外部的降落过程) 的研究工作较少。 l e e 口鄙最早开展了旋转羽流中飞火运动轨迹的研究。他假设燃烧过程中颗粒密 度和燃烧速率恒定不变，采用t a r i f a 的燃烧速率经验公式，发展了球形颗粒在 二维轴对称旋转羽流中的运动模型。同时l e e 搭建了小型旋转羽流产生器进行了 一定的实验研究，在实验中，他向垂直的旋转羽流产生器中注入飞火颗粒，观察 飞火颗粒的运动轨迹，但是l e e 的实验仅仅是一些定性实验，并没有定量化的实 验数据。随后m u r a s z e w 啪1 ( 1 9 7 3 ) 首次研究了火旋风中的飞火运动行为，m u r a s z e w 把远距离飞火的相关火旋风流场分为3 个区域：( 1 ) 火旋风核心区，特征为固 体旋转运动；( 2 ) 核心区周围的旋转区，在这个区域角动量恒定；( 3 ) 延伸区，