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方法文章

研究常绿灌木林树冠火的风洞实验

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DOI：

10.3791/56591

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2017年11月14日

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, University of California, Riverside, 2Pacific Southwest Research Station, USDA Forest Service

本文内容

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6,5,7,3,8,9,10,11,12。在实验室实验领域，已有若干研究考察了风速和燃料特性等参数对灌木丛冠层火行为的影响。Lozano7研究了在两个离散冠层燃料层存在条件下冠层火的点火特征。Tachajapong 等3在风洞内燃烧了离散的地表层和冠层，并对地表火进行了表征，但仅完整描述了冠层火的点火过程，火势蔓延的全面分析留待后续研究。Li 等11报道了火焰在单株灌木植株中的传播过程。在相关研究中，Cruz 等10,9建立了一个模型，用于预测在蔓延的地表火上方针叶植被的点火情况。灌木燃料的燃烧特性已在针对整体燃料和单个叶片的实验研究中得到探索13,14,15,16。Dupuy 等13通过在圆柱形篮子中燃烧燃料，研究了Pinus pinaster针叶和木刨花的燃烧特性。他们观察到，这些燃料的火焰高度与释热速率之间遵循文献中先前报道的五分之二次方定律17,18。Sun 等14在类似的圆柱形篮子中燃烧了三种灌木燃料，以分析其燃烧特性：山艾树（Adenostoma fasciculatum）、美洲茶（Ceanothus crassifolius）和熊果（Arctostaphylos glandulosa）。

基于上述实验室研究的结果，本文旨在提出一种方法，用于表征地表层和灌木冠层中的火蔓延行为。此外，我们还希望阐明决定地表层与冠层之间相互作用程度的一些关键特征。为此，我们开发了一种实验性实验室方法，用于研究野火从地表可燃物燃烧向高架灌木可燃物中蔓延的垂直过渡过程。在这类火灾中，火焰从地表传播至灌木冠层的过程被称为“冠层火”（crowning），在适宜条件下可能进一步持续蔓延。通常情况下，查帕拉尔（chaparral）火灾行为受地形、天气和可燃物的影响19。已有研究表明，风会影响可燃物中的能量释放速率5,3,8,20。

多孔燃料中的火蔓延可被视为一系列必须跨越的转变或阈值才能成功传播21。从能量角度而言，当燃料颗粒接收到的热量足以使其释放出的气体混合物与氧气发生有效反应时，该颗粒即被点燃。若燃烧颗粒所产生的火焰能够将邻近的燃料颗粒引燃，则火焰得以继续蔓延。若地表火的火焰能够跨越可燃燃料元素之间的间隙，则火可在地表持续传播。若地表火的火焰能够垂直向上蔓延至灌木和树木的树冠层，则由于可燃物数量显著增加，通常会观察到火灾行为的重大变化，包括热释放速率的显著提高。野火中的热能动力学涵盖多个尺度，从需要气候模型模拟的大尺度（如特大火灾），到需要化学动力学模型模拟的小尺度。本文重点研究实验室风洞尺度下的火灾行为建模；关于纤维素在化学尺度上的燃烧研究，可参考 Sullivan et al.22 等相关文献

自2001年以来，我们开展了一系列实验，研究了与常绿灌木丛（chaparral）相关的若干实验室尺度下的能量阈值23,8,24,25,26,27。尽管野外火灾测量可提供更接近真实情况的结果，但风洞的受控环境有助于明确各种参数的影响。例如，控制风速尤为重要，因为在南加州等地区，焚风型风（即圣安娜风）通常是灌木林冠层火灾的主要驱动因素。由于本研究方法的一个主要目的是探讨风速及其他受控参数对常绿灌木丛火灾蔓延的影响，因此本研究在实验室尺度的风洞中进行。关于与本文类似的常绿灌木火灾中温度的野外测量，读者可参考Silvani et al.28 的研究；有关风对火灾蔓延影响的野外测量，请参见Morandi et al.29。

若干影响硬叶灌木燃料蔓延的参数已通过量化高架燃料床中火势蔓延成功率的实验方法进行了分析8。本实验研究采用一种在低速风洞测试段内模拟地表燃料和冠层燃料的方法，用于研究硬叶灌木冠层火的蔓延过程。地表燃料采用木刨花（干燥的 shredded 木材）进行模拟。地表燃料床放置于风洞地面位置，并置于标准量程之上（见图1）。冠层燃料床以山艾木（chamise）构成，通过安装在风洞框架上的平台将其悬置于地表燃料床之上（见图1）。两个燃料床均安装有温度和质量损失测量装置；火焰几何形态通过实验视频记录获取。测量参数包括质量损失速率、燃料含水率以及空气相对湿度。控制参数包括风的存在、地表燃料床与冠层燃料床之间的距离以及地表燃料的存在与否。测得的质量损失速率可用于计算放热速率，其定义为：
传热方程 Q=-h(dm/dt)，热力学公式。
其中 h 为燃料燃烧热，m 为燃料质量，t 为时间。

使用风扇、树冠和地表燃料床进行的燃烧实验；燃烧研究的示意图与装置设置。
图1：风洞实验装置示意图。 为便于识别，已标注树冠燃料床、地表燃料床和风洞风扇的位置。地表燃料床放置在风洞地面，并覆盖于标准刻度尺上方。代表树冠燃料床的香青果灌木（chamise）燃料床通过安装在风洞框架上的平台悬置于地表燃料床上方。请点击此处查看此图的放大版本。

实验主要聚焦于理解常绿灌木丛冠层火灾的行为，特别是点火过程、火焰传播与扩散机制、火焰锋面速度以及可燃物消耗速率。为研究地表火与冠层火之间的相互作用，在风洞中开展了六种不同配置的燃烧实验，包括有风和无风条件下地表与冠层可燃物床的组合：仅冠层可燃物有风和无风（2种）、冠层与地表可燃物床在两种不同间距下有风和无风（4种）。表1总结了6类实验的配置情况。表中，“地表可燃物床”参数表示实验过程中是否存在地表可燃物，“风”参数表示是否有风，“冠层高度”指冠层可燃物床底部与地表可燃物床底部之间的距离。每次实验均测量了可燃物含水率，但未加以控制；平均含水率为48%，最低和最高值分别为18%和68%。

类别地表可燃物层风速树冠高度
A无无风60 或 70 cm
B无1 ms-160 或 70 cm
C有无风60 cm
D有无风70 cm
E有1 ms-160 cm
F有1 ms-170 cm

表1：实验配置。 此处的地表可燃物床参数表示实验期间是否存在地表可燃物，风参数表示是否有风，冠层高度指冠层可燃物床底部与地表可燃物床底部之间的距离。

使用电子天平测量地表可燃物质量，并为树冠层开发了一套定制的质量损失系统。该系统由连接到悬挂式可燃物床四个角的独立称重传感器组成。消费级摄像机记录火焰的可见光影像；通过自定义脚本对可见光数据进行图像处理，获得火焰特征，包括火焰高度和角度。开发了一个程序，通过光强阈值处理，将视频帧从RGB（红/绿/蓝）编码转换为黑白图像。火焰边缘从黑白视频帧中提取。最大火焰高度定义为火焰边缘的最高点，同时获取瞬时火焰高度。在图像中，火焰高度从可燃物床底部测量至火焰的最高垂直点。所有处理代码以及为本实验方案设计的仪器控制界面，均已由作者通过其软件访问网站公开提供。在当地采集鲜活可燃物，并在24小时内完成实验燃烧，以最大限度减少水分流失。热电偶阵列沿风向记录可燃物床温度，从而计算火蔓延速率。图1展示了可燃物床设置及热电偶布置的示意图。实验方案的详细内容如下。

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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。

耐火实验装置；用于结构测试分析的C型夹、负荷传感器、登山扣。
图2：风洞冠层燃料床负荷传感器装置。（a）风洞前视图；（b）带有登山扣及冠层燃料床链条的改装C型夹，用于支撑冠层燃料床；（c）使用C型夹将负荷传感器固定在风洞框架上。请点击此处查看此图的放大版本。

2. 负载传感器校准

注意：通过以下公式将载荷传感器产生的信号转换为等效质量：
静力平衡方程：m = A·V + B，代数公式，用于教学。
其中V为信号，通常以毫伏为单位，A和B为通过校准确定的常数，m表示以克为单位的质量。方程（2）中的所有参数均通过本方案中为树冠质量测量仪器开发的自定义仪器控制界面获得。首次使用该系统时，需使用精密砝码对载荷传感器信号进行校准。校准常数A和B将根据测量这些精密砝码载荷时产生的信号确定。常数A的计算公式为：
A=mt/(aw-aw,o)，用于色谱分析图中吸收计算的公式。
其中mt为试验用精密砝码的质量，aw为在载荷传感器上加载砝码时产生的信号，而aw,o对应于未施加任何砝码时载荷传感器产生的信号。

  1. 获取校准常数 A，将精密砝码（适宜范围为 200 - 500 g）挂到第一个负荷传感器上。以精密砝码的质量作为参数 mt 在公式（3）中。
  2. 使用输入编号字段将负荷传感器增益设置为128，如图所示 图 3b，i.1。这对应于设备允许的最大值。
  3. 从仪器接口读取输出端口 0 的信号输出（参见 图3b，i2）。这是参数 aw 在公式（3）中。
  4. 取下重物，读取仪器界面上显示的新数值（ 图 3b，i2）。这是参数 aw,o.
  5. 计算 A 根据参数（mt, aw，一个w,o) 在步骤 2.1 至 2.4 中获得的结果及所给出的方程。
  6. 在控制器界面中，为每个传感器填写 Ch 0-M 的数值 A 上一步骤中获得的值。
  7. 为找到偏移值， B，移除所有砝码，读取“输出校准值（g）”框中的数值（参见 图3c，i2），将该值乘以 -1。所得数值即为常数 B，将该数值输入至“加法”通道 0-A 框中（见 图3c，i.3)。
  8. 对每个称重传感器（0、1、2、3）重复步骤 2.3 至 2.8，系统现已完成全部校准；接下来使用燃料加载燃料床。

包含桥接器、负荷传感器和传感器校准的控制系统设置示意图。已启用数据记录。
图3：用于负荷传感器校准的仪器控制界面数据输入步骤。（a）桥接器初始设置窗口，包含增益设置和启用选项；（b）负荷传感器校准第一阶段的窗口；（c）负荷传感器校准第二阶段的窗口；（d）负荷传感器校准最后阶段的窗口，此处保存文件并启动数据记录。请点击此处查看此图的放大版本。

3. 灌木丛和木刨花燃料床的制备

注意：每个实验使用 2 kg 的活体山艾灌木和 0.5 kg 的木丝（碎裂的山杨木）。

  1. 从用于燃烧的燃料堆中，收集几瓶1品脱容量的燃料（3至4瓶）。
    1. 按照Countryman和Dean所述的程序，将样品在烘箱中烘干，以获得燃料含水量30。
  2. 从一束近期采收的山达草（chamise）中修剪单根枝条，去除枯死部分以及直径超过¼英寸的枝条。将剩余的活体燃料材料放入容器中称重。
  3. 使用电子天平选取2 kg修剪后的山达草和0.5 kg木刨花（excelsior）。将0.5 kg木刨花放置在风洞底部的地表燃料床平台上，确保其整体密度尽可能均匀。可通过在已知面积上铺设已知量的木刨花来控制其厚度，以实现均匀分布。
  4. 将压实的木刨花撕开（使其蓬松），以降低其整体密度，使其更易燃烧。将2 kg修剪后的山达草装载到悬挂于载荷传感器上的平台中，以形成架高燃料床。将山达草枝条均匀铺展在整个平台上，形成均匀的燃料层。

4. 热电偶布置

注意：使用 K 型热电偶测量两个燃料床的温度。数据通过数据采集系统收集，该系统由自定义的图形用户界面控制（参见材料表中的控制器设计软件）。推荐使用的热电偶为 24 AWG 规格，响应时间为 0.9 s。

  1. 将十六个24 AWG热电偶（导体直径：0.51054 mm）连接至数据记录仪（响应时间：0.9 s）。
  2. 将6个热电偶插入冠层可燃物层中，各热电偶之间相距20 cm，并避免热电偶与枝条接触。将10个热电偶插入地表可燃物层中，地表可燃物热电偶之间相距10 cm，并避免热电偶与枝条接触（见图4）。
  3. 通过点击热电偶控制软件界面中的“开始”按钮，启动数据记录。

地表可燃物层热电偶示意图、火蔓延分析、实验装置、热量监测。
图4：地表和树冠可燃物层示意图及热电偶阵列位置。 在树冠可燃物层中插入了6个热电偶，彼此间隔20 cm；在地表可燃物层中插入了10个热电偶，间隔为10 cm。请点击此处查看该图的放大版本。

5. 图像采集设置

  1. 在风洞窗口上方安装带有红色标记的视觉参考目标，标记间隔为10 cm。利用该目标作为参考，通过实验视频确定火焰高度。
    注意：示例火焰高度见图5。
  2. 设置 photographic 数据采集。以风洞测试区域为焦点，调整相机焦距，确保能够完整捕捉整个垂直参考目标以及燃料床区域。
  3. 设置视频摄像机数据采集。使用通用相机壁装支架将视频摄像机安装在墙上，以提供风洞测试段的完整视野。

火灾行为实验；火焰高度测量；实验室装置；燃烧分析；火焰动力学。
图5：典型实验中样品火焰高度的照片。 带有红色标记的蓝色视觉标靶用于作为参考，以从实验视频中确定火焰高度。请点击此处查看此图的放大版本。

6. 流路设置

注意：风洞配备有可变转速风扇。风洞内的气流速度已预先校准至风扇转速。为达到所需的风速，需选择风扇的旋转速度（单位：Hz）。在本实验中，研究了无风和风速为 1 m/s 的两种情况。

  1. 在速度控制器上将风扇速度设置为 1 m/s。打开风扇，确保其正常运行。
  2. 关闭风扇。此时设备已准备就绪，可供使用。
    注意：燃烧实验建筑的设计旨在安全地进行火灾实验，同时将烟雾从工作区域排出。请通知当地消防部门正在进行实验，以避免误报火警。
  3. 关闭建筑内所有门窗，确保屋顶通风口是烟雾排出的唯一通道。
  4. 打开送风风扇，从建筑外部引入新鲜空气至地面层。同时开启排风扇，通过屋顶通风口排出烟雾。
    注意：这将形成从建筑外部进入的低速、大体积气流，由于微小的压力差和屋顶开口的作用，气流将垂直上升。
  5. 每次实验前，使用湿球温度计测量环境空气的相对湿度和温度。

7. 点火（与步骤8同时进行）

注意：点火过程应由点火组成员按以下步骤进行。为提高安全性，建议在点火期间另有一名组成员停留在测试区域附近。

  1. 当指示“点火”时，用变性乙醇酒精浸湿刨花表面燃料床的前缘。将酒精瓶放置在点火区域以外，使用丁烷喷灯沿燃料床前缘平行方向点燃表面燃料的一端。注意观察，因浸有酒精的燃料会迅速点燃。
  2. 一旦燃料床被点燃，立即退出测试区域并关闭风洞门。若实验需要风速，开启风洞风扇。

8. 启动实验运行

注意：确认实验设置正确后，应启动相机。

  1. 打开摄像机开始录制。
  2. 大声说出实验编号/代码、日期和实验配置，以便摄像机的麦克风记录下这些信息。
  3. 指示计算机操作人员在仪器控制界面中勾选“启用数据记录”选项，开始记录数据（见图 3d，i.1）。指示点火人员点燃燃料。当点火人员离开风洞后，指示风洞操作人员启动风洞风扇。此时即为实验的开始时刻（t = 0）。

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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。

火焰分析图；火焰高度随时间变化的图表；燃烧动力学研究。
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。

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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...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者谨此感谢 Benjamin Sommerkorn、Gabriel Dupont、Jake Eggan 和 Chirawat Sanpakit 在本文所述实验中提供的协助。Jeanette Cobian Iñiguez 承认获得美国国家航空航天局少数族裔大学研究机会（MUREP Institutional Research Opportunity, MIRO）项目基金编号 NNX15AP99A 的支持。本研究还通过美国农业部林务局太平洋西南研究站与加州大学河滨分校之间的协议，获得了美国农业部/美国内政部国家火灾计划（USDA/USDI National Fire Plan）的资助。

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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OmegaXC-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OmegaEXPP-K-24S-TCB-P
超高温微型连接器OmegaSHX-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-Kellerman0830
Satorius CPA 34001S 赛多利斯25850314已停产型号
5 Kg 微型测力传感器（X4）Robotshop.comRB-Phi-118应变片式负荷传感器
Phidget PhidgetBridge 惠斯通电桥传感器接口Robotshop.comRB-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
野战消防员诺梅克斯防火衬衫GSA AdvantageSH35-5648
Fireline 6盎司野外消防裤GSA Advantage139702MR SEV16
<强>名称<强>公司<强>货号<强>评论
<强>燃料
查米瑟原位采集N/A
天然刨花木屑 – 天然粗砂，50磅装纸张市场21-711-88
Bernzomatic UL100 基础丙烷喷枪套装家得宝UL100KC
异丙醇便利店N/A
<强>名称<强>公司<强>货号<强>评论
<强>视频与摄影
尼康 D3000 1020万像素数码单镜反光相机，配备 DX 格式传感器和 3 支 18-55mm 变焦尼克尔 VR 影像稳定镜头
索尼 Handycam 摄录机 DCR-SX85亚马逊公司DCR-SX85
<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

参考文献

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