0 引言

坡度是影响森林地表火蔓延的一个重要因素。据统计，高达90%的森林火灾发生在山区，即在有坡度的条件下[1]。相对于平坡火蔓延，上坡火蔓延燃烧更加剧烈，火焰长度更长，火蔓延速率也更大。

在森林地表火蔓延的研究中，大多数学者关注的是线火源引燃的火蔓延，在研究线火源引燃的上坡火蔓延时，将坡度对火蔓延速率的影响类比成外界风[2-4]。相对于线火源引燃的火蔓延研究，对点火源引燃的研究比较少。Weber[5]构建了一个点火源引燃的火蔓延加速模型，发现火前锋从一个点扩散为圆，火蔓延速率逐渐增大，并趋于稳定。McAlpine和Wakimoto[6]使用2种燃料，在3种载荷和4个风速条件下开展了点火源引燃火蔓延实验，得出火蔓延加速并达到稳定所需要的距离与蔓延时间呈指数关系。Cheney和Gould[7]对比了点火源和线火源引燃的火蔓延过程，发现点火源火蔓延达到稳定所需时间比线火源火蔓延达到稳定所需时间长。Balbi等[8]提出了无风平坡时的反应扩散模型，并给出确定模型系数的方法，可预测点火源火蔓延在初始阶段和稳定阶段的火蔓延速率。Simeoni等[9]研究了点火源引燃条件下的变坡度火蔓延实验中火线形状的演化规律。Oliveras等[10]证实了点火源引燃火蔓延的火线在坡度条件下会发生旋转，并构建半经验模型以预测火线的旋转速度，得出火焰侧面有平行于最大坡度的趋势。关于点火源引燃的上坡火蔓延的理论研究还不够完善，缺乏对燃料预热机理的研究，也缺少系统的实验研究。本文重点研究在点火源引燃条件下，坡度对火蔓延速率、火线夹角、火焰倾斜角、火焰长度等的影响，揭示火蔓延速率随坡度的变化规律。

Research on seismic performance of frame rocking wall structure based on SAP2000

1 实验装置

本文所有实验均在变坡度火蔓延实验台上开展，实验仪器布置示意如图1所示。实验台全长6 m，宽3 m。使用松木加工成的宽度2 mm、厚度0.15 mm的刨花丝作为燃料，实验前用恒温恒湿箱对刨花丝烘干至少12小时，以控制刨花丝的含水率。平坡时燃料床尺寸为2.5 m×2.5 m，坡度条件下燃料床尺寸为2.5 m×6 m，燃料载荷为0.4 kg m-2，燃料床厚度约7 cm。采用点火源引燃的方式，引燃点距离燃料床底端1.25 m处。采用7个坡度角，每种工况开展一次重复实验，点火前记录环境温度、空气相对湿度和燃料含水率等参数，详见表1。

  

①热电偶；②DV；③红外热像仪；④热流计图1 实验仪器布置示意图Fig.1 Schematic of the experiment

 

表1 实验记录Table 1 Experimental record

  

实验编号坡度/°环境温度/℃空气相对湿度/%含水率/%1097219.4621062311.573208608.90422.511469.52525127210.29627.5175411.03730105410.108088311.849106209.281020107612.661122.512458.83122512528.271327.510528.7714306459.91

采用K型裸露式热电偶测量火焰温度，如图1所示，在燃料床中心线上布设34根，在宽度方向上布置26根，高度为10 cm，以获得引燃点向上、下、左、右四个方向的火前锋蔓延时间。使用总热流计(型号：64-5-18)和辐射热流计(型号：64p-5-22)，测量火前锋的热流密度，它们位于燃料床尾端20 cm处。在实验台的侧边架设DV(位置如图1所示，拍摄角度始终与燃料床面保持平行)，通过拍摄的火前锋图像获取火焰长度和火焰倾斜角，在实验台的底端布设DV和红外热像仪(型号：T650sc)，监测火线夹角的变化。

2 分析与讨论

2.1 火蔓延速率

本文开展了点火源引燃条件下上坡火蔓延的系统实验研究，得到主要结论如下：

  

图2 上坡火蔓延速率随坡度的变化Fig.2 Rate of spread in upslope direction

在激烈的市场竞争中，高职院校要可持续发展，不打造出优质品牌是行不通的。高职院校生源主要来源于本省，在全国生源数量普遍滑坡的情况下，高职院校的招生情况已经不容乐观。高职院校投入了大量的人力、物力和财力进行国家示范性骨干高职院校、示范性现代职业院校建设工程等项目建设，品牌效益已初步形成。从高职院校的发展过程来看，十年里呈现出规模式的发展速度。品牌内涵的提升在师资力量、办学条件等各方面表现出来。

  

图3 上坡火蔓延的火前锋位置-时间曲线Fig.3 Fire front position νs.ignition time

  

图4 4个方向上的火蔓延速率随坡度的变化Fig.4 Rate of spread in four different directions

2.2 火线夹角

平坡条件下，引燃点会不断扩散成一个圆形的火线。在线火源引燃的实验中发现，当坡度角高于10°时，会形成一个V形火线[11]。实验中在燃料床底端用红外热像仪拍摄火线演化过程，以提取上坡火蔓延的火线夹角。图5给出了2种不同类型的火线形状演变的红外图像。平坡时，火线形状维持圆形，圆半径逐渐增大，4个方向上的火蔓延速率差别很小(图4)。坡度条件下，上坡火蔓延速率显著大于其它3个方向上的火蔓延速率，火线形状呈泪滴状，上坡方向形成一个V形火线，下坡方向是一个半圆形火线。通过V形火线的红外热像图可以确定火线夹角(图6)，发现火线夹角在火蔓延过程中逐渐减小并趋于稳定。由于引燃点向左、右方向的火蔓延速率受坡度的影响很小，上坡火蔓延速率随坡度的增加显著增大，所以火线夹角随着坡度的增大而减小。图6给出了上坡火蔓延稳定段火线夹角随坡度的变化规律。可以看到，火线夹角随坡度角的增大而减小，这与从火蔓延速率角度的分析结论一致。

火焰长度是火头到火焰底部中心的长度。与火焰倾斜角的处理方法相同，结合视频和火蔓延速率分析，提取火蔓延稳定段的视频截图，利用Matlab批量处理稳定段连续30帧图像的火焰长度，得出不同坡度条件下火焰长度的平均值及标准差，见表3。火焰长度随坡度角的变化如图11所示，火焰长度随坡度角增加呈现增大的趋势(27.5°除外)，当坡度角低于20°时，火焰长度缓慢增加，当坡度角高于20°时，火焰长度显著增加。因为燃烧过程中火焰有明显的脉动，得到的火焰长度有一定的波动，导致坡度为27.5°的火焰长度低于25°的火焰长度。

  

图5 火线形状随时间的变化Fig.5 Evolution of the fire line contour

  

图6 不同坡度条件下的火线夹角Fig.6 Fire line angle under different slope conditions

  

图7 上坡火线夹角随坡度角的变化Fig.7 The variation of upslope fire line angle with slope angle

  

图8 上坡火前锋的示意图Fig.8 Schematic diagram of flame front in upslope direction

2.3 火焰倾斜角

Morandini等[4]认为上坡火蔓延的预热阶段辐射传热占主导因素。上坡火蔓延速率随着坡度的增高而增大，火焰辐射传热也随坡度角变化。不同坡度角条件下辐射热流测量的峰值与坡度角的关系如图13所示，随着坡度的增高，火焰辐射传热的峰值也增大。火焰辐射热流随坡度的变化趋势与上坡火蔓延速率、火焰长度随坡度的变化趋势是一致的。上坡火蔓延中，随坡度角增大，火焰长度增长，而火焰倾斜角减小。二者均提高了火焰对燃料的辐射传热，并促进了火蔓延速率加速。

图4展示了自引燃点向上、下、左、右4个方向上的火蔓延速率随坡度角的变化。对于上坡火蔓延，当坡度低于20°的时候，上坡火蔓延速率随坡度缓慢增加；当坡度角高于20°时，上坡火蔓延速率随坡度的增大迅速上升。对于引燃点向下、左、右3个方向，全局火蔓延速率随坡度角的改变无明显的变化规律。由于这3个方向的火蔓延速率量级较小，受实验中燃料铺设不均匀等误差影响较大，火蔓延速率随坡度角改变出现震荡变化。

  

图9 上坡火前锋的实验图Fig.9 Images of flame front in upslope direction

 

表2 不同坡度条件下的火焰倾斜角δTable 2 Flame tilt angle under different slope conditions

  

编号坡度角/°δ/° (读取值)10144.89±6.4621062.28±3.3732055.10±15.40422.554.50±5.5152555.39±12.80627.552.34±15.8773043.23±12.42

  

图10 上坡火焰倾斜角随坡度的变化Fig.10 The variation of upslope flame tilt angle with slope angle

2.4 火焰长度

快递包装用了大量的纸箱，这些纸箱有的完全可以回收再用，但是这方面工作始终是说的人多，做的人少。因此，对于纸箱的回收必须有一个强制措施，制定时间表，要求达到标准。请问编辑，有关部门对此有时间要求吗？

 

表3 不同坡度条件下的火焰长度Table 3 Flame length under different slope conditions

  

编号坡度角/°火焰长度/cm 1075±1021077±1232090±15422.5136±21525155±21627.5147±29730158±25

  

图11 上坡火焰长度随坡度角的变化Fig.11 The variation of upslope flame length with slope angle

2.5 火焰预热机理

在燃料床尾端20 cm处安置总热流计和辐射热流计，测量火前锋的总热和辐射热流密度，以表征燃料床表面接收到的热流随时间的变化。用截止频率为0.1 Hz的Fourier低通滤波对有噪声的数据进行平滑处理，坡度为30°时测量的热流数据如图12所示。当火前锋到达燃料床尾端时，总热流和辐射热流达到峰值，总热流高于辐射热流，说明火前锋对前方燃料有对流加热作用，由于来自燃烧区的热气流拂过燃料表面。辐射加热高于对流传热，说明辐射传热占主导作用。

  

图12 实验测量的总热和辐射热流Fig.12 Measured total heat flux and radiant heat flux

在燃料床侧面架设DV，拍摄火前锋的蔓延过程，以提取火焰倾斜角和火焰长度。火焰倾斜角是指火头与火焰底部中心连线处与燃料床面上坡方向所成的夹角，示意图如图8所示。不同坡度角条件下的火前锋视频截图如图9所示，随坡度角α增加，火前锋会逐渐向燃料床倾斜。火焰倾斜角(δ)是火头到火焰底部中心处连线与燃料床中心线之间的夹角。结合视频和火蔓延速率分析，提取火蔓延稳定段的视频截图，利用Matlab批量处理稳定段连续30帧图像的火焰倾斜角，得出不同坡度条件下火焰倾斜角的平均值及标准差，见表2。如图10所示，火焰倾斜角随坡度角的增大而减小。

  

图13 辐射热流测量的峰值随坡度的变化Fig.13 The variation of measured maximum radiant heat flux with slope angle

3 结论

提取热电偶温度首次达到300 ℃的时刻，表征火前锋到达热电偶的时间。对热电偶的位置-时间曲线进行一阶线性拟合，得出的曲线斜率即为火蔓延速率(Rate of spread, 简称ROS)。点火源引燃的上坡火蔓延会先加速，后趋于稳定[6]。本文重点关注稳定段的上坡火蔓延速率，选取稳定段的位置-时间曲线进行线性拟合，如图3所示。首先对重复实验进行分析，以上坡ROS为例，计算得到的编号1～7和8～14的上坡ROS随坡度的变化如图2所示，可以看出实验的重复性较好，接下来的计算中均使用编号1～7的实验。随坡度角的增大，上坡火蔓延速率需要更长的蔓延距离才能达到稳定。

1)平坡时会形成一个圆形火线；坡度角高于10°时，火线呈泪滴状。稳定阶段的火线夹角随坡度角的增大而减小。

2)当坡度低于20°的时候，上坡火蔓延速率随坡度缓慢增加；当坡度角高于20°时，上坡火蔓延速率随坡度的增大迅速上升。对于引燃点向下、左、右3个方向，火蔓延速率随坡度角的变化不大，且没有明显规律。

根据患者脑胶质瘤生长部位选取合适切入点,在入路方式上可为旁正中入路、后正中入路、扩大翼点入路、经翼点入路或是冠状入路等方式[2]。在将硬脑膜打开之后通过显微镜查看患者瘤体状态,从距离肿瘤最近部位的脑沟或是脑裂进入,沿着脑胶质瘤瘤体周围指状水肿带将脑瘤最大程度的分离并将其切除。

3)上坡火蔓延中，随坡度角增大，火焰长度增长，而火焰倾斜角减小。二者均提高了火焰对火前燃料的辐射传热，在不考虑辐射作用在火前未燃燃料面上的时间长短情况下，火焰长度和火焰倾斜角对辐射传热的提升促进了火蔓延速率的增大。

参考文献

[1] 邵占杰, 林其钊, 路长.基于燃料床的小坡度地表火蔓延模型研究[J].燃烧科学与技术, 2003, 9(3): 219-223.

[2] Fons WL.Analysis of fire spread in light forest fuels[J].Journal of Agricultural Research, 1946, 72(3): 93-121.

[3] Viegas DX.Forest fire propagation[J].Philosophical Transactions-Mathematical Physical and Engineering Sciences, 1998, 356(1748): 2907-2928.

[4] Morandini F,Santoni PA, Balbi JH.Fire front width effects on fire spread across a laboratory scale sloping fuel bed[J].Combustion Science and Technology, 2001, 166(1): 67-90.

[5] Weber RO.Analytical models for fire spread due to radiation[J].Combustion and Flame, 1989, 78(3-4): 398-408.

[6] McAlpine RS, Wakimoto RH.The acceleration of fire from point source to equilibrium spread[J].Forest Science, 1991, 37(5): 1314-1337.

[7] Cheney NP, Gould JS.Fire growth in grassland fuels[J].International Journal of Wildland Fire, 1995, 5(4): 237-247.

[8] Balbi JH,Santoni PA, Dupuy JL.Dynamic modelling of fire spread across a fuel bed[J].International Journal of Wildland Fire, 1999, 9(4): 275-284.

[9] Simeoni A, Santoni PA, Balbi JH.A strategy to elaborate forest fire spread models for management tools including a computer time-saving algorithm[J].International Journal of Modelling and Simulation, 2002, 22(4): 213-224.

[10] Oliveras I, Piol J, Viegas DX.Generalization of the fire line rotation model to curved fire lines[J].International Journal of Wildland Fire, 2006, 15(4): 447-456.

[11] Silvani X, Morandini F, Dupuy JL.Effects of slope on fire spread observed through video images and multiple-point thermal measurements[J].Experimental Thermal and Fluid Science, 2012, 41: 99-111.