耦合气固反应的飞火点燃机理及模型研究

Spot fire is one of two major non-continuous fire spread ways in large scale fires and comprises three sequential processes: firebrand generation, transport and ignition of recipient fuel. The capability of firebrand igniting the recipient fuel is most important for the initiation of spot fire. However, the study up to date on firebrand ignition process is primarily experimental observation in nature and the knowledge on heat/mass transfer mechanism between the firebrand, recipient fuel and atmosphere during the ignition process is limited. This project will build the experimental platform of firebrand ignition. Through the contrast tests, theoretical analysis and numerical modeling, the project will study the effect of the state and characteristic parameters of firebrand and the pyrolysis kinetics of recipient fuel on the ignition process, analyze the heat/mass transfer mechanism between the firebrand and recipient fuel, capture the critical conditions for ignition. Then the numerical model for firebrand ignition, coupling the pyrolysis kinetics of solid recipient fuel and the oxidation reaction of pyrolysis gases, will be proposed based on the nature of firebrand ignition. The research of this project will promote the scientific understanding of spot fire phenomenon.

飞火是开放空间中大尺度火灾非连续蔓延的两种主要方式之一。它包含三个连续的过程：飞火颗粒产生、传输和点燃落地处的可燃物。尽管飞火颗粒落地时是否具备点燃落地处可燃物的能力对是否形成飞火现象至关重要，然而目前飞火颗粒点燃过程的研究多处于实验观测阶段，对点燃过程中飞火颗粒与植被及环境之间的传热传质机理的科学认识极为欠缺。本项目将构建飞火点燃模拟实验平台，通过系统对比实验、理论分析和数值研究，研究飞火颗粒燃烧状态或属性参数、固体热解动力学规律等因素对飞火点燃过程的影响，分析飞火颗粒与固体可燃物交互作用过程中的传热传质机理，建立飞火点燃的临界条件，并基于飞火点燃的气相化学反应本质，发展耦合考虑固体可燃物热解反应和热解气氧化燃烧的飞火点燃数值模型。项目成果将促进对飞火现象的科学认识。

飞火是野火及森林-城镇交界域火灾火场的非连续扩展方式。飞火点燃作为飞火的一个子过程，是一个涉及固相和气相物理化学过程的复杂问题，飞火颗粒能否点燃可燃物受飞火颗粒和燃料床、外部环境条件以及颗粒在燃料床上的着陆特征等众多因素的影响。本项目针对飞火点燃问题，研制了多种飞火模拟实验平台，研究了飞火颗粒点燃建筑保温材料、松针燃料的点燃行为，研究了热辐射辅助作用下的燃料床点燃行为，分析了燃料参数及环境风速对点燃过程的影响，获得了点燃临界条件。研究表明，临界点燃温度与临界颗粒尺寸均呈现双曲线关系，而热辐射辅助下临界点燃条件降低。理论分析表明，热颗粒对聚苯乙烯泡沫的点燃过程是材料热解气和周围空气的混合时间与颗粒在材料表面的滞止时间相互竞争作用的结果，而热颗粒阴燃点燃松针燃料床过程中存在一个临界加热距离, 而热辐射的存在增大了热颗粒的有效加热距离。对阴燃点燃现象，建立了描述热颗粒和热辐射阴燃点燃松针燃料床的数值模型，有效预测了点燃临界条件。对明火点燃现象，建立了描述热颗粒点燃聚苯乙烯泡沫的气相点燃数值模型，耦合了固相热解反应、气相化学反应及可燃热解混合气的自然对流作用，获得了不点燃、不稳定点燃及稳定点燃三种点燃机制。项目同时研究了飞火颗粒位于燃料内部的情形，揭示了飞火颗粒与材料界面接触热阻对点燃临界条件的影响。开展了材料内含恒定加热功率的飞火颗粒的点燃实验研究，揭示了引燃临界功率值随热颗粒粒径的变化规律。项目完成了预定研究任务，发表论文14篇，其中SCI收录9篇，Ei收录2篇，包括38届国际燃烧学会议论文1篇，燃烧学权威期刊Combustion and Flame期刊论文1篇。项目成果有助于促进对飞火现象的科学认识。