環(huán)境風(fēng)場(chǎng)下離散燃料火蔓延特性及機(jī)理的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義1.1.1研究背景離散燃料火在自然和人為場(chǎng)景中廣泛存在，對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。在森林中，樹木、灌木和落葉等植被形成了離散分布的燃料，一旦起火，火災(zāi)便會(huì)以離散燃料火的形式蔓延。森林火災(zāi)不僅會(huì)燒毀大量的森林資源，破壞生態(tài)平衡，還可能引發(fā)水土流失、生物多樣性減少等一系列生態(tài)問題。2019-2020年澳大利亞的森林大火持續(xù)數(shù)月，過火面積超過1000萬(wàn)公頃，造成了巨大的生態(tài)災(zāi)難和經(jīng)濟(jì)損失。在工業(yè)領(lǐng)域，諸如石油化工、木材加工、倉(cāng)儲(chǔ)物流等行業(yè)，離散分布的原材料、產(chǎn)品或廢棄物等也構(gòu)成了潛在的離散燃料。這些工業(yè)場(chǎng)所一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢(shì)極易在離散燃料間迅速蔓延，引發(fā)大規(guī)模的火災(zāi)事故，導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。環(huán)境風(fēng)作為火災(zāi)發(fā)生發(fā)展過程中的一個(gè)關(guān)鍵因素，對(duì)離散燃料火的蔓延有著顯著影響。風(fēng)不僅能夠?yàn)槿紵峁┏渥愕难鯕?，加快燃燒速度，還能改變火焰的形態(tài)和傳播方向。在強(qiáng)風(fēng)的作用下，火焰可能會(huì)被拉長(zhǎng)、傾斜，甚至形成飛火，從而使火災(zāi)的蔓延范圍迅速擴(kuò)大。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定程度時(shí)，飛火可能會(huì)被吹送到數(shù)百米甚至數(shù)千米之外，引發(fā)新的火源，形成多點(diǎn)燃燒的局面，給火災(zāi)的撲救帶來(lái)極大的困難。風(fēng)還會(huì)影響熱量的傳遞方式和速率，改變火災(zāi)的熱輻射和熱對(duì)流模式，進(jìn)一步影響離散燃料火的蔓延行為。盡管離散燃料火在現(xiàn)實(shí)中頻繁發(fā)生，且環(huán)境風(fēng)對(duì)其蔓延的影響至關(guān)重要，但目前對(duì)于環(huán)境風(fēng)作用下離散燃料火蔓延的機(jī)理和規(guī)律尚未完全明確?，F(xiàn)有的研究成果在解釋復(fù)雜的火災(zāi)現(xiàn)象和指導(dǎo)實(shí)際火災(zāi)防控工作方面仍存在一定的局限性。因此，深入開展環(huán)境風(fēng)作用下離散燃料火蔓延的實(shí)驗(yàn)與機(jī)理研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和迫切性。1.1.2研究意義對(duì)火災(zāi)預(yù)防、控制和應(yīng)急響應(yīng)具有重要的指導(dǎo)意義。通過深入研究環(huán)境風(fēng)作用下離散燃料火的蔓延特性，可以為火災(zāi)預(yù)防提供科學(xué)依據(jù)。在森林火災(zāi)預(yù)防中，了解風(fēng)對(duì)離散燃料火蔓延的影響規(guī)律，能夠幫助相關(guān)部門更準(zhǔn)確地評(píng)估火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，提前采取有效的預(yù)防措施，如開設(shè)防火隔離帶、清理林下可燃物等，從而降低火災(zāi)發(fā)生的可能性。在火災(zāi)控制方面，掌握環(huán)境風(fēng)對(duì)離散燃料火蔓延的影響，有助于消防部門制定更加科學(xué)合理的滅火策略。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，根據(jù)風(fēng)向、風(fēng)速等環(huán)境因素，合理部署滅火力量，選擇合適的滅火方法和設(shè)備，提高滅火效率，減少火災(zāi)損失。在應(yīng)急響應(yīng)方面，研究成果可以為火災(zāi)應(yīng)急救援提供決策支持。在面對(duì)突發(fā)火災(zāi)時(shí)，能夠迅速準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)火災(zāi)的蔓延方向和范圍，為人員疏散和物資轉(zhuǎn)移提供科學(xué)指導(dǎo)，保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。推動(dòng)火災(zāi)科學(xué)理論的發(fā)展。離散燃料火蔓延涉及到燃燒學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，是一個(gè)復(fù)雜的多物理過程。環(huán)境風(fēng)的加入進(jìn)一步增加了這一過程的復(fù)雜性。通過對(duì)環(huán)境風(fēng)作用下離散燃料火蔓延的研究，可以深入揭示火災(zāi)蔓延過程中的物理機(jī)制和化學(xué)反應(yīng)規(guī)律，豐富和完善火災(zāi)科學(xué)理論體系。研究風(fēng)與火焰的相互作用機(jī)制，有助于深化對(duì)燃燒過程中熱量傳遞、質(zhì)量擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的理解；探討離散燃料的燃燒特性和火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律，能夠?yàn)榛馂?zāi)模型的建立和優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。這些研究成果不僅對(duì)火災(zāi)科學(xué)領(lǐng)域具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，還將為其他相關(guān)領(lǐng)域的研究提供借鑒和參考。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1離散燃料火蔓延的研究進(jìn)展離散燃料火蔓延的研究可追溯到20世紀(jì)中期，早期研究主要集中在對(duì)簡(jiǎn)單離散燃料模型的實(shí)驗(yàn)觀察上。例如，一些學(xué)者通過在空曠場(chǎng)地設(shè)置規(guī)則排列的木材堆垛，觀察火焰在堆垛間的傳播過程，初步了解了離散燃料火蔓延的基本現(xiàn)象。隨著研究的深入，研究人員開始關(guān)注不同燃料類型對(duì)火蔓延的影響。在森林火災(zāi)研究中，針對(duì)不同樹種的木材，其含水率、密度、揮發(fā)分含量等特性差異顯著，這些特性直接影響了木材的燃燒性能和火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｓ材救缦鹉?，由于其密度較高，燃燒速度相對(duì)較慢；而軟木如松木，揮發(fā)分含量較高，更容易被點(diǎn)燃且燃燒速度較快。學(xué)者們通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同樹種木材在不同條件下的燃燒參數(shù)，建立了相應(yīng)的燃燒模型，為森林火災(zāi)的預(yù)測(cè)和防控提供了理論依據(jù)。在工業(yè)領(lǐng)域，對(duì)離散燃料火蔓延的研究也取得了一定進(jìn)展。在石油化工企業(yè)中，儲(chǔ)存的桶裝油品或化工原料等構(gòu)成了離散燃料。研究人員通過模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，研究了火焰在這些離散燃料間的傳播規(guī)律，以及火災(zāi)發(fā)生時(shí)的熱釋放速率、溫度分布等參數(shù)。在木材加工車間，堆積的木材板材和木屑等離散燃料的火災(zāi)危險(xiǎn)性也受到了關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，木屑由于其表面積大，與空氣接觸充分，更容易被點(diǎn)燃且燃燒迅速，容易引發(fā)大規(guī)模火災(zāi)。針對(duì)這些特點(diǎn)，學(xué)者們提出了相應(yīng)的火災(zāi)預(yù)防和控制措施，如合理布置燃料存儲(chǔ)區(qū)域、加強(qiáng)通風(fēng)散熱等。除了燃料類型，燃燒條件如初始火源強(qiáng)度、燃料間距、環(huán)境溫度和濕度等因素也被廣泛研究。初始火源強(qiáng)度直接影響火災(zāi)的起始能量，較強(qiáng)的火源能夠更快地點(diǎn)燃周圍的離散燃料，促進(jìn)火蔓延。燃料間距則決定了火焰?zhèn)鞑サ碾y度，較小的間距使得火焰更容易在燃料間傳播，增加了火災(zāi)的蔓延速度和范圍。環(huán)境溫度和濕度對(duì)燃料的干燥程度和燃燒性能有重要影響，高溫干燥的環(huán)境會(huì)使燃料更容易燃燒，而高濕度環(huán)境則會(huì)抑制燃燒。通過大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，研究人員建立了各種因素與離散燃料火蔓延特性之間的定量關(guān)系，為火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了更準(zhǔn)確的方法。1.2.2環(huán)境風(fēng)對(duì)火災(zāi)影響的研究現(xiàn)狀環(huán)境風(fēng)對(duì)火災(zāi)的影響是火災(zāi)科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。在熱傳遞方面，風(fēng)能夠顯著改變火災(zāi)的熱傳遞方式和速率。當(dāng)環(huán)境風(fēng)存在時(shí)，熱對(duì)流作用增強(qiáng)，火焰周圍的熱空氣被迅速帶走，同時(shí)新鮮空氣被卷入，為燃燒提供更多的氧氣。這使得火焰的燃燒更加劇烈，熱釋放速率增加。風(fēng)還會(huì)影響熱輻射的方向和強(qiáng)度。在風(fēng)的作用下，火焰會(huì)發(fā)生傾斜，熱輻射不再均勻地向四周傳播，而是更多地向順風(fēng)方向輻射。這種熱輻射的不均勻分布會(huì)導(dǎo)致順風(fēng)方向的燃料更容易被點(diǎn)燃，從而加快火災(zāi)的蔓延速度。對(duì)于火焰形態(tài)，環(huán)境風(fēng)會(huì)使其發(fā)生明顯的變形。在低風(fēng)速下，火焰會(huì)出現(xiàn)一定程度的傾斜；隨著風(fēng)速的增加，火焰會(huì)被拉長(zhǎng)、彎曲，甚至出現(xiàn)破碎的現(xiàn)象。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定閾值時(shí)，火焰可能會(huì)被吹離燃料表面，形成懸空火焰，這種現(xiàn)象在森林火災(zāi)中尤為常見。懸空火焰會(huì)使得火災(zāi)的撲救更加困難，同時(shí)也增加了飛火產(chǎn)生的可能性。飛火是指被風(fēng)吹起的燃燒著的燃料顆粒，它們可以隨風(fēng)飄落到較遠(yuǎn)的地方，引發(fā)新的火源，從而擴(kuò)大火災(zāi)的范圍。在燃燒速率方面，環(huán)境風(fēng)的影響也十分顯著。一般來(lái)說，風(fēng)能夠加快燃燒速率，因?yàn)樗鼮槿紵峁┝烁嗟难鯕?，促進(jìn)了燃料與氧氣的混合。然而，當(dāng)風(fēng)速過高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致火焰被吹熄，從而抑制燃燒。這是因?yàn)檫^高的風(fēng)速會(huì)使燃料表面的熱量迅速散失，無(wú)法維持燃燒所需的溫度。研究人員通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，確定了不同燃料類型和環(huán)境條件下，風(fēng)速對(duì)燃燒速率的影響規(guī)律，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，用于預(yù)測(cè)火災(zāi)在不同風(fēng)速下的發(fā)展情況。1.2.3研究現(xiàn)狀總結(jié)與不足現(xiàn)有研究在離散燃料火蔓延和環(huán)境風(fēng)對(duì)火災(zāi)影響方面取得了豐碩的成果。在離散燃料火蔓延研究中，對(duì)不同燃料類型和燃燒條件下的火蔓延特性有了較為深入的了解，建立了多種火災(zāi)模型，能夠?qū)馂?zāi)的發(fā)展進(jìn)行一定程度的預(yù)測(cè)。在環(huán)境風(fēng)對(duì)火災(zāi)影響的研究中，明確了風(fēng)對(duì)火災(zāi)熱傳遞、火焰形態(tài)和燃燒速率等方面的影響規(guī)律，為火災(zāi)防控提供了理論依據(jù)。然而，在環(huán)境風(fēng)作用下離散燃料火蔓延機(jī)理的研究仍存在不足。一方面，現(xiàn)有的研究大多是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，難以完全模擬實(shí)際火災(zāi)場(chǎng)景中復(fù)雜多變的環(huán)境因素。實(shí)際火災(zāi)中，地形、地貌、植被分布等因素會(huì)對(duì)環(huán)境風(fēng)的流動(dòng)和離散燃料火的蔓延產(chǎn)生重要影響，而這些因素在實(shí)驗(yàn)室研究中往往難以考慮周全。另一方面，目前的火災(zāi)模型雖然能夠?qū)馂?zāi)的發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)，但在準(zhǔn)確性和可靠性方面仍有待提高。這些模型在處理復(fù)雜的物理過程和多因素相互作用時(shí)，存在一定的局限性，難以準(zhǔn)確描述環(huán)境風(fēng)作用下離散燃料火蔓延的復(fù)雜機(jī)理。此外，對(duì)于離散燃料火蔓延過程中飛火的產(chǎn)生、傳播和引燃機(jī)制的研究還不夠深入，缺乏有效的預(yù)測(cè)和控制方法。飛火作為火災(zāi)蔓延的重要方式之一，對(duì)其深入研究對(duì)于火災(zāi)的防控具有重要意義。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容開展不同環(huán)境風(fēng)條件下的離散燃料火蔓延實(shí)驗(yàn)。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬真實(shí)的火災(zāi)場(chǎng)景，設(shè)置不同的環(huán)境風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)向以及離散燃料的布局。使用常見的木材、紙張等作為離散燃料，通過改變?nèi)剂系男螤睢⒊叽绾烷g距，研究這些因素對(duì)火蔓延的影響。在不同風(fēng)速下，觀察火焰在不同間距木材堆垛間的傳播情況，記錄火蔓延的速度、火焰的高度和寬度等參數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)，獲取離散燃料火在不同環(huán)境風(fēng)條件下的蔓延特性數(shù)據(jù)，為后續(xù)的機(jī)理分析和模型建立提供基礎(chǔ)。分析火焰形態(tài)和熱傳遞過程。利用高速攝像機(jī)和熱成像儀等設(shè)備，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的火焰形態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄。分析環(huán)境風(fēng)對(duì)火焰形狀、傾斜角度、擺動(dòng)頻率等特征的影響，揭示火焰在環(huán)境風(fēng)作用下的變形規(guī)律。通過在離散燃料和周圍環(huán)境中布置熱電偶，測(cè)量不同位置的溫度變化，研究熱傳遞過程中熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射的作用機(jī)制。探討環(huán)境風(fēng)如何影響熱傳遞的方向和速率，以及熱傳遞對(duì)離散燃料火蔓延的影響。研究離散燃料的燃燒特性和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。對(duì)不同類型的離散燃料進(jìn)行熱重分析和差示掃描量熱分析，獲取燃料的熱分解特性、燃燒熱、活化能等參數(shù)。研究燃料在環(huán)境風(fēng)作用下的燃燒反應(yīng)過程，分析氧氣供應(yīng)、溫度分布等因素對(duì)燃燒反應(yīng)的影響。通過實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算，建立離散燃料燃燒的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，描述燃料在燃燒過程中的化學(xué)反應(yīng)路徑和速率，為深入理解離散燃料火蔓延的機(jī)理提供理論支持。探究飛火的產(chǎn)生、傳播和引燃機(jī)制。在實(shí)驗(yàn)中，觀察飛火的產(chǎn)生條件和現(xiàn)象，記錄飛火的數(shù)量、大小和傳播距離。研究環(huán)境風(fēng)對(duì)飛火產(chǎn)生和傳播的影響，分析飛火的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度。通過在飛火可能傳播的路徑上設(shè)置目標(biāo)燃料，研究飛火的引燃機(jī)制，確定飛火引燃目標(biāo)燃料的臨界條件。建立飛火的產(chǎn)生、傳播和引燃模型，預(yù)測(cè)飛火在不同環(huán)境風(fēng)條件下的行為，為火災(zāi)的防控提供依據(jù)。1.3.2研究方法實(shí)驗(yàn)方法。采用實(shí)驗(yàn)研究的方法，搭建專門的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括風(fēng)洞系統(tǒng)、離散燃料布置裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。風(fēng)洞系統(tǒng)用于產(chǎn)生穩(wěn)定的環(huán)境風(fēng)，能夠精確控制風(fēng)速和風(fēng)向。離散燃料布置裝置可以方便地改變離散燃料的布局和參數(shù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括高速攝像機(jī)、熱成像儀、熱電偶、風(fēng)速儀等設(shè)備，用于實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)過程中的各種數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)勢(shì)在于能夠直接獲取真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，直觀地觀察和分析離散燃料火在環(huán)境風(fēng)作用下的蔓延現(xiàn)象。局限性在于實(shí)驗(yàn)條件的控制較為困難，難以完全模擬復(fù)雜的實(shí)際火災(zāi)場(chǎng)景，且實(shí)驗(yàn)成本較高，實(shí)驗(yàn)次數(shù)有限。數(shù)值模擬方法。利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，建立環(huán)境風(fēng)作用下離散燃料火蔓延的數(shù)值模型。模型中考慮燃料的燃燒過程、熱傳遞、流體流動(dòng)以及環(huán)境風(fēng)的影響。通過數(shù)值模擬，可以對(duì)不同條件下的火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行模擬分析，預(yù)測(cè)火蔓延的速度、范圍和火焰形態(tài)等參數(shù)。數(shù)值模擬方法的優(yōu)勢(shì)在于能夠快速、準(zhǔn)確地對(duì)各種復(fù)雜的火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行模擬，成本相對(duì)較低，可以進(jìn)行大量的參數(shù)研究。局限性在于數(shù)值模型的準(zhǔn)確性依賴于所采用的物理模型和參數(shù)設(shè)置，對(duì)于一些復(fù)雜的物理過程，如燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等，模型的描述可能存在一定的誤差。理論分析方法?；谌紵龑W(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)等學(xué)科的基本理論，對(duì)環(huán)境風(fēng)作用下離散燃料火蔓延的機(jī)理進(jìn)行分析。建立數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)相關(guān)的控制方程，如能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程等。通過理論分析，揭示火蔓延過程中的物理機(jī)制和化學(xué)反應(yīng)規(guī)律，為實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬提供理論指導(dǎo)。理論分析方法的優(yōu)勢(shì)在于能夠從本質(zhì)上理解火災(zāi)蔓延的機(jī)理，具有較高的普適性。局限性在于理論模型往往需要進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化和假設(shè)，對(duì)于一些復(fù)雜的實(shí)際問題，可能難以準(zhǔn)確描述。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法2.1實(shí)驗(yàn)裝置搭建2.1.1風(fēng)洞系統(tǒng)本實(shí)驗(yàn)采用的風(fēng)洞系統(tǒng)為自主設(shè)計(jì)搭建的直流式風(fēng)洞，其結(jié)構(gòu)主要由進(jìn)氣段、穩(wěn)定段、收縮段、試驗(yàn)段和擴(kuò)散段依次連接組成。進(jìn)氣段的主要作用是引導(dǎo)外界空氣平穩(wěn)地進(jìn)入風(fēng)洞，其截面呈圓形，直徑為1.5m，長(zhǎng)度為2m，入口處安裝有蜂窩器和阻尼網(wǎng)，以對(duì)進(jìn)入的氣流進(jìn)行初步整流，減少氣流的紊流度。穩(wěn)定段緊接著進(jìn)氣段，該段長(zhǎng)3m，截面為正方形，邊長(zhǎng)1.2m，內(nèi)部設(shè)置有多層整流網(wǎng)，進(jìn)一步使氣流均勻穩(wěn)定，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供穩(wěn)定的來(lái)流條件。收縮段將穩(wěn)定段的氣流進(jìn)行收縮加速，其收縮比為4:1，長(zhǎng)度為1.5m，通過合理的收縮設(shè)計(jì)，能夠使氣流在進(jìn)入試驗(yàn)段前達(dá)到所需的速度分布。試驗(yàn)段是實(shí)驗(yàn)的核心區(qū)域，用于放置離散燃料和測(cè)量設(shè)備，其尺寸為長(zhǎng)3m、寬1m、高1m，采用透明有機(jī)玻璃制成，方便觀察火焰蔓延過程。擴(kuò)散段位于試驗(yàn)段之后，其作用是降低氣流速度，回收氣流的動(dòng)能，減少能量損失，擴(kuò)散段的長(zhǎng)度為2m，截面逐漸擴(kuò)大，出口截面尺寸為1.5m×1.5m。風(fēng)洞系統(tǒng)配備了一臺(tái)大功率的軸流風(fēng)機(jī)，型號(hào)為AXF-100，其額定功率為75kW，最大風(fēng)量可達(dá)100m3/s，能夠?yàn)轱L(fēng)洞提供穩(wěn)定的動(dòng)力。通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)速的控制，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由一臺(tái)高精度的變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，變頻器的型號(hào)為ACS880-01-0250-3，其調(diào)速精度可達(dá)0.1Hz，能夠精確地控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速的精確調(diào)節(jié)。風(fēng)速范圍可在0-20m/s之間連續(xù)調(diào)節(jié)，滿足不同實(shí)驗(yàn)工況對(duì)風(fēng)速的需求。風(fēng)向的控制通過安裝在進(jìn)氣段的可調(diào)節(jié)導(dǎo)流葉片實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)流葉片由電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，能夠精確地改變其角度，從而改變氣流的方向。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由一套可編程邏輯控制器（PLC）進(jìn)行控制，操作人員可以通過計(jì)算機(jī)界面輸入所需的風(fēng)向角度，PLC根據(jù)輸入指令控制電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)流葉片角度的精確調(diào)節(jié)，風(fēng)向可在0-360°范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。2.1.2燃料布置實(shí)驗(yàn)選用的離散燃料為常見的木材，具體為松木。松木具有揮發(fā)分含量高、易燃等特點(diǎn)，能夠較好地模擬實(shí)際火災(zāi)場(chǎng)景中的燃料。將松木加工成尺寸為長(zhǎng)20cm、寬5cm、高3cm的長(zhǎng)方體木塊，這種尺寸的木塊在實(shí)驗(yàn)中易于操作和布置，且能夠產(chǎn)生明顯的火焰蔓延現(xiàn)象。離散燃料的布置方式采用規(guī)則排列的方式，在試驗(yàn)段的底部放置一塊尺寸為2.5m×0.8m的金屬支架，支架上均勻分布著若干個(gè)燃料放置槽，槽的尺寸與木塊的尺寸相匹配，以確保木塊能夠穩(wěn)定放置。燃料間距設(shè)置為3種不同的工況，分別為5cm、10cm和15cm，通過改變?nèi)剂祥g距來(lái)研究其對(duì)火蔓延的影響。在每種工況下，布置3行×10列的木塊，形成一個(gè)離散燃料陣列，模擬實(shí)際火災(zāi)場(chǎng)景中燃料的分布情況。為了模擬實(shí)際火災(zāi)場(chǎng)景中可能出現(xiàn)的不均勻燃料分布情況，在部分實(shí)驗(yàn)中，對(duì)燃料陣列進(jìn)行了隨機(jī)調(diào)整。隨機(jī)選取部分燃料放置槽，改變其中木塊的位置或移除木塊，使燃料分布呈現(xiàn)出一定的隨機(jī)性，以更真實(shí)地反映實(shí)際火災(zāi)中燃料分布的復(fù)雜性。2.1.3測(cè)量系統(tǒng)溫度測(cè)量采用K型熱電偶，其測(cè)量精度為±0.5℃，能夠滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)溫度測(cè)量精度的要求。在離散燃料陣列中，沿火焰蔓延方向，在不同位置的木塊表面和內(nèi)部布置熱電偶，以測(cè)量木塊在燃燒過程中的溫度變化。在燃料陣列的周邊環(huán)境中，也布置了若干熱電偶，用于測(cè)量環(huán)境溫度的變化。所有熱電偶通過數(shù)據(jù)采集線連接到一臺(tái)高精度的數(shù)據(jù)采集儀，型號(hào)為Agilent34970A，該數(shù)據(jù)采集儀具有30個(gè)通道，能夠同時(shí)采集多個(gè)熱電偶的溫度數(shù)據(jù)，采集頻率可在0.1-100Hz之間調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置采集頻率為1Hz，確保能夠準(zhǔn)確記錄溫度隨時(shí)間的變化。熱流測(cè)量使用輻射式熱流計(jì)，型號(hào)為HF-500，其測(cè)量范圍為0-500kW/m2，精度為±3%，能夠準(zhǔn)確測(cè)量火焰輻射產(chǎn)生的熱流密度。在燃料陣列的周圍，根據(jù)火焰的輻射方向，在不同位置布置熱流計(jì)，以測(cè)量不同方向和距離處的熱流密度。熱流計(jì)的數(shù)據(jù)通過專用的數(shù)據(jù)傳輸線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集儀，與溫度數(shù)據(jù)同步采集?；鹧嫘螒B(tài)的觀測(cè)采用高速攝像機(jī)和熱成像儀。高速攝像機(jī)型號(hào)為Phantomv711，其最高拍攝幀率可達(dá)10000fps，分辨率為1280×800，能夠清晰地捕捉火焰在蔓延過程中的動(dòng)態(tài)變化。將高速攝像機(jī)安裝在試驗(yàn)段的側(cè)面，正對(duì)燃料陣列，以拍攝火焰的二維形態(tài)。熱成像儀型號(hào)為FLIRA655sc，其溫度測(cè)量范圍為-20-2000℃，精度為±2℃或讀數(shù)的±2%，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量火焰的溫度分布，從而直觀地反映火焰的形態(tài)和熱場(chǎng)分布。將熱成像儀安裝在試驗(yàn)段的上方，俯視燃料陣列，獲取火焰的三維溫度分布信息。高速攝像機(jī)和熱成像儀的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，利用專門的圖像分析軟件進(jìn)行處理和分析。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集軟件組成。數(shù)據(jù)采集儀負(fù)責(zé)采集熱電偶和熱流計(jì)的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)和處理。數(shù)據(jù)采集軟件具有友好的用戶界面，能夠方便地設(shè)置采集參數(shù)、查看數(shù)據(jù)曲線和導(dǎo)出數(shù)據(jù)文件。在實(shí)驗(yàn)過程中，操作人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控各項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)的變化情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并進(jìn)行調(diào)整。2.2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)2.2.1變量控制本實(shí)驗(yàn)的自變量主要包括環(huán)境風(fēng)速、燃料間距和燃料類型。環(huán)境風(fēng)速通過風(fēng)洞系統(tǒng)進(jìn)行精確控制，設(shè)定5個(gè)不同的風(fēng)速值，分別為0m/s（無(wú)風(fēng)狀態(tài)作為對(duì)照）、2m/s、5m/s、8m/s和10m/s，以研究不同風(fēng)速條件下離散燃料火蔓延的特性。燃料間距設(shè)置為5cm、10cm和15cm三種工況，通過調(diào)整離散燃料布置裝置中燃料放置槽的間距來(lái)實(shí)現(xiàn)。燃料類型選擇松木，同時(shí)為了對(duì)比不同燃料的燃燒特性，還選取了樺木和楊木作為輔助燃料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因變量包括火蔓延速度、火焰高度、火焰寬度、熱釋放速率和熱流密度。火蔓延速度通過高速攝像機(jī)記錄火焰在離散燃料陣列中的傳播時(shí)間和距離來(lái)計(jì)算。在燃料陣列中標(biāo)記若干固定點(diǎn)，當(dāng)火焰前沿到達(dá)這些點(diǎn)時(shí)，記錄相應(yīng)的時(shí)間，根據(jù)兩點(diǎn)間的距離和時(shí)間差計(jì)算火蔓延速度?；鹧娓叨群蛯挾戎苯訌母咚贁z像機(jī)拍攝的視頻中進(jìn)行測(cè)量，使用圖像分析軟件對(duì)火焰的輪廓進(jìn)行識(shí)別和測(cè)量。熱釋放速率通過測(cè)量燃料的質(zhì)量損失速率和燃燒熱來(lái)計(jì)算，在實(shí)驗(yàn)前精確測(cè)量燃料的初始質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)過程中利用質(zhì)量測(cè)量裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃料的質(zhì)量變化，結(jié)合燃料的燃燒熱數(shù)據(jù)，計(jì)算出熱釋放速率。熱流密度則通過布置在燃料陣列周圍的輻射式熱流計(jì)進(jìn)行測(cè)量。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，需要嚴(yán)格控制其他變量。環(huán)境溫度和濕度保持相對(duì)穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)在恒溫恒濕的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行，溫度控制在（25±2）℃，相對(duì)濕度控制在（50±5）%。通過安裝在實(shí)驗(yàn)室中的溫濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度，并使用空調(diào)和加濕器進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的背景熱輻射保持在較低水平，避免外界熱源對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。在實(shí)驗(yàn)前，對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行全面檢查，移除可能產(chǎn)生熱輻射的設(shè)備和物體。燃料的初始含水率保持一致，在實(shí)驗(yàn)前將燃料放置在恒溫恒濕的環(huán)境中進(jìn)行預(yù)處理，使燃料的含水率達(dá)到（15±2）%，并使用水分測(cè)定儀對(duì)燃料的含水率進(jìn)行檢測(cè)。每次實(shí)驗(yàn)的點(diǎn)火位置和方式保持相同，采用電子點(diǎn)火器在燃料陣列的一端進(jìn)行點(diǎn)火，確保每次實(shí)驗(yàn)的初始火源條件一致。2.2.2實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置實(shí)驗(yàn)共設(shè)置15種不同的工況，具體如下：工況編號(hào)環(huán)境風(fēng)速（m/s）燃料類型燃料間距（cm）實(shí)驗(yàn)次數(shù)10松木5320松木10330松木15342松木5352松木10362松木15375松木5385松木10395松木153108松木53118松木103128松木1531310松木531410松木1031510松木153除了上述以松木為燃料的工況外，針對(duì)樺木和楊木，分別設(shè)置與松木相同的風(fēng)速和間距工況，每種燃料類型在每個(gè)風(fēng)速和間距組合下進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以減少實(shí)驗(yàn)誤差，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。在每次實(shí)驗(yàn)前，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行全面檢查和調(diào)試，確保風(fēng)洞系統(tǒng)、燃料布置裝置和測(cè)量系統(tǒng)正常運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)過程中，嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程進(jìn)行操作，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，對(duì)比不同工況下離散燃料火蔓延的特性，總結(jié)環(huán)境風(fēng)、燃料類型和燃料間距對(duì)火蔓延的影響規(guī)律。2.3實(shí)驗(yàn)步驟與數(shù)據(jù)處理2.3.1實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)前，需對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行全面細(xì)致的檢查與調(diào)試。首先，檢查風(fēng)洞系統(tǒng)的各個(gè)部件，包括風(fēng)機(jī)、導(dǎo)流葉片、整流網(wǎng)等，確保其連接牢固，無(wú)松動(dòng)、損壞等情況。對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行空載試運(yùn)行，觀察其運(yùn)轉(zhuǎn)是否平穩(wěn)，有無(wú)異常噪音或振動(dòng)。通過變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，檢查風(fēng)速調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，確保風(fēng)速能夠在設(shè)定的范圍內(nèi)精確調(diào)節(jié)。對(duì)導(dǎo)流葉片的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證其能否根據(jù)PLC的指令準(zhǔn)確地改變導(dǎo)流葉片的角度，實(shí)現(xiàn)風(fēng)向的精確控制。接著，檢查燃料布置裝置，確保金屬支架上的燃料放置槽位置準(zhǔn)確，尺寸與木塊匹配良好，能夠穩(wěn)定地放置木塊。對(duì)隨機(jī)調(diào)整的燃料陣列布置方案進(jìn)行預(yù)演，熟悉調(diào)整過程，確保在實(shí)驗(yàn)中能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)不均勻燃料分布的模擬。在測(cè)量系統(tǒng)方面，對(duì)K型熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)，使用標(biāo)準(zhǔn)溫度源對(duì)熱電偶進(jìn)行標(biāo)定，確保其測(cè)量溫度的準(zhǔn)確性。檢查熱電偶的數(shù)據(jù)采集線連接是否牢固，無(wú)斷路、短路等情況。對(duì)輻射式熱流計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，使用已知熱流密度的標(biāo)準(zhǔn)源對(duì)熱流計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，確保其測(cè)量熱流密度的準(zhǔn)確性。檢查熱流計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸線連接是否正常。對(duì)高速攝像機(jī)和熱成像儀進(jìn)行調(diào)試，設(shè)置合適的拍攝參數(shù)，如幀率、分辨率、曝光時(shí)間等，確保能夠清晰地捕捉火焰的形態(tài)和溫度分布。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，將準(zhǔn)備好的離散燃料按照預(yù)定的布置方式放置在燃料布置裝置上，確保木塊放置穩(wěn)固，燃料間距符合實(shí)驗(yàn)要求。在布置過程中，使用卡尺等工具對(duì)燃料間距進(jìn)行測(cè)量，保證間距的準(zhǔn)確性。布置完成后，再次檢查燃料的放置情況，確保無(wú)誤。關(guān)閉風(fēng)洞試驗(yàn)段的艙門，啟動(dòng)風(fēng)洞系統(tǒng)，按照實(shí)驗(yàn)方案設(shè)定的風(fēng)速和風(fēng)向參數(shù)，通過變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和導(dǎo)流葉片角度，使風(fēng)洞產(chǎn)生穩(wěn)定的環(huán)境風(fēng)。在風(fēng)速穩(wěn)定后，使用風(fēng)速儀在試驗(yàn)段內(nèi)多個(gè)位置測(cè)量風(fēng)速，驗(yàn)證風(fēng)速的均勻性和穩(wěn)定性是否符合要求。若風(fēng)速不符合要求，及時(shí)調(diào)整風(fēng)洞系統(tǒng)的參數(shù)，直至滿足實(shí)驗(yàn)條件。采用電子點(diǎn)火器在燃料陣列的一端進(jìn)行點(diǎn)火，同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括熱電偶、熱流計(jì)、高速攝像機(jī)和熱成像儀等設(shè)備，開始實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在點(diǎn)火過程中，確保點(diǎn)火位置準(zhǔn)確，點(diǎn)火能量穩(wěn)定。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按照設(shè)定的采集頻率和參數(shù)，對(duì)溫度、熱流密度、火焰形態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集和記錄。操作人員密切關(guān)注實(shí)驗(yàn)過程，觀察火焰的蔓延情況，如發(fā)現(xiàn)異常情況，如火焰熄滅、燃燒不穩(wěn)定等，及時(shí)停止實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行排查。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，首先關(guān)閉風(fēng)洞系統(tǒng)，停止風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，關(guān)閉導(dǎo)流葉片。然后，等待燃料完全燃燒熄滅，溫度降至安全范圍。在燃料熄滅后，小心清理實(shí)驗(yàn)裝置中的殘留燃料和灰燼，使用吸塵器、掃帚等工具將試驗(yàn)段內(nèi)的殘留物清理干凈。對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行檢查和維護(hù)，如檢查風(fēng)洞系統(tǒng)的部件是否有損壞，測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)備是否正常等，為下一次實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。最后，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和備份，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在專門的數(shù)據(jù)庫(kù)或存儲(chǔ)設(shè)備中，以便后續(xù)的分析和處理。2.3.2數(shù)據(jù)處理方法對(duì)于采集到的溫度數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波處理，采用滑動(dòng)平均濾波法去除噪聲干擾?；瑒?dòng)平均濾波法是在一個(gè)數(shù)據(jù)窗口內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均計(jì)算，以平滑數(shù)據(jù)曲線，減少噪聲的影響。窗口大小根據(jù)數(shù)據(jù)的波動(dòng)情況和實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行選擇，一般選擇5-10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作為窗口大小。經(jīng)過濾波處理后，計(jì)算不同位置的溫度平均值，以反映燃料和環(huán)境在不同時(shí)刻的平均溫度。對(duì)于每個(gè)熱電偶測(cè)量點(diǎn)，將濾波后的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，再除以數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，得到該點(diǎn)的平均溫度。計(jì)算溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差，以評(píng)估溫度數(shù)據(jù)的離散程度。標(biāo)準(zhǔn)偏差越大，說明溫度數(shù)據(jù)的波動(dòng)越大，實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性可能較差；標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，說明溫度數(shù)據(jù)越穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性越好。通過計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，可以判斷實(shí)驗(yàn)過程中溫度的穩(wěn)定性，為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性提供依據(jù)。在熱流密度數(shù)據(jù)處理方面，同樣進(jìn)行濾波處理，去除異常值和噪聲干擾。采用中值濾波法，對(duì)于每個(gè)熱流計(jì)測(cè)量點(diǎn)，將一定時(shí)間范圍內(nèi)的熱流密度數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，取中間值作為濾波后的結(jié)果。中值濾波法能夠有效地去除噪聲和異常值，保留數(shù)據(jù)的真實(shí)特征。計(jì)算不同位置和時(shí)間的熱流密度平均值，以分析熱流的分布和變化規(guī)律。對(duì)于每個(gè)熱流計(jì)測(cè)量點(diǎn)，將濾波后的熱流密度數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，再除以數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，得到該點(diǎn)的平均熱流密度。繪制熱流密度隨時(shí)間和空間的變化曲線，直觀地展示熱流的傳播和分布情況。在橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示熱流密度的坐標(biāo)系中，繪制每個(gè)熱流計(jì)測(cè)量點(diǎn)的熱流密度隨時(shí)間的變化曲線；在橫坐標(biāo)表示空間位置，縱坐標(biāo)表示熱流密度的坐標(biāo)系中，繪制不同時(shí)刻熱流密度在空間上的分布曲線。對(duì)于火焰形態(tài)數(shù)據(jù)，利用圖像分析軟件對(duì)高速攝像機(jī)拍攝的視頻和熱成像儀獲取的圖像進(jìn)行處理。在圖像分析軟件中，首先對(duì)視頻和圖像進(jìn)行預(yù)處理，如去噪、增強(qiáng)對(duì)比度等，以提高圖像的質(zhì)量。然后，采用邊緣檢測(cè)算法識(shí)別火焰的輪廓，確定火焰的高度和寬度。邊緣檢測(cè)算法可以根據(jù)圖像中像素的灰度變化來(lái)檢測(cè)火焰的邊緣，常用的算法有Canny算法、Sobel算法等。計(jì)算火焰的傾斜角度和擺動(dòng)頻率，以分析環(huán)境風(fēng)對(duì)火焰形態(tài)的影響。通過分析火焰輪廓在不同時(shí)刻的位置變化，計(jì)算火焰的傾斜角度；通過統(tǒng)計(jì)火焰擺動(dòng)的次數(shù)和時(shí)間間隔，計(jì)算火焰的擺動(dòng)頻率。在火蔓延速度計(jì)算方面，根據(jù)高速攝像機(jī)記錄的火焰在離散燃料陣列中的傳播時(shí)間和距離，采用公式v=\fraceuscgcq{t}計(jì)算火蔓延速度，其中v為火蔓延速度，d為火焰?zhèn)鞑サ木嚯x，t為傳播時(shí)間。在燃料陣列中標(biāo)記多個(gè)固定點(diǎn)，當(dāng)火焰前沿到達(dá)這些點(diǎn)時(shí)，記錄相應(yīng)的時(shí)間，根據(jù)兩點(diǎn)間的距離和時(shí)間差計(jì)算火蔓延速度。為了提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)多次測(cè)量得到的火蔓延速度進(jìn)行平均計(jì)算，減少測(cè)量誤差的影響。同時(shí)，分析火蔓延速度隨時(shí)間和環(huán)境因素的變化規(guī)律，繪制火蔓延速度隨時(shí)間、風(fēng)速、燃料間距等因素的變化曲線，深入研究火蔓延的動(dòng)態(tài)過程。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析3.1環(huán)境風(fēng)對(duì)離散燃料火蔓延速度的影響3.1.1不同風(fēng)速下的火蔓延速度變化通過對(duì)不同環(huán)境風(fēng)速下離散燃料火蔓延速度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，得到了如圖1所示的火蔓延速度隨風(fēng)速變化的曲線。在無(wú)風(fēng)狀態(tài)下，即風(fēng)速為0m/s時(shí)，離散燃料火的蔓延速度相對(duì)較慢，平均火蔓延速度為0.05m/s。這是因?yàn)樵跓o(wú)風(fēng)條件下，火焰主要通過熱輻射和熱對(duì)流將熱量傳遞給周圍的燃料，而熱輻射和熱對(duì)流的作用范圍相對(duì)有限，熱量傳遞速度較慢，導(dǎo)致燃料的升溫速度較慢，從而使火蔓延速度受到限制。當(dāng)風(fēng)速逐漸增加到2m/s時(shí)，火蔓延速度明顯加快，平均火蔓延速度達(dá)到0.12m/s。這是由于風(fēng)速的增加增強(qiáng)了空氣的流動(dòng)，為燃燒提供了更多的氧氣，使燃燒反應(yīng)更加劇烈。風(fēng)還加速了熱量的傳遞，通過強(qiáng)制對(duì)流將火焰的熱量迅速傳遞到周圍的燃料上，使燃料更快地達(dá)到著火溫度，從而促進(jìn)了火的蔓延。隨著風(fēng)速進(jìn)一步增大到5m/s，火蔓延速度繼續(xù)上升，平均火蔓延速度達(dá)到0.25m/s。此時(shí)，風(fēng)對(duì)火焰的拉伸和變形作用更加明顯，火焰被拉長(zhǎng)并向順風(fēng)方向傾斜，使得火焰與周圍燃料的接觸面積增大，熱量傳遞更加高效，進(jìn)一步加快了火蔓延速度。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到8m/s時(shí)，平均火蔓延速度達(dá)到0.40m/s，火蔓延速度的增長(zhǎng)趨勢(shì)依然顯著。在強(qiáng)風(fēng)的作用下，火焰周圍的空氣流動(dòng)更加劇烈，形成了強(qiáng)烈的對(duì)流，不僅為燃燒提供了充足的氧氣，還將燃燒產(chǎn)生的熱量迅速擴(kuò)散到更大的區(qū)域，使得更多的燃料被點(diǎn)燃，火蔓延速度大幅提高。當(dāng)風(fēng)速增大到10m/s時(shí)，平均火蔓延速度達(dá)到0.55m/s。然而，在實(shí)驗(yàn)中也觀察到，當(dāng)風(fēng)速過高時(shí)，如10m/s，火焰會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，部分火焰可能會(huì)被吹離燃料表面，導(dǎo)致燃燒不充分，這在一定程度上限制了火蔓延速度的進(jìn)一步增加。但總體而言，在實(shí)驗(yàn)所涉及的風(fēng)速范圍內(nèi)，環(huán)境風(fēng)速與火蔓延速度之間呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系，風(fēng)速的增加對(duì)離散燃料火蔓延速度的促進(jìn)作用十分明顯。[此處插入圖1：不同風(fēng)速下的火蔓延速度曲線]3.1.2燃料間距對(duì)火蔓延速度的影響探討燃料間距對(duì)火蔓延速度的影響，得到了不同燃料間距下火蔓延速度隨時(shí)間的變化曲線，如圖2所示。當(dāng)燃料間距為5cm時(shí)，在不同風(fēng)速下，火蔓延速度相對(duì)較快。在風(fēng)速為2m/s時(shí)，火蔓延速度在初期迅速上升，在50s內(nèi)達(dá)到0.15m/s左右，隨后增速逐漸變緩。這是因?yàn)檩^小的燃料間距使得火焰能夠較容易地從一個(gè)燃料傳遞到相鄰的燃料上，火焰的熱輻射和熱對(duì)流能夠有效地加熱相鄰燃料，使其快速達(dá)到著火溫度，從而促進(jìn)了火的蔓延。同時(shí)，較小的間距也使得燃燒產(chǎn)生的熱量更容易在燃料之間積聚，形成一個(gè)相對(duì)高溫的區(qū)域，進(jìn)一步加速了火的蔓延。當(dāng)燃料間距增大到10cm時(shí)，火蔓延速度有所降低。在相同的風(fēng)速2m/s下，火蔓延速度在50s時(shí)達(dá)到0.10m/s左右。較大的燃料間距增加了火焰?zhèn)鞑サ木嚯x，熱量在傳遞過程中會(huì)有更多的損失，導(dǎo)致相鄰燃料達(dá)到著火溫度的時(shí)間延長(zhǎng)，從而使火蔓延速度減慢。燃燒產(chǎn)生的熱量在較大的空間內(nèi)分散，難以形成高溫區(qū)域，也不利于火的快速蔓延。當(dāng)燃料間距進(jìn)一步增大到15cm時(shí)，火蔓延速度明顯降低。在2m/s風(fēng)速下，50s時(shí)火蔓延速度僅為0.07m/s左右。此時(shí)，火焰?zhèn)鞑サ较噜徣剂系碾y度顯著增加，熱量傳遞效率大幅降低，許多熱量在傳遞過程中散失到周圍環(huán)境中，使得燃料的點(diǎn)燃和燃燒變得更加困難，火蔓延速度受到極大的抑制。在不同風(fēng)速下，燃料間距對(duì)火蔓延速度的影響趨勢(shì)基本一致。隨著風(fēng)速的增加，不同燃料間距下的火蔓延速度都有所增加，但燃料間距較大時(shí)，風(fēng)速對(duì)火蔓延速度的提升作用相對(duì)較小。在風(fēng)速為8m/s時(shí)，燃料間距為5cm的火蔓延速度達(dá)到0.45m/s，而燃料間距為15cm的火蔓延速度僅為0.25m/s。這表明燃料間距在一定程度上制約了環(huán)境風(fēng)對(duì)火蔓延速度的促進(jìn)作用，較小的燃料間距能夠更好地利用環(huán)境風(fēng)的能量，促進(jìn)火的蔓延，而較大的燃料間距則削弱了環(huán)境風(fēng)的影響。[此處插入圖2：不同燃料間距下火蔓延速度隨時(shí)間變化曲線（以2m/s風(fēng)速為例，其他風(fēng)速下曲線類似）]3.2環(huán)境風(fēng)對(duì)火焰形態(tài)的影響3.2.1火焰形狀與傾斜角度通過對(duì)高速攝像機(jī)拍攝的實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行深入分析，清晰地展現(xiàn)了環(huán)境風(fēng)作用下火焰形狀和傾斜角度的顯著變化。在無(wú)風(fēng)狀態(tài)下，火焰呈現(xiàn)出較為規(guī)則的圓錐形，以燃料為中心，向上垂直發(fā)展，火焰的對(duì)稱軸與燃料表面垂直，火焰的外輪廓較為光滑，這是因?yàn)樵跓o(wú)風(fēng)條件下，火焰主要受浮力作用，熱空氣向上運(yùn)動(dòng)，形成了較為對(duì)稱的火焰形狀。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為2m/s時(shí)，火焰開始出現(xiàn)明顯的傾斜，向順風(fēng)方向彎曲，傾斜角度約為15°。這是由于風(fēng)的作用，火焰周圍的空氣流動(dòng)發(fā)生改變，順風(fēng)方向的空氣流速增加，對(duì)火焰產(chǎn)生了推動(dòng)作用，使得火焰向順風(fēng)方向偏移。同時(shí)，風(fēng)的吹拂也使得火焰的底部與燃料表面的接觸面積發(fā)生變化，進(jìn)一步加劇了火焰的傾斜。隨著風(fēng)速增大到5m/s，火焰的傾斜角度增大到約30°，火焰形狀變得更加細(xì)長(zhǎng)，火焰的底部被拉長(zhǎng)，呈現(xiàn)出明顯的彎曲狀。此時(shí)，風(fēng)對(duì)火焰的拉伸作用更加明顯，火焰的穩(wěn)定性受到一定影響，火焰表面出現(xiàn)了一些波動(dòng)和褶皺。這是因?yàn)轱L(fēng)速的增加使得火焰周圍的空氣流動(dòng)更加劇烈，火焰受到的空氣動(dòng)力增大，導(dǎo)致火焰形狀發(fā)生較大變化。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到8m/s時(shí)，火焰的傾斜角度進(jìn)一步增大到約45°，火焰被拉得更長(zhǎng)，且出現(xiàn)了明顯的擺動(dòng)現(xiàn)象?；鹧娴臄[動(dòng)頻率隨著風(fēng)速的增加而增加，這是由于強(qiáng)風(fēng)作用下，火焰周圍的空氣形成了不穩(wěn)定的湍流，使得火焰受到的空氣動(dòng)力不斷變化，從而導(dǎo)致火焰擺動(dòng)?；鹧娴捻敹艘沧兊酶蛹怃J，這是因?yàn)榛鹧嬖陧橈L(fēng)方向的傳播速度加快，使得火焰頂端的熱量迅速散失，溫度降低，從而形成了尖銳的形狀。當(dāng)風(fēng)速增大到10m/s時(shí)，火焰的傾斜角度接近60°，火焰的擺動(dòng)更加劇烈，部分火焰甚至出現(xiàn)了破碎的現(xiàn)象。這是因?yàn)檫^高的風(fēng)速使得火焰受到的空氣動(dòng)力超過了火焰自身的穩(wěn)定性極限，導(dǎo)致火焰無(wú)法保持完整的形態(tài)，出現(xiàn)破碎。破碎的火焰會(huì)形成多個(gè)小火焰，這些小火焰在風(fēng)中繼續(xù)燃燒和傳播，增加了火災(zāi)的蔓延范圍和危險(xiǎn)性。為了更準(zhǔn)確地描述火焰傾斜角度與風(fēng)速之間的關(guān)系，對(duì)不同風(fēng)速下的火焰傾斜角度進(jìn)行了測(cè)量和統(tǒng)計(jì)，得到了如圖3所示的火焰傾斜角度隨風(fēng)速變化的曲線。從圖中可以看出，火焰傾斜角度與風(fēng)速之間呈現(xiàn)出近似線性的關(guān)系，隨著風(fēng)速的增加，火焰傾斜角度逐漸增大。通過線性擬合，得到火焰傾斜角度\theta與風(fēng)速v的關(guān)系式為\theta=5.5v+2.5，其中\(zhòng)theta的單位為度，v的單位為m/s。該關(guān)系式為進(jìn)一步研究環(huán)境風(fēng)對(duì)火焰形態(tài)的影響提供了量化依據(jù)。[此處插入圖3：火焰傾斜角度隨風(fēng)速變化曲線]3.2.2火焰長(zhǎng)度與高度變化在不同環(huán)境風(fēng)速下，對(duì)火焰的長(zhǎng)度和高度進(jìn)行了精確測(cè)量，得到了火焰長(zhǎng)度和高度隨風(fēng)速的變化數(shù)據(jù)。在無(wú)風(fēng)狀態(tài)下，火焰長(zhǎng)度較短，平均長(zhǎng)度約為25cm，火焰高度相對(duì)較低，平均高度約為30cm。此時(shí)，火焰主要依靠自身的熱浮力向上傳播，熱量傳遞主要以熱輻射和自然對(duì)流為主，火焰的發(fā)展受到一定限制。當(dāng)風(fēng)速為2m/s時(shí)，火焰長(zhǎng)度明顯增加，平均長(zhǎng)度達(dá)到35cm，火焰高度也有所上升，平均高度達(dá)到35cm。這是因?yàn)轱L(fēng)速的增加為火焰提供了更多的氧氣，促進(jìn)了燃燒反應(yīng)，使得火焰的熱釋放速率增加，從而導(dǎo)致火焰長(zhǎng)度和高度的增加。風(fēng)還加速了熱量的傳遞，使得火焰能夠更快地向周圍傳播，進(jìn)一步拉長(zhǎng)了火焰長(zhǎng)度。隨著風(fēng)速增大到5m/s，火焰長(zhǎng)度進(jìn)一步增加到45cm，火焰高度達(dá)到40cm。此時(shí)，風(fēng)對(duì)火焰的拉伸和加速作用更加明顯，火焰在順風(fēng)方向的傳播速度加快，火焰的長(zhǎng)度和高度都有較大幅度的增長(zhǎng)。燃燒產(chǎn)生的熱量也能夠更有效地傳遞到周圍的燃料上，促進(jìn)了燃料的燃燒，使得火焰更加旺盛。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到8m/s時(shí)，火焰長(zhǎng)度達(dá)到55cm，火焰高度達(dá)到45cm。在強(qiáng)風(fēng)的作用下，火焰周圍的空氣流動(dòng)更加劇烈，形成了強(qiáng)烈的對(duì)流，為火焰提供了充足的氧氣，使得火焰的燃燒更加劇烈，火焰長(zhǎng)度和高度持續(xù)增加?；鹧娴男螤钜沧兊酶硬灰?guī)則，這是由于強(qiáng)風(fēng)對(duì)火焰的干擾作用增強(qiáng)，導(dǎo)致火焰表面出現(xiàn)了更多的波動(dòng)和褶皺。當(dāng)風(fēng)速增大到10m/s時(shí)，火焰長(zhǎng)度達(dá)到65cm，火焰高度達(dá)到50cm。然而，在實(shí)驗(yàn)中觀察到，當(dāng)風(fēng)速過高時(shí)，如10m/s，火焰的穩(wěn)定性受到較大影響，部分火焰被吹離燃料表面，導(dǎo)致火焰的連續(xù)性受到破壞。這是因?yàn)檫^高的風(fēng)速使得火焰受到的空氣動(dòng)力過大，超過了火焰與燃料表面的附著力，使得部分火焰被吹離燃料表面。這些被吹離的火焰在空氣中繼續(xù)燃燒，形成了懸空火焰，增加了火災(zāi)的危險(xiǎn)性。為了更直觀地展示火焰長(zhǎng)度和高度隨風(fēng)速的變化規(guī)律，繪制了如圖4所示的火焰長(zhǎng)度和高度隨風(fēng)速變化的曲線。從圖中可以看出，火焰長(zhǎng)度和高度都隨著風(fēng)速的增加而增加，且增長(zhǎng)趨勢(shì)較為明顯。在低風(fēng)速范圍內(nèi)，火焰長(zhǎng)度和高度的增長(zhǎng)速度相對(duì)較慢；隨著風(fēng)速的增大，增長(zhǎng)速度逐漸加快。這表明環(huán)境風(fēng)速對(duì)火焰長(zhǎng)度和高度的影響在高風(fēng)速下更為顯著。[此處插入圖4：火焰長(zhǎng)度和高度隨風(fēng)速變化曲線]火焰長(zhǎng)度和高度的變化對(duì)火蔓延有著重要的影響。較長(zhǎng)的火焰能夠?qū)⒏嗟臒崃總鬟f到前方的燃料上，使燃料更快地達(dá)到著火溫度，從而促進(jìn)火蔓延。較高的火焰也意味著更大的熱釋放速率和更強(qiáng)的熱輻射，能夠?qū)χ車沫h(huán)境產(chǎn)生更大的影響，進(jìn)一步擴(kuò)大火災(zāi)的范圍。在實(shí)際火災(zāi)防控中，需要充分考慮火焰長(zhǎng)度和高度的變化，采取有效的措施來(lái)控制火焰的發(fā)展，減少火災(zāi)的危害。3.3環(huán)境風(fēng)對(duì)熱傳遞過程的影響3.3.1熱輻射與熱對(duì)流的變化通過對(duì)熱流測(cè)量數(shù)據(jù)的深入分析，清晰地揭示了環(huán)境風(fēng)對(duì)熱輻射和熱對(duì)流的顯著影響。在無(wú)風(fēng)狀態(tài)下，熱輻射在熱量傳遞中占據(jù)主導(dǎo)地位。此時(shí)，火焰主要通過熱輻射將熱量傳遞給周圍的燃料和環(huán)境。以距離火源中心水平距離為15cm處的熱流測(cè)量數(shù)據(jù)為例，熱輻射產(chǎn)生的熱流密度在實(shí)驗(yàn)初期為30kW/m2左右，隨著燃燒的進(jìn)行，熱輻射熱流密度逐漸增加，在火焰達(dá)到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)時(shí)，熱輻射熱流密度達(dá)到45kW/m2左右。這是因?yàn)樵跓o(wú)風(fēng)條件下，火焰相對(duì)穩(wěn)定，熱量主要以輻射的方式向周圍傳播，火焰的熱輻射能夠使周圍的燃料表面溫度升高，從而促進(jìn)燃料的熱解和燃燒。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為2m/s時(shí)，熱對(duì)流開始發(fā)揮重要作用，熱對(duì)流產(chǎn)生的熱流密度逐漸增加。在相同的水平距離15cm處，熱對(duì)流熱流密度在實(shí)驗(yàn)初期為10kW/m2左右，隨著燃燒的進(jìn)行，熱對(duì)流熱流密度逐漸上升，在火焰穩(wěn)定燃燒時(shí)達(dá)到20kW/m2左右。此時(shí)，熱輻射熱流密度略有下降，在火焰穩(wěn)定燃燒時(shí)為40kW/m2左右。這是因?yàn)轱L(fēng)速的增加使得空氣流動(dòng)增強(qiáng)，形成了強(qiáng)制對(duì)流，加速了熱量的傳遞。熱對(duì)流將火焰周圍的熱量迅速帶走，同時(shí)將新鮮空氣帶入，為燃燒提供了更多的氧氣，使得燃燒更加劇烈，熱釋放速率增加。熱對(duì)流也改變了熱量的傳遞方向，使得熱量更多地沿著風(fēng)向傳遞，從而影響了熱輻射的分布。隨著風(fēng)速進(jìn)一步增大到5m/s，熱對(duì)流的作用更加顯著，熱對(duì)流熱流密度大幅增加。在15cm處，熱對(duì)流熱流密度在實(shí)驗(yàn)初期達(dá)到20kW/m2左右，在火焰穩(wěn)定燃燒時(shí)增加到35kW/m2左右。而熱輻射熱流密度則進(jìn)一步下降，在火焰穩(wěn)定燃燒時(shí)為30kW/m2左右。此時(shí)，火焰被拉長(zhǎng)并向順風(fēng)方向傾斜，火焰與周圍空氣的接觸面積增大，熱對(duì)流作用更加明顯。熱對(duì)流不僅將火焰的熱量迅速傳遞到順風(fēng)方向，還使得火焰周圍的空氣溫度分布更加不均勻，進(jìn)一步影響了熱輻射的強(qiáng)度和方向。在風(fēng)速為8m/s時(shí)，熱對(duì)流熱流密度在15cm處實(shí)驗(yàn)初期達(dá)到30kW/m2左右，火焰穩(wěn)定燃燒時(shí)達(dá)到45kW/m2左右，而熱輻射熱流密度在火焰穩(wěn)定燃燒時(shí)降至20kW/m2左右。當(dāng)風(fēng)速增大到10m/s時(shí)，熱對(duì)流熱流密度在實(shí)驗(yàn)初期達(dá)到40kW/m2左右，火焰穩(wěn)定燃燒時(shí)達(dá)到55kW/m2左右，熱輻射熱流密度在火焰穩(wěn)定燃燒時(shí)僅為15kW/m2左右。在高風(fēng)速下，熱對(duì)流的強(qiáng)烈作用使得火焰的穩(wěn)定性受到影響，部分火焰被吹離燃料表面，形成懸空火焰，導(dǎo)致熱輻射的作用進(jìn)一步減弱，而熱對(duì)流成為熱量傳遞的主要方式。為了更直觀地展示環(huán)境風(fēng)對(duì)熱輻射和熱對(duì)流的影響，繪制了熱輻射和熱對(duì)流熱流密度隨風(fēng)速變化的曲線，如圖5所示。從圖中可以明顯看出，隨著風(fēng)速的增加，熱對(duì)流熱流密度逐漸增大，而熱輻射熱流密度逐漸減小。在低風(fēng)速范圍內(nèi)，熱輻射熱流密度相對(duì)較大，熱對(duì)流熱流密度相對(duì)較?。浑S著風(fēng)速的增大，熱對(duì)流熱流密度迅速增加，逐漸超過熱輻射熱流密度，成為熱量傳遞的主導(dǎo)方式。這種變化趨勢(shì)表明，環(huán)境風(fēng)對(duì)熱傳遞過程的影響顯著，在不同風(fēng)速條件下，熱輻射和熱對(duì)流在熱量傳遞中的相對(duì)作用發(fā)生了明顯的改變。[此處插入圖5：熱輻射和熱對(duì)流熱流密度隨風(fēng)速變化曲線]熱輻射和熱對(duì)流的變化對(duì)火蔓延有著重要的影響。熱輻射能夠使周圍的燃料表面溫度升高，促進(jìn)燃料的熱解和燃燒，從而推動(dòng)火蔓延。而熱對(duì)流不僅為燃燒提供了更多的氧氣，加速了熱量的傳遞，還改變了火焰的形態(tài)和熱量的傳遞方向，進(jìn)一步影響了火蔓延的速度和方向。在實(shí)際火災(zāi)防控中，需要充分考慮環(huán)境風(fēng)對(duì)熱輻射和熱對(duì)流的影響，采取有效的措施來(lái)控制熱量的傳遞，減少火災(zāi)的危害。3.3.2燃料溫度分布特征通過實(shí)驗(yàn)，精確地測(cè)量并展示了不同環(huán)境風(fēng)速下燃料溫度分布的情況。在無(wú)風(fēng)狀態(tài)下，燃料溫度分布呈現(xiàn)出以火源為中心的近似對(duì)稱分布。以燃料陣列中距離火源最近的第一排燃料為例，中心位置的燃料溫度在實(shí)驗(yàn)開始后迅速上升，在30s時(shí)達(dá)到200℃左右，隨后溫度繼續(xù)升高，在60s時(shí)達(dá)到350℃左右，此時(shí)燃料開始發(fā)生明顯的熱解和燃燒現(xiàn)象。隨著距離火源距離的增加，燃料溫度逐漸降低。在距離中心位置水平距離為5cm的燃料處，30s時(shí)溫度為150℃左右，60s時(shí)溫度為250℃左右；在距離中心位置水平距離為10cm的燃料處，30s時(shí)溫度為100℃左右，60s時(shí)溫度為180℃左右。這是因?yàn)樵跓o(wú)風(fēng)條件下，熱量主要通過熱輻射和自然對(duì)流傳遞，熱輻射的強(qiáng)度隨著距離的增加而逐漸減弱，導(dǎo)致燃料溫度隨著距離火源的距離增加而降低。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為2m/s時(shí)，燃料溫度分布發(fā)生了明顯的變化。在第一排燃料中，順風(fēng)方向的燃料溫度上升速度明顯加快。在順風(fēng)方向距離中心位置水平距離為5cm的燃料處，30s時(shí)溫度達(dá)到180℃左右，60s時(shí)溫度達(dá)到380℃左右，比無(wú)風(fēng)狀態(tài)下相同位置的燃料溫度更高。而逆風(fēng)方向的燃料溫度上升速度相對(duì)較慢，在逆風(fēng)方向距離中心位置水平距離為5cm的燃料處，30s時(shí)溫度為120℃左右，60s時(shí)溫度為220℃左右。這是因?yàn)轱L(fēng)速的增加使得熱對(duì)流作用增強(qiáng)，順風(fēng)方向的空氣流動(dòng)將火焰的熱量迅速傳遞到該方向的燃料上，使燃料更快地吸收熱量，溫度升高速度加快；而逆風(fēng)方向的空氣流動(dòng)阻礙了熱量的傳遞，使得燃料溫度升高速度減慢。隨著風(fēng)速增大到5m/s，燃料溫度分布的不均勻性更加明顯。在順風(fēng)方向，燃料溫度不僅上升速度快，而且高溫區(qū)域的范圍也擴(kuò)大。在第一排燃料中，順風(fēng)方向距離中心位置水平距離為10cm的燃料處，30s時(shí)溫度達(dá)到200℃左右，60s時(shí)溫度達(dá)到420℃左右，此時(shí)該位置的燃料已經(jīng)開始劇烈燃燒。而逆風(fēng)方向的燃料溫度仍然相對(duì)較低，在逆風(fēng)方向距離中心位置水平距離為10cm的燃料處，30s時(shí)溫度為100℃左右，60s時(shí)溫度為180℃左右。這表明在較高風(fēng)速下，熱對(duì)流的作用更為顯著，熱量在順風(fēng)方向的傳遞更加高效，導(dǎo)致順風(fēng)方向的燃料更容易被點(diǎn)燃和燃燒，形成更大范圍的高溫區(qū)域。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到8m/s時(shí)，在第一排燃料中，順風(fēng)方向距離中心位置水平距離為15cm的燃料處，30s時(shí)溫度達(dá)到220℃左右，60s時(shí)溫度達(dá)到450℃左右；而逆風(fēng)方向距離中心位置水平距離為15cm的燃料處，30s時(shí)溫度為80℃左右，60s時(shí)溫度為150℃左右。當(dāng)風(fēng)速增大到10m/s時(shí)，在第一排燃料中，順風(fēng)方向距離中心位置水平距離為15cm的燃料處，30s時(shí)溫度達(dá)到250℃左右，60s時(shí)溫度達(dá)到500℃左右；而逆風(fēng)方向距離中心位置水平距離為15cm的燃料處，30s時(shí)溫度為60℃左右，60s時(shí)溫度為120℃左右。在高風(fēng)速下，熱對(duì)流的作用極為強(qiáng)烈，使得燃料溫度在順風(fēng)方向和逆風(fēng)方向的差異進(jìn)一步增大，順風(fēng)方向的燃料迅速達(dá)到高溫并燃燒，而逆風(fēng)方向的燃料則難以被點(diǎn)燃和燃燒。為了更直觀地展示不同環(huán)境風(fēng)速下燃料溫度分布的特征，繪制了不同風(fēng)速下燃料溫度隨距離變化的曲線，如圖6所示。從圖中可以清晰地看出，隨著風(fēng)速的增加，燃料溫度分布的不均勻性逐漸增大，順風(fēng)方向的燃料溫度明顯高于逆風(fēng)方向，且高溫區(qū)域向順風(fēng)方向擴(kuò)展。這種燃料溫度分布特征與火蔓延密切相關(guān)，順風(fēng)方向的高溫燃料更容易被點(diǎn)燃和燃燒，從而促進(jìn)火向順風(fēng)方向蔓延，而逆風(fēng)方向的低溫燃料則限制了火的蔓延。在實(shí)際火災(zāi)防控中，了解燃料溫度分布特征對(duì)于預(yù)測(cè)火蔓延方向和制定滅火策略具有重要意義。[此處插入圖6：不同風(fēng)速下燃料溫度隨距離變化曲線（以第一排燃料為例）]四、離散燃料火蔓延機(jī)理分析4.1火焰?zhèn)鞑ダ碚摶A(chǔ)4.1.1火焰?zhèn)鞑サ幕靖拍罨鹧鎮(zhèn)鞑ナ侵溉紵磻?yīng)從火源向周圍未燃物質(zhì)傳播的過程，它是火災(zāi)發(fā)展和蔓延的核心環(huán)節(jié)。從微觀角度來(lái)看，火焰?zhèn)鞑ナ且粋€(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，涉及到熱量傳遞、質(zhì)量擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)等多個(gè)方面。當(dāng)火源點(diǎn)燃周圍的可燃物質(zhì)時(shí)，可燃物質(zhì)表面的分子獲得足夠的能量，開始發(fā)生熱解反應(yīng)，產(chǎn)生可燃?xì)怏w。這些可燃?xì)怏w與周圍的氧氣混合形成可燃混合氣，在火源的作用下，混合氣中的分子發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，釋放出大量的熱量和光，形成火焰?；鹧娴母邷赜謺?huì)使周圍的可燃物質(zhì)繼續(xù)熱解，產(chǎn)生更多的可燃?xì)怏w，從而使火焰不斷向周圍傳播。根據(jù)火焰?zhèn)鞑サ姆绞胶退俣?，可將其分為緩燃和爆燃兩種類型。緩燃，又稱正常傳播，是火焰鋒面以導(dǎo)熱和對(duì)流的方式向可燃混合物傳遞熱量，引起火焰?zhèn)鞑サ倪^程。在緩燃過程中，火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬?duì)較低，一般在1-3m/s之間，傳播過程較為穩(wěn)定。在日常生活中，常見的蠟燭燃燒、木材緩慢燃燒等現(xiàn)象都屬于緩燃。爆燃則是由于絕熱壓縮引起的火焰?zhèn)鞑ィ揽考げǖ膲嚎s作用使未燃混合氣的溫度升高，從而引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，使燃燒波不斷向未燃?xì)馔七M(jìn)。爆燃的傳播速度極快，可接近或達(dá)到聲速，通常大于1000m/s。爆燃過程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波和壓力波動(dòng)，具有極大的破壞力，如煤礦瓦斯爆炸、粉塵爆炸等都屬于爆燃現(xiàn)象?；鹧媲颁h是火焰?zhèn)鞑ミ^程中的一個(gè)重要概念，它是指向新鮮混氣傳播的火焰前沿，是一個(gè)薄薄的化學(xué)反應(yīng)發(fā)光區(qū)?；鹧媲颁h將已燃?xì)怏w和未燃?xì)怏w分隔開來(lái)，在火焰前鋒內(nèi)，燃燒化學(xué)反應(yīng)劇烈進(jìn)行，產(chǎn)生大量的熱量和活性粒子，這些熱量和活性粒子通過熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射等方式向周圍的未燃?xì)怏w傳遞，使未燃?xì)怏w溫度升高，達(dá)到著火溫度，從而引發(fā)燃燒反應(yīng)，使火焰不斷向前傳播?；鹧媲颁h的形狀和位置會(huì)隨著燃燒條件的變化而發(fā)生改變，在靜止的可燃混合氣中，火焰前鋒通常呈球形或近似球形；在有氣流存在的情況下，火焰前鋒會(huì)受到氣流的影響而發(fā)生變形，如在環(huán)境風(fēng)作用下，火焰前鋒會(huì)向順風(fēng)方向傾斜和拉伸。4.1.2熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射在火焰?zhèn)鞑ブ械淖饔脽醾鲗?dǎo)是指物體內(nèi)部由于溫度差異而引起的熱量傳遞過程，它是通過物質(zhì)內(nèi)部的分子或電子的熱運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，熱傳導(dǎo)主要發(fā)生在固體燃料內(nèi)部以及固體燃料與周圍氣體的接觸面上。當(dāng)火焰接觸到固體燃料時(shí)，火焰的高溫會(huì)使固體燃料表面的分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，這些分子通過與相鄰分子的碰撞，將熱量傳遞給內(nèi)部的分子，使固體燃料內(nèi)部的溫度逐漸升高。在木材燃燒時(shí)，火焰的熱量通過熱傳導(dǎo)傳遞到木材內(nèi)部，使木材內(nèi)部的溫度升高，當(dāng)溫度達(dá)到木材的熱解溫度時(shí)，木材開始熱解，產(chǎn)生可燃?xì)怏w，為火焰的傳播提供燃料。熱傳導(dǎo)的速度受到物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)、溫度差和熱傳導(dǎo)路徑長(zhǎng)度等因素的影響。導(dǎo)熱系數(shù)越大，溫度差越大，熱傳導(dǎo)路徑越短，熱傳導(dǎo)速度就越快。不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)差異很大，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)較高，而木材、塑料等有機(jī)材料的導(dǎo)熱系數(shù)較低。在火災(zāi)中，金屬材料容易通過熱傳導(dǎo)將熱量傳遞到其他部位，引發(fā)更大范圍的火災(zāi)；而導(dǎo)熱系數(shù)低的材料則相對(duì)較難傳遞熱量，對(duì)火焰的傳播有一定的阻礙作用。熱對(duì)流是指流體（氣體或液體）中由于溫度差異而引起的熱量傳遞過程，它是通過流體的宏觀運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，熱對(duì)流主要發(fā)生在火焰周圍的氣體中?；鹧娴母邷厥怪車鷼怏w溫度升高，氣體受熱膨脹，密度減小，從而形成向上的氣流。這種氣流將火焰的熱量和燃燒產(chǎn)物向上輸送，同時(shí)將周圍的新鮮空氣卷入火焰區(qū)域，為燃燒提供更多的氧氣。在環(huán)境風(fēng)的作用下，熱對(duì)流的強(qiáng)度和方向會(huì)發(fā)生改變。風(fēng)的吹拂會(huì)使火焰周圍的氣流速度加快，增強(qiáng)熱對(duì)流的作用，使火焰的熱量更快地傳遞到周圍的可燃物質(zhì)上，促進(jìn)火焰的傳播。熱對(duì)流還會(huì)影響火焰的形狀和穩(wěn)定性，在強(qiáng)風(fēng)條件下，火焰會(huì)被拉長(zhǎng)、傾斜，甚至出現(xiàn)破碎的現(xiàn)象，這是由于熱對(duì)流使火焰周圍的氣流變得不穩(wěn)定，對(duì)火焰產(chǎn)生了較大的作用力。熱輻射是指物體通過發(fā)射電磁波來(lái)傳遞熱量的過程，它不需要任何介質(zhì)，可以在真空中傳播。在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，熱輻射是火焰向周圍可燃物質(zhì)傳遞熱量的重要方式之一。火焰是一個(gè)高溫物體，會(huì)發(fā)射出大量的熱輻射，包括紅外線、可見光和紫外線等。這些熱輻射能夠直接穿透空氣，將熱量傳遞到周圍的可燃物質(zhì)表面，使可燃物質(zhì)表面的溫度升高，達(dá)到著火溫度后，引發(fā)燃燒反應(yīng)。在森林火災(zāi)中，火焰的熱輻射可以使周圍的樹木表面溫度升高，當(dāng)溫度達(dá)到樹木的著火點(diǎn)時(shí)，樹木就會(huì)被點(diǎn)燃，從而使火災(zāi)迅速蔓延。熱輻射的強(qiáng)度與物體的溫度、表面發(fā)射率和輻射面積等因素有關(guān)。溫度越高，表面發(fā)射率越大，輻射面積越大，熱輻射的強(qiáng)度就越強(qiáng)。在火災(zāi)中，火焰的溫度越高，熱輻射的強(qiáng)度就越大，對(duì)周圍可燃物質(zhì)的影響范圍也就越廣。熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射在火焰?zhèn)鞑ミ^程中相互作用、相互影響。熱傳導(dǎo)為熱對(duì)流和熱輻射提供了熱量傳遞的基礎(chǔ)，熱對(duì)流則加速了熱量的傳遞和物質(zhì)的混合，熱輻射則能夠在遠(yuǎn)距離上傳遞熱量，使火焰能夠傳播到更遠(yuǎn)的地方。在不同的燃燒條件下，這三種傳熱方式的相對(duì)重要性會(huì)有所不同。在無(wú)風(fēng)狀態(tài)下，熱輻射在熱量傳遞中占據(jù)主導(dǎo)地位；隨著風(fēng)速的增加，熱對(duì)流的作用逐漸增強(qiáng)，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定程度時(shí)，熱對(duì)流將成為熱量傳遞的主要方式。在實(shí)際火災(zāi)中，這三種傳熱方式往往同時(shí)存在，共同影響著火焰的傳播和火災(zāi)的發(fā)展。4.2環(huán)境風(fēng)作用下離散燃料火蔓延的物理過程4.2.1風(fēng)與火焰的相互作用環(huán)境風(fēng)與火焰之間存在著復(fù)雜的相互作用機(jī)制，風(fēng)力對(duì)火焰的拉伸、扭曲和吹熄等影響顯著改變了火焰的形態(tài)和燃燒特性。當(dāng)環(huán)境風(fēng)作用于火焰時(shí)，首先會(huì)對(duì)火焰產(chǎn)生明顯的拉伸作用。風(fēng)的流動(dòng)會(huì)使火焰周圍的空氣形成氣流場(chǎng)，在火焰的迎風(fēng)面，氣流速度增加，壓力降低；而在火焰的背風(fēng)面，氣流速度相對(duì)較小，壓力較高。這種壓力差會(huì)導(dǎo)致火焰向順風(fēng)方向拉伸，使火焰的長(zhǎng)度增加。在風(fēng)速為5m/s的實(shí)驗(yàn)中，火焰的長(zhǎng)度相較于無(wú)風(fēng)狀態(tài)下增加了約20cm，火焰呈現(xiàn)出明顯的細(xì)長(zhǎng)形狀。隨著風(fēng)速的進(jìn)一步增大，火焰的拉伸作用更加明顯，火焰的長(zhǎng)度和寬度都會(huì)發(fā)生顯著變化，火焰的穩(wěn)定性也會(huì)受到影響。風(fēng)力還會(huì)使火焰發(fā)生扭曲。在風(fēng)的作用下，火焰周圍的氣流變得不均勻，導(dǎo)致火焰不同部位受到的空氣動(dòng)力不同?；鹧娴牡撞坑捎谂c燃料表面接觸，受到的摩擦力較大，氣流速度相對(duì)較??；而火焰的頂部則受到風(fēng)的直接吹拂，氣流速度較大。這種速度差會(huì)使火焰發(fā)生彎曲和扭曲，火焰的形狀變得不規(guī)則。在風(fēng)速為8m/s時(shí)，火焰的扭曲現(xiàn)象十分明顯，火焰表面出現(xiàn)了大量的褶皺和波動(dòng)，火焰的傾斜角度也增大，進(jìn)一步加劇了火焰的不穩(wěn)定。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定程度時(shí)，風(fēng)還可能將火焰吹熄。這是因?yàn)檫^高的風(fēng)速會(huì)使火焰周圍的空氣流動(dòng)過于劇烈，導(dǎo)致燃料表面的熱量迅速散失，無(wú)法維持燃燒所需的溫度。風(fēng)還會(huì)使火焰與燃料表面的接觸時(shí)間縮短，燃料無(wú)法充分燃燒。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)速超過10m/s時(shí)，部分火焰會(huì)被吹離燃料表面，出現(xiàn)懸空火焰的現(xiàn)象。如果風(fēng)速繼續(xù)增大，懸空火焰可能會(huì)熄滅，導(dǎo)致燃燒中斷。吹熄現(xiàn)象的發(fā)生與燃料的性質(zhì)、火焰的大小和穩(wěn)定性等因素密切相關(guān)。揮發(fā)性較低的燃料，其著火溫度較高，燃燒過程相對(duì)穩(wěn)定，在一定程度上能夠抵抗風(fēng)的吹熄作用；而揮發(fā)性較高的燃料，著火溫度較低，燃燒過程相對(duì)不穩(wěn)定，更容易被風(fēng)的吹熄。風(fēng)與火焰的相互作用還會(huì)影響火焰的熱輻射和熱對(duì)流。風(fēng)的吹拂會(huì)改變火焰的形狀和方向，從而影響熱輻射的分布。在風(fēng)的作用下，火焰向順風(fēng)方向傾斜，熱輻射更多地集中在順風(fēng)方向，使得順風(fēng)方向的燃料更容易吸收熱量，達(dá)到著火溫度，進(jìn)而促進(jìn)火的蔓延。風(fēng)的流動(dòng)還會(huì)增強(qiáng)熱對(duì)流的作用，加快熱量的傳遞速度。風(fēng)將火焰周圍的熱空氣迅速帶走，同時(shí)將新鮮空氣卷入，為燃燒提供更多的氧氣，使燃燒更加劇烈，熱釋放速率增加。這種熱對(duì)流的增強(qiáng)也會(huì)進(jìn)一步影響火焰的形態(tài)和穩(wěn)定性，形成一個(gè)相互影響的復(fù)雜過程。4.2.2燃料的熱解與氣化過程環(huán)境風(fēng)對(duì)燃料的熱解和氣化過程有著重要影響，熱解產(chǎn)物和氣化產(chǎn)物在火蔓延中也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。燃料的熱解是指在高溫作用下，燃料中的大分子有機(jī)物分解為小分子氣體和固體殘?jiān)倪^程。在熱解過程中，燃料中的化學(xué)鍵斷裂，產(chǎn)生各種揮發(fā)性氣體，如氫氣、一氧化碳、甲烷等，以及焦油、焦炭等固體產(chǎn)物。氣化則是指固體燃料在高溫下與氧化劑（如氧氣、水蒸氣等）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為氣體燃料的過程。在環(huán)境風(fēng)的作用下，燃料的熱解和氣化過程會(huì)發(fā)生顯著變化。風(fēng)能夠加速燃料的熱解和氣化。風(fēng)速的增加使得空氣與燃料表面的接觸更加充分，氧氣供應(yīng)更加充足，從而促進(jìn)了熱解和氣化反應(yīng)的進(jìn)行。風(fēng)還會(huì)帶走熱解和氣化產(chǎn)生的產(chǎn)物，減少產(chǎn)物在燃料表面的積聚，有利于反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行。在風(fēng)速為5m/s的實(shí)驗(yàn)中，與無(wú)風(fēng)狀態(tài)相比，燃料的熱解速率明顯加快，熱解產(chǎn)物的生成量也增加。這是因?yàn)轱L(fēng)的吹拂使燃料表面的溫度分布更加均勻，提高了燃料的加熱速率，促進(jìn)了大分子有機(jī)物的分解。風(fēng)還能夠?qū)峤猱a(chǎn)生的揮發(fā)性氣體迅速帶走，避免了這些氣體在燃料表面的二次反應(yīng)，提高了熱解產(chǎn)物的產(chǎn)率。環(huán)境風(fēng)還會(huì)影響熱解產(chǎn)物和氣化產(chǎn)物的擴(kuò)散和混合。熱解產(chǎn)物和氣化產(chǎn)物在空氣中的擴(kuò)散和混合情況直接影響著火的蔓延。在風(fēng)的作用下，熱解產(chǎn)物和氣化產(chǎn)物會(huì)被迅速吹散，與周圍的空氣混合形成可燃混合氣。如果混合氣的濃度達(dá)到著火極限，遇到火源就會(huì)引發(fā)燃燒，從而促進(jìn)火的蔓延。在強(qiáng)風(fēng)條件下，熱解產(chǎn)物和氣化產(chǎn)物會(huì)被吹向更遠(yuǎn)的地方，增加了火災(zāi)的蔓延范圍。在風(fēng)速為8m/s時(shí)，熱解產(chǎn)物和氣化產(chǎn)物能夠在短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散到距離燃料源較遠(yuǎn)的區(qū)域，當(dāng)這些區(qū)域存在可燃物質(zhì)時(shí)，就容易引發(fā)新的火源，導(dǎo)致火災(zāi)的擴(kuò)大。熱解產(chǎn)物和氣化產(chǎn)物在火蔓延中起著重要的作用。氫氣、一氧化碳、甲烷等氣體具有較高的可燃性，是火蔓延的重要燃料來(lái)源。這些氣體在火焰的加熱下，能夠迅速與氧氣發(fā)生反應(yīng)，釋放出大量的熱量，為火焰的傳播提供能量。焦油等液體產(chǎn)物在高溫下也會(huì)發(fā)生氣化，進(jìn)一步增加可燃?xì)怏w的濃度，促進(jìn)火的蔓延。焦炭等固體產(chǎn)物則在一定程度上能夠維持火焰的穩(wěn)定，為燃燒提供持續(xù)的燃料。焦炭的燃燒過程相對(duì)緩慢，但能夠持續(xù)釋放熱量，保證火焰在燃料表面的持續(xù)存在，為熱解和氣化反應(yīng)提供熱量，促進(jìn)火的蔓延。環(huán)境風(fēng)還會(huì)影響燃料的熱解和氣化溫度。風(fēng)速的變化會(huì)改變?nèi)剂现車臏囟葓?chǎng)和氣流場(chǎng)，從而影響熱解和氣化反應(yīng)的起始溫度和反應(yīng)速率。在低風(fēng)速下，燃料周圍的溫度相對(duì)較高，熱解和氣化反應(yīng)更容易發(fā)生；而在高風(fēng)速下，風(fēng)的冷卻作用會(huì)使燃料表面的溫度降低，熱解和氣化反應(yīng)的起始溫度可能會(huì)升高，反應(yīng)速率也會(huì)受到一定的影響。這種溫度的變化會(huì)進(jìn)一步影響熱解產(chǎn)物和氣化產(chǎn)物的生成量和組成，從而對(duì)火蔓延產(chǎn)生影響。4.3建立離散燃料火蔓延的理論模型4.3.1模型假設(shè)與簡(jiǎn)化為了便于對(duì)環(huán)境風(fēng)作用下離散燃料火蔓延過程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述和求解，本研究提出以下假設(shè)和簡(jiǎn)化條件：將離散燃料視為均勻的固體介質(zhì)，忽略燃料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分的微小差異。在實(shí)際情況中，離散燃料如木材，其內(nèi)部的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、纖維分布以及化學(xué)成分的不均勻性會(huì)對(duì)燃燒和熱傳遞產(chǎn)生一定影響，但在本模型中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將其近似看作均勻的材料，以便更集中地研究環(huán)境風(fēng)等外部因素對(duì)火蔓延的影響。假設(shè)環(huán)境風(fēng)為穩(wěn)定的均勻流，不考慮風(fēng)速和風(fēng)向的瞬間變化以及風(fēng)的湍流特性。在實(shí)際火災(zāi)場(chǎng)景中，環(huán)境風(fēng)往往受到地形、建筑物等多種因素的影響，風(fēng)速和風(fēng)向會(huì)發(fā)生復(fù)雜的變化，且存在湍流現(xiàn)象。然而，這些復(fù)雜的風(fēng)場(chǎng)特性會(huì)增加模型的復(fù)雜性和求解難度。為了初步建立理論模型，先假設(shè)環(huán)境風(fēng)為穩(wěn)定的均勻流，后續(xù)可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步修正和完善。忽略燃料燃燒過程中的相變和多相流現(xiàn)象，將燃燒過程簡(jiǎn)化為氣相反應(yīng)。在離散燃料燃燒過程中，燃料會(huì)經(jīng)歷熱解、氣化等相變過程，同時(shí)涉及到氣相、液相和固相之間的相互作用以及多相流的復(fù)雜流動(dòng)。但在本模型中，為了突出主要的物理過程和簡(jiǎn)化計(jì)算，將這些相變和多相流現(xiàn)象進(jìn)行簡(jiǎn)化，重點(diǎn)關(guān)注氣相中的燃燒反應(yīng)和熱傳遞過程。假設(shè)火焰為一維平面火焰，不考慮火焰的三維結(jié)構(gòu)和彎曲效應(yīng)。在實(shí)際情況中，火焰是一個(gè)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，其形狀和傳播方向受到多種因素的影響，如環(huán)境風(fēng)、燃料分布等。然而，在建立理論模型的初期，將火焰簡(jiǎn)化為一維平面火焰，能夠更方便地推導(dǎo)控制方程和進(jìn)行求解，為后續(xù)深入研究火焰的三維特性奠定基礎(chǔ)。4.3.2模型構(gòu)建與求解根據(jù)上述物理過程和假設(shè)條件，建立離散燃料火蔓延的數(shù)學(xué)模型?；谀芰渴睾愣桑紤]環(huán)境風(fēng)作用下燃料燃燒產(chǎn)生的熱量、熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射傳遞的熱量，建立能量守恒方程：\rhoc_p\frac{\partialT}{\partialt}=\nabla\cdot(k\nablaT)+q_{conv}+q_{rad}-q_{loss}其中，\rho為燃料密度，c_p為燃料的定壓比熱容，T為溫度，t為時(shí)間，k為燃料的導(dǎo)熱系數(shù)，q_{conv}為熱對(duì)流產(chǎn)生的熱流密度，q_{rad}為熱輻射產(chǎn)生的熱流密度，q_{loss}為熱量損失，如通過與周圍環(huán)境的熱交換等方式損失的熱量。熱對(duì)流產(chǎn)生的熱流密度q_{conv}可根據(jù)牛頓冷卻定律計(jì)算：q_{conv}=h(T-T_{\infty})其中，h為對(duì)流換熱系數(shù)，T_{\infty}為環(huán)境溫度。熱輻射產(chǎn)生的熱流密度q_{rad}根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律計(jì)算：q_{rad}=\varepsilon\sigma(T^4-T_{\infty}^4)其中，\varepsilon為燃料的發(fā)射率，\sigma為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)?；谫|(zhì)量守恒定律，考慮燃料在燃燒過程中的消耗以及熱解產(chǎn)物和氣化產(chǎn)物的生成，建立質(zhì)量守恒方程：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v})=-\dot{m}_{fuel}其中，\vec{v}為氣體流速，\dot{m}_{fuel}為燃料的質(zhì)量消耗速率。燃料的質(zhì)量消耗速率\dot{m}_{fuel}與燃料的燃燒反應(yīng)速率相關(guān)，可根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理計(jì)算：\dot{m}_{fuel}=A\rho^{n}\exp\left(-\frac{E}{RT}\right)其中，A為指前因子，n為反應(yīng)級(jí)數(shù)，E為活化能，R為氣體常數(shù)?？紤]環(huán)境風(fēng)的作用，建立動(dòng)量守恒方程：\rho\left(\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}+(\vec{v}\cdot\nabla)\vec{v}\right)=-\nablap+\mu\nabla^2\vec{v}+\rho\vec{g}其中，p為壓力，\mu為動(dòng)力粘度，\vec{g}為重力加速度。在環(huán)境風(fēng)作用下，風(fēng)的速度和方向會(huì)影響氣體的流動(dòng)，通過動(dòng)量守恒方程可以描述氣體在風(fēng)的作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。采用有限差分法對(duì)上述偏微分方程組進(jìn)行求解。有限差分法是一種將偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組的數(shù)值方法，通過在空間和時(shí)間上對(duì)求解區(qū)域進(jìn)行離散化，將連續(xù)的物理量用離散點(diǎn)上的值來(lái)近似表示。在空間上，將離散燃料區(qū)域劃分為若干個(gè)網(wǎng)格單元，每個(gè)網(wǎng)格單元內(nèi)的物理量如溫度、密度、速度等用該單元中心的值來(lái)表示。在時(shí)間上，將時(shí)間過程劃分為若干個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，通過迭代計(jì)算逐步求解每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)下各網(wǎng)格單元內(nèi)的物理量。在求解過程中，需要確定邊界條件和初始條件。邊界條件包括燃料區(qū)域的邊界條件和環(huán)境風(fēng)的邊界條件。在燃料區(qū)域的邊界上，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定溫度、熱流密度、質(zhì)量通量等邊界條件。在環(huán)境風(fēng)的入口邊界，給定風(fēng)速和風(fēng)向；在出口邊界，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定壓力或速度條件。初始條件則是在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，確定燃料和環(huán)境的初始溫度、密度、速度等物理量的值。通過不斷迭代求解，得到離散燃料火蔓延過程中各物理量隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律。4.3.3模型驗(yàn)證與分析將理論模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可靠性。以火蔓延速度為例，在不同環(huán)境風(fēng)速和燃料間距條件下，將模型計(jì)算得到的火蔓延速度與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。從圖中可以看出，在低風(fēng)速和較小燃料間距的情況下，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，火蔓延速度的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的相對(duì)誤差在10%以內(nèi)。這表明在這種情況下，模型能夠較好地描述離散燃料火蔓延的過程，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)火蔓延速度。[此處插入圖7：模型計(jì)算火蔓延速度與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值對(duì)比曲線]隨著風(fēng)速的增加和燃料間距的增大，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間出現(xiàn)了一定的偏差。在風(fēng)速為8m/s，燃料間距為15cm時(shí)，火蔓延速度的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的相對(duì)誤差達(dá)到了15%左右。這可能是由于模型中對(duì)一些復(fù)雜物理過程的簡(jiǎn)化，如忽略了火焰的三維結(jié)構(gòu)和湍流效應(yīng)，在高風(fēng)速和大燃料間距條件下，這些簡(jiǎn)化對(duì)模型的準(zhǔn)確性產(chǎn)生了一定影響。實(shí)際火災(zāi)場(chǎng)景中存在的一些不確定因素，如燃料的不均勻性、環(huán)境的復(fù)雜性等，也可能導(dǎo)致模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差。對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行深入分析，探討環(huán)境風(fēng)、燃料特性等因素對(duì)離散燃料火蔓延的影響機(jī)制。從模型計(jì)算結(jié)果可以看出，環(huán)境風(fēng)速的增加會(huì)顯著加快火蔓延速度，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。風(fēng)速的增加不僅為燃燒提供了更多的氧氣，還增強(qiáng)了熱對(duì)流的作用，使熱量能夠更快地傳遞到周圍的燃料上，促進(jìn)了火的蔓延。燃料的熱解特性和燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)火蔓延也有重要影響。燃料的活化能較低，指前因子較大時(shí)，燃料更容易燃燒，火蔓延速度也會(huì)相應(yīng)加快。通過模型計(jì)算還可以分析不同因素之間的相互作用對(duì)火蔓延的影響。環(huán)境風(fēng)與燃料間距之間存在一定的耦合作用，在較小的燃料間距下，環(huán)境風(fēng)對(duì)火蔓延速度的促進(jìn)作用更為明顯；而在較大的燃料間距下，環(huán)境風(fēng)的影響相對(duì)減弱。這是因?yàn)檩^小的燃料間距使得火焰更容易在燃料間傳播，環(huán)境風(fēng)能夠更有效地將熱量傳遞到相鄰燃料上，促進(jìn)火的蔓延；而較大的燃料間距增加了火焰?zhèn)鞑サ碾y度，熱量在傳遞過程中損失較多，削弱了環(huán)境風(fēng)的影響。本模型在一定程度上能夠準(zhǔn)確描述環(huán)境風(fēng)作用下離散燃料火蔓延的過程，但仍存在一些不足之處，需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。在后續(xù)研究中，可以考慮引入更復(fù)雜的物理模型，如考慮火焰的三維結(jié)構(gòu)和湍流效應(yīng)，以提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。還可以結(jié)合更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證，使其能夠更好地應(yīng)用于實(shí)際火災(zāi)的預(yù)測(cè)和防控。五、結(jié)論與展望5.1研究成果總結(jié)本研究通過實(shí)驗(yàn)和理論分析，深入探究了環(huán)境風(fēng)作用下離散燃料火蔓延的特性、機(jī)理和規(guī)律，取得了一系列重要成果。在實(shí)驗(yàn)研究方面，系統(tǒng)地開展了不同環(huán)境風(fēng)條件下的離散燃料火蔓延實(shí)驗(yàn)。搭建了包含風(fēng)洞系統(tǒng)、燃料布置裝置和測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，精確控制實(shí)驗(yàn)變量，設(shè)置了多種實(shí)驗(yàn)工況，獲取了豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境風(fēng)速對(duì)離散燃料火蔓延速度有顯著影響，隨著風(fēng)速的增加，火蔓延速度明顯加快，在風(fēng)速為0-10m/s的范圍內(nèi)，兩者呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系。燃料間距也對(duì)火蔓延速度有重要影響，較小的燃料間距有利于火蔓延，隨著燃料間距的增大，火蔓延速度逐漸降低。在不同風(fēng)速下，燃料間距對(duì)火蔓延速度的影響趨勢(shì)基本一致，但風(fēng)速對(duì)較大燃料間距下火蔓延速度的提升作用相對(duì)較小。對(duì)火焰形態(tài)的研究表明，環(huán)境風(fēng)使火焰形狀發(fā)生明顯變化，火焰出現(xiàn)傾斜、拉長(zhǎng)、扭曲和擺動(dòng)等現(xiàn)象。隨著風(fēng)速的增加，火焰傾斜角度逐漸增大，火焰長(zhǎng)度和高度也不斷增加，且在高風(fēng)速下，火焰的穩(wěn)定性受到影響，部分火焰可能會(huì)被吹離燃料表面，形成懸空火焰。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量，得到了火焰傾斜角度與風(fēng)速之間的近似線性關(guān)系，以及火焰長(zhǎng)度和高度隨風(fēng)速的變化規(guī)律。在熱傳遞過程研究中，明確了環(huán)境風(fēng)對(duì)熱輻射和熱對(duì)流的影響。隨著風(fēng)速的增加，熱對(duì)流作用逐漸增強(qiáng)，熱輻射作用逐漸減弱，在高風(fēng)速下，熱對(duì)流成為熱量傳遞的主要方式。環(huán)境風(fēng)還導(dǎo)致燃料溫度分布不均勻，順風(fēng)方向的燃料溫度明顯高于逆風(fēng)方向，且高溫區(qū)域向順風(fēng)方向擴(kuò)展。在機(jī)理分析方面，深入探討了火焰?zhèn)鞑サ幕靖拍詈蜔醾鲗?dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射在火焰?zhèn)鞑ブ械淖饔?。揭示了環(huán)境風(fēng)作用下離散燃料火蔓延的物理過程，風(fēng)與火焰相互作用，使火焰發(fā)生拉伸、扭曲和吹熄等現(xiàn)象，同時(shí)影響火焰的熱輻射和熱對(duì)流；環(huán)境風(fēng)加速燃料的熱解和氣化，影響熱解產(chǎn)物和氣化產(chǎn)物的擴(kuò)