研究常绿灌木林树冠火的风洞实验

摘要

本方案描述了用于研究火焰从地面蔓延至萨帕拉尔灌木冠层过程的风洞实验。

摘要

本实验方案介绍了一种用于研究常绿灌木丛冠层火灾点燃与蔓延的实验室技术。实验在低速燃烧风洞中进行，构建了两层不同结构的可燃物，分别代表常绿灌木丛的地表可燃物层和冠层可燃物层。活体冠层由香米萨（chamise）——一种常见的常绿灌木——构成；地表死可燃物层则由木丝（碎木屑，excelsior）构成。我们建立了一套方法，用于测量两层可燃物的质量损失、温度及火焰高度。通过在各层中布置热电偶来估算温度，利用视频摄像机记录可见火焰。对数字图像进行后期处理，获得火焰特征参数，包括火焰高度和火焰倾斜角度。我们自主研发了一套冠层质量损失测量装置，用于实时监测燃烧过程中冠层可燃物质量的变化。采用该技术获得的质量损失和温度变化趋势与理论预测及其他实证研究结果一致。本研究详细介绍了实验操作流程及所用仪器设备信息，并展示了燃料质量损失速率和可燃物床层内温度场的代表性结果，同时进行了讨论。

引言

2016年，美国加利福尼亚州共发生6,986起野火，烧毁面积达564,835英亩¹，造成数百万美元的损失，并危及数百人的生命安全。由于该地区属于地中海气候，这些火灾的主要可燃物来源是灌丛植被群落²。灌丛中的火势蔓延可被视为树冠火，因为燃烧的主要可燃物位于较高位置³。与以活体植被为主的树冠层共存的是地表枯死可燃物层，该层由脱落的叶片、枝条以及生长在单株灌木下方和之间的草本植物组成。火灾通常更容易在地表枯死可燃物层中引发。一旦地表火被点燃，火势可能向上蔓延至树冠层，此时火灾释放的能量将急剧增加。尽管灌丛火灾通常被建模为在深层地表可燃物中蔓延的火灾⁴，但将其作为树冠火进行研究的情况仍较为有限。

灌木丛的冠层特征（包括叶片颗粒形状）与此前大多数研究开展的北方针叶林存在差异。大量实验室和野外尺度的研究已探讨了野火动力学的各个方面^{6,5,7,3,8,<....}

方案

警告：以下方案中的多个步骤涉及可能造成伤害的操作，务必按照既定的安全规程使用适当的个人防护装备（PPE），包括防火服装和护目用具。

1. 冠层燃料床载荷传感器仪器设置

1. 通过将双弹簧门锁扣（见材料表）连接到C型夹钳螺钉端的销孔中，对4个C型夹钳进行改装（见图2）。使用锁扣悬挂树冠燃料床。
2. 使用另一组C型夹钳，将每个负荷应变片传感器固定在风洞框架的上部（见图2）。
3. 将改装后的C型夹钳连接到应变片传感器的自由端，使锁扣向下悬挂。将链条连接到树冠燃料床的平台。
4. 为将树冠燃料床平台从风洞框架上悬挂，将树冠燃料床的每根链条连接至一个锁扣。
5. 当四个负荷传感器全部安装到位并连接至燃料床后，将其导线连接至用于数据采集的惠斯通电桥。使用防火隔热材料（例如用于防火掩体的材料）覆盖负荷传感器。

结果

冠部和表面火焰高度数据来自视频资料。图6展示了实验中典型的火焰高度变化趋势。火焰高度的变化规律与Sun et al.¹⁴的研究结果一致。

图6：冠层火焰高度的估算结果。 此处 U = 1 m/s，地表火与冠层火之间的间距 d = 70 cm。该条件对应一次典型的E类实验。火焰高度通过处理实验视频中的图像获得。

讨论

在整个实验过程中能够测量升高的燃料质量是本文所介绍技术的主要优势之一。以往针对常绿灌木丛火灾的研究仅关注树冠火的引发，或仅关注地表火的蔓延，而未能兼顾两者。此类研究仅量化了树冠层点燃的可能性，而将对火势蔓延的研究留待后续工作²³。我们的方法能够同时测量灌木树冠火点燃与蔓延过程中两个层次的质量损失、温度分布以及火焰几何形态，从而为间接推断质量损失速率所对应的能量通量提供了手段。其他研究已表明，在火蔓延实验中直接测量热通量具有显著优势。Finney et al. 报道了野火蔓延实验中热通量测量的多个实例³⁴。通过此类工作，他们能够深入观察对流和辐射传热在野火蔓延中所起的关键作用。本文提出的方法为常绿灌木丛野火蔓延过程中的能量动态提供了基础性观测数据。下一步有益的工作应深入分析辐射与对流传热各自的特定贡献。对于未来的研究，我们建议探索热通量的直接测量方法。

为确保测量的准确性，有几个关键步骤需要注意。其中，用于测量冠层燃料质量损失的载荷传感器的校准可能是最关键的一步，也是耗时.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
<强>风洞仪器设备
cDAQ-9178 CompactDAQ 机箱	国家仪器公司	781156-01
NI-9213 C系列温度输入模块	国家仪器公司	785185-01
NI SignalExpress for Windows	国家仪器公司	779037-35	最新版本，实验使用的是较早版本
高温Nextel绝缘热电偶元件	Omega	XC-24-K-18
带聚乙烯涂层导线和镀锡铜编织层的热电偶延伸线	Omega	EXPP-K-24S-TCB-P
超高温微型连接器	Omega	SHX-K-M
CompuTrac MAX 2000XL	亚利桑那仪器公司	MAX-2000XL	已停产，推出新型号
Kestrel 3000 便携式气象仪	Nielsen-Kellerman	0830
Satorius CPA 34001S	赛多利斯	25850314	已停产型号
5 Kg 微型测力传感器（X4）	Robotshop.com	RB-Phi-118	应变片式负荷传感器
Phidget PhidgetBridge 惠斯通电桥传感器接口	Robotshop.com	RB-Phi-107	与4个称重传感器连接，可进行信号放大
#2 不锈钢S形扣（X4）	家得宝	SB2-03-11	用于安装载荷传感器的双弹簧门锁扣
2 英寸可锻铸铁 C 型夹	家得宝	# 4011	用于安装载荷传感器
<强>名称	<强>公司	<强>货号	<强>评论
<强>个人防护装备
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<强>名称	<强>公司	<强>货号	<强>评论
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<强>名称	<强>公司	<强>货号	<强>评论
<强>软件
NI LabView	国家仪器公司	学生版	用于仪器控制和接口连接
MATLAB 学生版 (MATLAB_R2014a)	Mathworks	学生版	用于数据后期处理，包括图像处理