异质燃料层的森林火灾蔓延物理模型外文翻译资料

 2022-08-14 02:08

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异质燃料层的森林火灾蔓延物理模型

Albert SimeoniA,D,Pierre SalinesiB and Freacute;deacute;ric MorandiniC

ADepartment of Fire Protection Engineering, Worcester Polytechnic Institute, 100 Institute Road, Worcester, MA 01609, USA.

BFire Department of South Corsica, BP 552, F-20189 Ajaccio cedex 2, France.

CUnite acute; Mixte de Recherche (UMR) CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) 6134 – Sciences Pour lrsquo;Environnement (SPE), University of Corsica, BP 52, F-20250 Corte, France.

DCorresponding author. Email: asimeoni@wpi.edu

摘要：植被是一种非均质的介质，由不同种类的燃料和不燃部分组成。真实火灾的某些属性是由这种异质性引起的。通过降低火场强度和火势蔓延速率，建立异质燃料区域在土地管理和消防中都可能是有用的。通过二维的反应扩散模型，研究了火灾在异质介质中的扩散情况。随机分布的可燃和不可燃方形元素构成了非均质燃料。该模型直接计算出火灾的两个主要特征：受火灾前沿传热和植被着火条件影响的区域大小，火势蔓延、温度分布和能量传递的速率。研究了可燃元素数量与元素总数量之比对燃烧性能的影响。结果提供了与逾渗理论和实验室实验中所述的相同的临界着火行为，但结果在数量上有所不同，因为该模型计算的邻域在时间和空间上随着火阵面的几何形状而变化。如现场实验中所观察到的，该模拟还定性地再现了非均质燃料层的火灾行为。这项研究表明，可以使用物理模型来研究通过非均质燃料传播的火灾蔓延，并且提出了一些潜在的应用，以利用非均质性作为燃料管理和消防的补充工具。

关键词：火灾临界行为，不可燃区，反应扩散模型，地表火势蔓延

介绍

森林火灾蔓延物理模型主要描述了通过均质燃料进行的火灾蔓延(Pastor et al. 2003)。但是，在野外，均匀的燃料层非常少见(Brown 1982)；植被覆盖是一种非均质的介质，包括不同种类的燃料和不可燃区域(Bradstock and Gill 1993)。火的一些特性可能源于这种异质性，例如，火舌的发展(Caldarelli et al. 2001)。真实的火灾还显示出蔓延的阈值，该阈值取决于环境因素，例如风和燃料的水分含量(Cheney et al. 1993; Marsden-Smedley et al. 2001; Weise et al. 2005)。火灾状态一部分是由于植被异质性模式与过去的火灾之间的耦合所致(Baker 1989; Miller and Urban 1999)。

本文所述工作的动机是出于开发土地管理和消防新方法的必要性。前两位作者作为消防员的野外经验向他们表明，在极端事件(例如强风，大火或陡峭的峡谷)中，消防和防火措施可能会变得无效。人工控制燃料的不均匀性可能有助于减少火灾(Loehle 2004; Finney et al. 2007)。

由于逾渗理论(Stauffer1985)，已经详细研究了森林火灾的临界行为。这种方法可以更好地了解野外尺度上的森林火灾行为(Ohtsukiand Keyes 1986; Von Niessen and Blumen1986)以及火灾与森林生长之间的相互作用(Drossel and Schwabl 1992; Malamud et al. 1998)。其他研究集中在实验室规模的火灾蔓延临界行为上(Beer and Enting 1990; Nahmias et al. 2000)。

在逾渗模型中，用于预测火灾的假设不是基于物理的(Weber 1990)，临界阈值直接取决于建立模型的假设，这已经被认为是非常幼稚的(Beer and Enting 1990)。例如，一棵树被点燃的概率或燃烧区附近的定义——受燃烧区影响的植被的其他部分——在空间和时间上都是恒定的，这些量必须事先知道。在真正的火灾中，它们随时间和位置而变化。它们还强烈依赖于火阵面的几何形状和作为燃料的植被。这种方法允许在景观尺度上模拟森林火灾的临界行为，并用于研究与森林生长和火灾的长期相互作用(Drossel和施沃布尔，1992年)。逾渗蔓延模型在工程中对于单一火灾的研究应用受到更多限制，因为它们没有提供森林管理员和消防员必需的主要输出，例如火势蔓延或热通量。此外，这些模型很难验证，因为在实际火灾中，很难从外部条件(风，植被含水量，地形等)的影响中区分渗透效应(see Teacute;phany and Nahmias 2002 and Weise et al. 2005)。

最近一种基于小世界网络的方法结合了物理建模和逾渗理论(Zekri等人，2005年)。它支持非常短的计算时间，但需要执行一些物理参数，如燃烧时间、点火前的降解时间和远程辐射效应。这些参数是从物理模型中获得的，但它们不随时间、位置和正面形状而变化。

最近，经验火灾蔓延模型被用于评估由规定燃烧产生的不均匀性对意外火灾发生的影响(King等人，2008年)。结果显示了非均质燃料在减小火灾的大小和强度方面发挥了作用；他们强调需要更多的这类研究。

模拟火灾在异质燃料层中蔓延的一种简便方法是使用元胞自动机。它们使用一个细胞网格，每个细胞都有一个确定的状态(如燃烧和未燃烧)，一个邻域和细胞状态变化的规则。这些规则使用数学公式来来定义细胞单元状态随时间的变化，该规则基于火灾蔓延机制。为了定义规则，一些方法使用逾渗(Duarte et al. 1992)，另一些方法使用半经验模型(Berjak and Hearne 2002)。可以在Perry(1998)和Sullivan(2009)的评论中找到详细的分析。

本文主要目的是评估物理模型研究异质燃料火灾蔓延特性的能力。之后，使用了二维反应扩散模型。该模型包括一个远程辐射传输的子模型，并在实验室规模对均匀燃料床进行了验证(Morandini等人，2005年)。这项研究集中在单一火灾蔓延的特性上，非均质燃料由以固定比例随机分布的可燃和不可燃方形元素组成，这种模型(以及通常的物理模型)从物理角度直接确定受火灾前沿和植被点燃热影响的邻域。这些量取决于许多参数，如植被种类、含水量、风、坡度等。该模型还提供了火灾蔓延速度和温度分布，以及能量转移。在本文中，将模型仿真、实验结果和实验室现场规模的研究结论进行了定性比较。

在接下来的章节中，详细介绍了反应扩散模型和数值实现。然后介绍和讨论代表不同种类燃料不均匀性的模拟结果；将仿真、理论和实验结果进行了定性比较。然后进行简短的讨论，以讨论这项研究可能在燃料管理和消防方面的潜在应用。最后，得出结论并提出一些科学观点。

数值模拟物理模型

该模型的主要特征总结如下。Morandini等人(2005年)的论文提供了进一步的细节。

该模型已被开发用于表示通过燃料床(如松针床)的火灾蔓延，并已在实验室规模上就蔓延速度、温度、火阵面形状和热传递进行了验证。它考虑了该领域涉及的热传递，包括远程辐射，因此，该模型可被认为适用于现场通过非均质燃料的火灾蔓延的实验室规模模型。主要方程是相当于燃料床的介质上的热平衡:

其中，T和Ta分别代表等效介质温度和环境温度，Vg是气体的速度，T0是初始温度，Tig是点火温度，n代表垂直于边界的矢量，R代表从火焰接收的辐射通量。点火时间tig定义为燃料池温度达到点火温度的时间。k是冷却对流系数，K是等效扩散系数，Q是燃烧焓，a是燃烧时间常数。等式1的系数是换算系数，因为它们被除以介质当量m的每单位面积的热质量。模型参数(k，K，Q和a)是根据在无坡度和无风条件下线性扩展的实测时间-温度曲线确定的(Santoni等，1999)。对流系数kv估计为热质量比(Simeoni等，2003)；sk和sk分别是燃料负载和初始燃料负载。辐射和对流项将在下面更详细地描述。

关于等式1中的辐射项R，假设火焰为具有给定高度和恒定温度Tfl和发射率efl的辐射表面(Morandini等，2001)。根据Stefan-Boltzmann定律计算出撞击在燃料层顶部的能量。来自火焰前沿的辐射能被燃料元dSv吸收的速率为：

图1

火焰和燃料两个基本表面之间的辐射传递(见等式7)

其中B是Stefan–Boltzmann常数，而av是燃料床的吸收系数。视角系数F取决于火焰长度和倾斜角，如图所示(参见图1):

其中m代表每单位面积燃料的热质量，而R*是辐射系数(通过组合等式9和6获得)。

为了表示方程1中的对流项，设置了通过燃料层的流动的下列方程(Simeoni等人，2003):

图2

燃料层内流动的示意图(见方程7)

其中delta;是燃料层的高度，jsl是倾斜角，Ta是环境温度，g是在重力作用下的加速度，x是阻力系数(Simeoni等，2003)。等式1–9中呈现的模型是沿着地面的二维模型(x和y方向)。为了考虑气相质量平衡中的浮力效应(方程7)，必须描述燃料层顶部气体的垂直速度Vg,z (delta;)(参见图2)，这是由沿垂直轴的动量方程(方程8)完成的。气体密度是用等压理想气体定律(方程9)定义的。为了接近模型，设置了燃料层中气相和固相之间的热平衡假设，气体密度直接从方程1提供的温度获得。

数值实现

根据准静态流动的假设，方程组以简单的方式实现。耦合系统的特征时间假定为能量方程的特征时间(Simeoni等人，2003年)。Kutta方法被用于求解描述局部风况的方程(Butcher 2008)。热平衡采用有限差分法。使用“迎风”差异方案(流动方向上的有限差异)来考虑对流转移的程度。(Patankar 1980)。然后用雅可比迭代法求解得到的线性代数方程组(Sibony和Mardon，1988)。网格尺寸为0.01米，时间步长从0.1秒变化到0.01秒，以满足Courant-Friedrichs-Lewy (CFL)条件(Courant等人，1928)。

表1

松针床的模型参数(燃料负荷为0.5千克，含水量为10%)

表1显示了模型系数的值。它们是为0.5kg*msup2;松针针(水分含量为10％)的均匀层建立的(Morandini et al，2005)。模型参数h，K，Q和g是根据Balbi等人提出的方法，根据在无坡度和无风条件下线性扩展的实测时间-温度曲线确定的(1999)。对于给定的燃料，燃料的水分含量和燃料负荷，仅对它们进行一次识别，并且对于以后考虑的所有实验(无论坡度和风力如何)都有效。火焰长度设置为20厘米，代表火焰的平均实验高度(Morandini等，2005)。与Morandini等人相比，扩散系数K降低了40％(2005)。实际上，能量方程Eqn 1在整个域上都得到了求解，并且燃料池(在高于环境温度的温度下)和空池(保持在环境温度下)之间的扩散损失被高估了。K系数表示热量的整体扩散，其中包括来自火焰底部和燃料层内部余烬的辐射的基本贡献(Balbi等，1999)。考虑到辐射传递的这一部分，并更好地考虑来自火焰的远距离辐射传递，这对于非均质燃料来说是增强的，与Morandini等人(2005年)相比，辐射系数R*增加了20%。

扩展区域由左侧的均匀区域和随后的非均匀区域组成。非均质燃料由以固定比例随机分布的可燃和不可燃方形元素组成。燃料分配是用随机数发生器产生的。区域的每个单元都有一个介于0和1之间的数字。然后，用燃料填充具有低于可燃元素的固定分数的数量的每个燃料池(例如，对于60％的燃料为0.6，在其中有40％的空白空间)，并且将具有高于该比例的数量的每个燃料池留空。该模型直接计算了受火灾前沿和植被点燃影响的邻域。每一个植物元素都是由一个正方形的四个网格单元组成的。做出这一任意选择是为了考虑到辐射的远程影响和火灾的临界行为。进行试验是为了评估模型表现真实火灾行为的能力，并考虑在土地管理和消防中使用燃料异质性的不同可能性。

在区域的左侧开始直线点火，并设定均匀区域的长度，以允许完全蔓延的火焰到达不均匀区域。对于每种情况，都要测试区域的大小以避免大小因素影响，并且至少要完成50次重复试验以获得火蔓延特性的平均值。

在不同条件下进行了几个数值试验系列:坡度对无坡度和湿对干燃料。作为问题的第一步，没有研究风的配置影响，因为坡度和风的影响对于达

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