【摘要】：坡度是影響森林地表火蔓延的重要因素,前人對(duì)坡度的研究大多集中于上坡火蔓延,而下坡火蔓延作為一種典型的森林地表火蔓延形式卻受到較少關(guān)注,缺乏對(duì)其傳熱機(jī)制的深入分析與模型研究。本文主要研究線火源引燃條件下坡度對(duì)下坡火蔓延過(guò)程的影響,使用松針(Pinus massoniana)作為燃料,在變坡度燃料床上開(kāi)展了四種坡度(0°,10°,20°,30°)及兩種載荷(0.4,0.8 kg/m2)條件的下坡火蔓延實(shí)驗(yàn)。重點(diǎn)分析了火蔓延過(guò)程中的火蔓延速率、火焰形態(tài)(火焰長(zhǎng)度、火焰傾角)、火前鋒燃料質(zhì)量損失、火前鋒周邊流場(chǎng)、燃料床表面及內(nèi)部的溫度分布和火前輻射熱流等隨坡度的變化趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,火前鋒燃料質(zhì)量損失隨時(shí)間呈現(xiàn)線性增加的趨勢(shì),表明本次實(shí)驗(yàn)中的燃料床尺寸能夠保證火蔓延達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。下坡火蔓延速率隨坡度的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì),這與前人文獻(xiàn)中描述的規(guī)律相一致�；鹧鎯A角隨坡度呈現(xiàn)線性增加的趨勢(shì),而火焰長(zhǎng)度受坡度影響較小。根據(jù)火焰前方布置的皮托管得到的氣體流速數(shù)據(jù)顯示,火前存在逆向卷吸氣流且流速隨坡度的增加而增大,此時(shí)火前逆向卷吸的冷空氣會(huì)對(duì)燃料產(chǎn)生對(duì)流冷卻作用。根據(jù)在燃料床上表面與燃料床底部布置的兩根熱電偶溫度數(shù)據(jù)顯示,火前鋒與燃燒區(qū)界面幾乎同時(shí)到達(dá)兩根熱電偶,表明此時(shí)燃燒區(qū)界面垂直于燃料床,即在本實(shí)驗(yàn)中可以將燃料床近似看作熱薄型。在燃料床尾端布置的輻射熱流計(jì)數(shù)據(jù)顯示,兩種載荷條件下坡度為30°時(shí)輻射熱流計(jì)接收到的火焰輻射熱流均大于平坡時(shí)的輻射熱流,但計(jì)算得到的火焰面與輻射熱流計(jì)表面間的視角系數(shù)卻隨坡度的增加而減小。通過(guò)分析斯蒂芬-玻爾茲曼定律發(fā)現(xiàn),輻射熱流與視角系數(shù)隨坡度呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律可能是由于火焰發(fā)射率所引起的。視角系數(shù)的減小對(duì)火焰輻射熱流的影響可以由火焰發(fā)射率的增加所補(bǔ)充,使得高坡度下熱流計(jì)測(cè)得的火焰輻射熱流更大,進(jìn)而對(duì)火蔓延速率產(chǎn)生影響。根據(jù)上述對(duì)下坡火蔓延傳熱過(guò)程的分析,本文對(duì)下坡火蔓延火焰前方未燃燃料微元建立能量平衡關(guān)系式,對(duì)火蔓延速率進(jìn)行預(yù)測(cè)。在模型中綜合考慮了火焰輻射、燃燒區(qū)輻射,燃料微元的自然對(duì)流冷卻及輻射熱損項(xiàng)。模型的計(jì)算結(jié)果表明,火焰輻射加熱在下坡火蔓延過(guò)程中發(fā)揮了主導(dǎo)作用,而燃燒區(qū)對(duì)未燃燃料的輻射加熱作用在近火焰區(qū)不可以忽略。
【圖文】：

逑圖２．１變坡度火蔓延實(shí)驗(yàn)臺(tái)逡逑該實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖２．１所示，，實(shí)驗(yàn)臺(tái)寬度為３邋ｍ，長(zhǎng)度為６邋ｍ，實(shí)驗(yàn)時(shí)使用液壓逡逑裝置對(duì)其坡度進(jìn)行調(diào)整，坡度變化范圍為０°至４５°。實(shí)驗(yàn)臺(tái)左下方具有指示角度逡逑的表盤，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中先利用該表盤對(duì)坡度進(jìn)行初步調(diào)整，而后使用坡度數(shù)顯儀進(jìn)逡逑行準(zhǔn)確控制。實(shí)驗(yàn)臺(tái)表面鋪設(shè)一層防火板，用以形成平整的表面進(jìn)行相關(guān)火蔓延逡逑實(shí)驗(yàn)。由于下坡火蔓延過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定，無(wú)需將燃料鋪滿整個(gè)燃料床。因此，本次逡逑實(shí)驗(yàn)中選取該實(shí)驗(yàn)臺(tái)中部靠前１邋ｍ寬，１．５邋ｍ長(zhǎng)的區(qū)域鋪設(shè)燃料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。逡逑２．２．２實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)逡逑下坡火蔓延實(shí)驗(yàn)中測(cè)量系統(tǒng)布置如圖２．２所示。燃料床的寬度為１邋ｍ，長(zhǎng)逡逑度Ｚ為１．５邋ｍ，在燃料床的中線位置布置９根熱電偶來(lái)獲取火蔓延過(guò)程中的溫度逡逑數(shù)據(jù)

逑？Ｑ逡逑圖２．２實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)示意圖逡逑實(shí)驗(yàn)中所使用的熱電偶均為Ｋ型裸露式（如圖２．３邋（ａ）所示），熱電偶外徑為逡逑１邋ｍｍ，節(jié)點(diǎn)直徑為０．１７８邋＿。熱電偶使用前會(huì)在放置在沸水中進(jìn)行溫度校正，逡逑檢查其溫度是否接近１００邋°Ｃ，實(shí)驗(yàn)中選用溫度顯示正常、精確度高的熱電偶開(kāi)展逡逑實(shí)驗(yàn)。在第７根熱電偶位置（圖２．２中從左向右數(shù)）的下方燃料床底部額外布置逡逑一根熱電偶（距離燃料床底部約０．５邋ｃｍ），用來(lái)測(cè)量松針燃料床的內(nèi)部溫度特征。逡逑＼邋、？逡逑＼邋＾逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑圖２．３邋（ａ）邋Ｋ型裸露式熱電偶，（ｂ）邋ＫＮＸ單點(diǎn)式壓力稱重傳感器逡逑實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前用鉆頭對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)中布置熱電偶的位置進(jìn)行打孔，將長(zhǎng)度適中的陶逡逑瓷管插入該孔并固定，將熱電偶由下向上穿入陶瓷管，熱電偶節(jié)點(diǎn)的高度超過(guò)陶逡逑瓷管高度約１邋ｃｍ。由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用了不同的燃料鋪設(shè)載荷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：S762

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本文編號(hào)：2706109