龍柏樹冠火對其相鄰建筑的輻射特性研究

賈敬蕊，朱霽平，張林鶴，王云龍，周建軍

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，安徽 合肥，230026）

龍柏樹冠火對其相鄰建筑的輻射特性研究

賈敬蕊，朱霽平＊，張林鶴，王云龍，周建軍

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，安徽 合肥，230026）

我國城市綠化覆蓋率快速增長，帶來了植被與建筑混合區(qū)域的火災(zāi)隱患。以常見城市綠化樹種龍柏為研究對象，開展了單樹樹冠火對其相鄰建筑的熱輻射規(guī)律實驗研究，測量了不同間距情況下建筑物一層和二層窗戶位置的輻射熱流密度，并在圓柱火焰模型的基礎(chǔ)上，將圓柱火焰分為下層的穩(wěn)定火焰區(qū)和上層的間歇火焰區(qū)，提出了分層圓柱火焰模型。結(jié)果表明，分層圓柱火焰模型可以準(zhǔn)確描述樹冠火輻射熱流密度最大值隨高度和距離的增加而遞減的變化趨勢。單一圓柱火焰模型理論的結(jié)果表明豎直方向上熱流密度隨高度變化不大，未能準(zhǔn)確描述輻射熱流密度豎向變化規(guī)律；分層圓柱火焰模型計算的輻射熱流密度比單一圓柱火焰模型更符合實驗結(jié)果，能更好地預(yù)測安全距離。

樹冠火；單一圓柱火焰模型；分層圓柱火焰模型；輻射熱流密度

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，城市綠化建設(shè)事業(yè)迅速發(fā)展。至2011年，全國城市建成區(qū)綠化覆蓋面積已達(dá)161.25萬公頃，覆蓋率和綠地率分別達(dá)到38.62%和34.47%［1］。城市綠化的快速發(fā)展，帶來了植被與建筑混合區(qū)域的火災(zāi)隱患。如圖1所示，由于城市用地緊張，為了在有限的空間提高綠化率，綠化植物往往與建筑非常貼近。前人對林火研究主要集中在林火蔓延［2，3］、林火行為預(yù)測［4，5］，而對這種城市綠化與建筑交界域火災(zāi)研究較少。因而，研究綠化植物的燃燒特征及其對相鄰建筑物的影響有十分重要的意義。

在非直接熱傳導(dǎo)且空間距離不大的情況下，我們主要關(guān)注樹冠火對建筑的熱輻射的影響。目前，對樹木燃燒輻射特性的研究主要集中在森林與城市交界域火災(zāi)，較為成熟的樹冠火熱輻射理論有兩種：一是Cohen［6，7］發(fā)展了基于矩形火焰面結(jié)構(gòu)的建筑引燃評估模型，并對大量樹木燃燒能否引燃一定距離外（10m、20m、30m）的木墻做了實驗研究。Cohen模型主要是針對森林城市交界域，考慮植被與建筑之間的距離較遠(yuǎn)，是基于大尺度實驗得出的結(jié)論，因此不適用于城市綠化區(qū)域。二是美國NIST的David等人［8，9］發(fā)展了無風(fēng)條件下樹冠火的直圓柱模型，并進(jìn)行了單樹火蔓延數(shù)值模擬，應(yīng)用于單棵樹的燃燒。在此模型基礎(chǔ)上，翁韜等人［10，11］提出了單樹斜圓柱熱輻射幾何模型，并發(fā)展了多樹熱輻射的簡化模型。上述模型都把火焰面簡化為單一的圓柱，并采用火焰面平均溫度來計算輻射熱流密度，導(dǎo)致理論計算峰值與實驗測量值約有20%以上的誤差，相差較大。

圖1 城市綠化植被與建筑混合區(qū)域Fig.1 Mixing zone between green vegetations and construction

本文在單樹圓柱火焰模型基礎(chǔ)上，將圓柱火焰分為下層的穩(wěn)定火焰區(qū)和上層的間歇火焰區(qū)，提出了分層圓柱火焰模型。以常見城市綠化樹種龍柏為對象，開展了單樹樹冠火對相鄰建筑的熱輻射實驗，主要測量了不同間距情況下建筑物一層和二層窗戶位置的輻射熱流密度。對比結(jié)果表明，分層圓柱火焰模型計算的輻射熱流密度理論值與實驗結(jié)果更相符。在此基礎(chǔ)上，對不同間距和不同高度位置的輻射熱流密度大小進(jìn)行了分析。

1 單樹樹冠火熱輻射理論

本文僅考慮樹冠火熱輻射對建筑的影響。對流傳熱對一定距離處建筑的影響較小，故忽略不計［12］。

熱輻射主要部分是火焰輻射?；鹧婷鎸ㄖ⒃妮椛錈嵬棵芏葹椋?/p>

式中，Tf為樹木燃燒的火焰外表面溫度；Ta為建筑所處溫度；F為角系數(shù)，是一個形狀因子，它與火焰面本身形狀及火焰面與建筑間的位置關(guān)系有關(guān)。

圖2所示為David簡化的單一圓柱火焰模型。R為火焰半徑，H 為火焰高度，A2指火焰相對微元的可視面積，dA1指墻壁微元面積。垂直微元與火焰基部在同一水平面上，距火焰中心線L。此時可求得，有限面A2對垂直微元dA1的角系數(shù)［8］為：

本文將火焰區(qū)進(jìn)行分層，將火焰表面溫度進(jìn)行分層處理。一般地，在可燃物起火，發(fā)展，直至穩(wěn)定、衰減的這段時間內(nèi)，在可燃物上方形成穩(wěn)定火焰區(qū)、間歇火焰區(qū)和煙氣羽流區(qū)。本文討論的樹冠火火焰比較高，測量的熱流高度較低，并且樹木燃燒產(chǎn)生少量的白煙，對熱流影響較小，故將煙氣羽流區(qū)忽略不計。因此，將樹冠火火焰區(qū)分為兩層：上層為間歇層，下層為穩(wěn)定層，如圖3所示?；鹧婵偢叨葹镠，穩(wěn)定層與間歇層高度分別為H1、H2。

圖2 單一圓柱火焰模型Fig.2 Single cylindrical flame model

圖3 分層圓柱火焰模型Fig.3 Layered cylindrical flame model

由此，微元dA1接收到的總的熱流密度Q可以表示為：

2 單樹樹冠火熱輻射實驗

實驗選取常見城市綠化樹種龍柏為研究對象。龍柏四季常青，而且形狀渾然天成，非常適宜做觀賞樹木。龍柏樹高通常為2m～3m，一旦著火，很有可能對相鄰建筑的一層和二層窗戶位置產(chǎn)生較大的影響。因此，實驗中熱流計主要布置在這兩個高度位置。實驗在密閉無風(fēng)的12m×22m×30m的大空間實驗廳進(jìn)行，其空間高度也保證不會影響樹木燃燒及羽流分布。實驗裝置如圖4所示。

圖4 實驗裝置示意圖Fig.4 The experimental facility

以火焰基部為高度基準(zhǔn)線，如圖4所示。熱電偶支架從0.1m到5.5m平均分布10個高度。在每個高度上，水平距離樹干0.2m、0.3m、0.4m、0.5m、0.6m處分布熱電偶。熱電偶為K型鎧裝熱電偶，護(hù)套直徑為1mm。參照《住宅建筑設(shè)計規(guī)范》3.6.1，普通住宅層高不宜高于2.80m［13］。取1.7m、4.4m和3.0m高處，分別對應(yīng)一層窗口、二層窗口和一二層窗口交界位置。實驗中，熱流計分別布置在高度基準(zhǔn)線上方1.1m、2.4m和3.7m，布置距離采用距樹干中心1.0m和1.6m兩處，熱流計為荷蘭Hukseflux公司研制，型號為SBG01，為水冷式熱流傳感器，采用自來水流動冷卻。同時，在熱流計附近布置K型鎧裝熱電偶，測量熱流計處溫度變化。實驗將樹木固定在電子天平上，電子天平可實時記錄樹木燃燒的質(zhì)量損失。熱電偶、熱流計和電子秤的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集器記錄數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集器為美國NI公司研制，采集卡型號SCXI-1600，分辨率為16位，采樣率為200kS／s。同時采用兩臺攝像機(jī)和一部數(shù)碼相機(jī)拍攝，記錄火焰形狀、火焰半徑及火焰高度。

實驗采用環(huán)形點火裝置。環(huán)形點火器直徑為40cm，熱釋放速率為30kW／m2。點火器點燃5s后撤離。

實驗重復(fù)3次。每次實驗所用樹木的實驗工況如表1所示。實驗時，用溫濕度儀記錄室溫為7.8℃，室內(nèi)相對濕度為37.3%。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 質(zhì)量損失

實驗1～實驗3測量的質(zhì)量損失隨時間的變化如圖5所示，質(zhì)量損失速率隨時間的變化如圖6所示。由圖可知，龍柏的燃燒速度非?？?。實驗樹燃燒分為以下幾個階段：①發(fā)展階段，②9s左右進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段，③約15s開始衰弱，④25s之后進(jìn)行殘余枝葉的緩慢燃燒直至燃燒結(jié)束。

表1 實驗樹木工況表Table 1 The condition of experimental trees

圖5 質(zhì)量隨時間變化曲線圖Fig.5 Mass loss time history curves

圖6 平均質(zhì)量損失速率曲線圖Fig.6 Average mass loss rate

圖7 龍柏燃燒過程Fig.7 Cypress burning process

3.2 火焰高度

圖7所示為龍柏實際燃燒過程中的視頻截圖，從圖中可以看出火焰高度約為樹冠高度的2倍，火焰直徑取為樹冠冠徑?；鹧娓叨入S時間變化規(guī)律如圖8所示。

圖8為火焰高度隨時間變化曲線。最大火焰高度H取燃燒到達(dá)穩(wěn)定階段的平均高度。從實驗錄像中可以觀測到，火焰明顯分為兩個區(qū)，分別為：樹冠連續(xù)燃燒的穩(wěn)定火焰區(qū)和樹冠上方的間歇火焰區(qū)。由圖8也可以看出，當(dāng)火焰進(jìn)入衰減階段之后，火焰最終將穩(wěn)定在一個高度繼續(xù)燃燒直至燃燒結(jié)束，取此高度為火焰分界。由此，最大火焰高度H、穩(wěn)定層火焰高度H1和間歇層火焰高度H2可以分別確定，取值見表2。

表2 火焰高度表Table 2 Table of flame heights

圖8 火焰高度隨時間變化曲線Fig.8 Flame height time history curves for experiment 1

3.2 火焰面溫度

根據(jù)熱電偶點陣測量結(jié)果，實驗1最高溫度分布如圖9所示。水平方向上，距火源越近，溫度越高；豎直方向上，隨高度增加，溫度先上升達(dá)到峰值，而后下降?；鹧鏈囟茸罡呖蛇_(dá)1100℃，并且高溫集中在穩(wěn)定火焰區(qū)。由圖9可知，距離火焰中心0.3m處熱電偶的溫度與火焰面溫度較為接近。所以，本文采用0.3m處熱電偶數(shù)據(jù)計算火焰面平均溫度。根據(jù)最大火焰高度及火焰的分層高度，分別計算得出間歇層平均溫度、穩(wěn)定層平均溫度和火焰區(qū)平均溫度，如圖10所示。

圖9實驗1測量的火焰最高溫度分布圖Fig.9 Max flame temperature profile measured in experiment 1

3.3 輻射熱流密度變化規(guī)律

3.3.1 輻射熱流密度最大值隨距離變化規(guī)律

圖11給出了3次實驗平均的最大熱流密度測量值與理論值隨高度變化趨勢。由實驗測量值的結(jié)果可以看出，在距火焰中心同一距離上，輻射熱流密度最大值隨測量高度增加而遞減；隨距離的增加，遞減幅度下降。

圖10 實驗1熱電偶溫度Fig.10 Thermocouple temperature of experiment 1

圖11 最大熱流密度隨高度變化趨勢Fig.11 Measured and predicted max heat flux versus height

從圖11單一圓柱火焰模型理論值的結(jié)果可以看出，在距火焰中心同一距離上，測量點的熱流密度最大值隨高度變化不大。這是由于圓柱火焰溫度取均一溫度，而計算的角系數(shù)在距火焰中心同一距離上相差不大。由此可以看出，單一圓柱火焰模型不能體現(xiàn)輻射熱流密度豎向的變化規(guī)律。

從圖11分層圓柱火焰模型理論值的結(jié)果可以看出，輻射熱流密度最大值隨測量高度增加呈下降趨勢。分層圓柱模型可以更準(zhǔn)確地描述樹冠火輻射熱流密度最大值隨高度的變化趨勢。

總體上說，分層圓柱火焰模型理論值相比于單一圓柱模型都更接近實驗測量值。但在個別實驗點上，結(jié)果相反。其原因是，單一圓柱火焰模型計算結(jié)果隨高度變化不大，其變化曲線可近似為水平直線。而實驗測量的輻射熱流密度隨測量高度的增加而遞減，可近似為斜線。兩條直線總存在一個交點，在交點附近的理論值與實驗值結(jié)果相差必然較小。

3.3.2 輻射熱流密度最大值隨高度變化規(guī)律

圖12分別給出了不同高度位置處最大熱流密度平均值隨測量距離變化規(guī)律。圖中可以看出，輻射熱流密度隨著測量距離的增加而遞減。在不同高度位置，遞降的幅度不同。理論值與測量值變化趨勢一致。分層圓柱火焰模型理論值更接近實驗測量值。

塑鋼窗常見于日常生活中，這種窗戶的邊框是以聚氯乙烯（PVC）樹脂為主要原料。根據(jù)資料［12］顯示，當(dāng)熱流密度為10kW／m2時，建筑常用材料，如聚氯乙烯將被點燃。所以，本文以10kW／m2為臨界熱流密度，來討論龍柏樹冠火對建筑的影響。

由圖12（a）可以看出，高度位于火焰基部上方1.1m時，建筑接收到的熱輻射很高，實驗結(jié)果顯示，綠化植物與建筑之間的距離需在1.53m以上，才能保證綠化植物起火時相鄰建筑的安全；單一圓柱火焰模型預(yù)測的安全距離為1.19m；分層圓柱火焰模型預(yù)測的安全距離為1.56m，與實驗值較為接近。由圖12（b）可以看出，高度位于火焰基部上方2.4m時，建筑接收到的熱輻射也較高，實驗結(jié)果顯示，綠化植物與建筑之間的距離需在1.47m以上，才能保證綠化植物起火時相鄰建筑的安全；單一圓柱火焰模型預(yù)測的安全距離為1.20m；分層圓柱火焰模型預(yù)測的安全距離為1.52m，與實驗值較為接近。由圖12（c）可以看出，高度位于火焰基部上方3.7m時，實驗結(jié)果顯示，建筑接收到的熱輻射較低，綠化植物與建筑之間的距離為1m以上時，綠化植物起火時不會引燃相鄰建筑；而單一圓柱火焰模型與分層圓柱火焰模型預(yù)測的安全距離為1.18m。由此可以看出，分層圓柱火焰模型能夠更好的預(yù)測安全距離。

圖12 最大熱流密度隨距離變化趨勢Fig.12 Measured and predicted max heat flux versus distance

3.3.3 輻射熱流密度隨時間變化規(guī)律

圖13為熱流密度的理論值與測量值隨時間變化的曲線圖。理論值與實驗測量值隨時間變化趨勢吻合較好。由圖可以看出，總體上來說分層圓柱火焰模型比單一圓柱火焰模型得到的理論值更接近于實驗測量值。但在圖（e）、（f）中，單一圓柱火焰模型理論值更接近于實驗測量值，其原因已在3.3.1中給出了解釋。

理論值達(dá)到峰值的時間都比測量值滯后，這是因為，理論值的計算采用不同高度上溫度的平均值，然而，由于火焰是由樹冠底部到頂端燃燒，不同高度上溫度達(dá)到峰值有先后，因此導(dǎo)致理論值總是會比測量值達(dá)到峰值滯后一些。

4 結(jié)論

本文根據(jù)樹冠火火焰形態(tài)，將圓柱火焰分為下層的穩(wěn)定火焰區(qū)和上層的間歇火焰區(qū)；根據(jù)火勢發(fā)展中火焰高度的變化，給出火焰區(qū)分界高度，由此建立了分層圓柱火焰模型。通過實驗測量及理論計算，表明：

（1）實驗測量結(jié)果：豎直方向上，輻射熱流密度最大值隨測量高度增加而遞減，隨距離的增加遞減幅度下降；水平方向上，輻射熱流密度最大值隨著測量距離的增加遞減。

（2）理論模型計算結(jié)果：分層圓柱火焰模型可以準(zhǔn)確描述樹冠火輻射熱流密度最大值隨高度和距離的變化趨勢：在豎直方向上，輻射熱流密度最大值隨測量高度增加呈下降趨勢。在水平方向上，輻射熱流密度最大值隨著測量距離的增加遞減；在不同高度位置，遞降的幅度不同。單一圓柱火焰模型的理論結(jié)果為豎直方向上熱流密度隨高度變化不大，未能準(zhǔn)確描述輻射熱流密度豎向變化規(guī)律。對比結(jié)果表明，分層圓柱模型可以更準(zhǔn)確地預(yù)測樹冠火輻射熱流密度隨高度的變化，并且得到的理論值更接近于實驗測量值。

（3）實驗以10kW／m2為臨界熱流密度，來討論龍柏樹冠火對建筑的影響。結(jié)果顯示，單一圓柱火焰模型預(yù)測的安全距離較近；分層圓柱火焰模型預(yù)測的安全距離與實驗值較為吻合。由此可以看出，分層圓柱火焰模型能夠更好的預(yù)測安全距離。

圖13 熱流密度隨時間變化規(guī)律圖Fig.13 Time history of incident radiant heat flux

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A study of radiation characteristics of cypress crown fire on its adjacent structures

JIA Jing-rui，ZHU Ji-ping，ZHANG Lin-he，WANG Yun-long，ZHOU Jian-jun

（State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology，Hefei 230026，China）

Rapid growth of urban green coverage rate in China may cause fire hazards in the mixing zone between vegetation and construction.In this work，cypress was used for the experimental study on the thermal radiation from a single tree crown fire to its adjacent structures.Radiant heat fluxes at the windows on the first and second floors were measured.On the basis of the cylindrical flame model，the layered cylindrical flame model，was established，in which the cylindrical flame is divided into the lower layer of persistent flame and the upper layer of intermittent flame.The results show that，layered cylindrical flame model can precisely describe the decrease tendency of the radiant heat flux maximums with increasing height and distance.The theoretical results of single cylindrical flame model show that the radiant heat flux changes little with height.It cannot describe the variation tendency of radiant heat flux maximums in vertical direction.As compared to the single cylindrical flame model，the radiant heat flux calculated by the layered cylindrical flame model has better agreement with the experimental results.The layered cylindrical flame model can be used to evaluate the safety separation distance for vegetation and construction interface fires.

Crown fire；Single cylindrical flame model；Layered cylindrical flame model；Radiant heat flux

S762.2；X928.7；X932

A

1004-5309（2012）-0123-08

10.3969／j.issn.1004-5309.2012.03.03

2012-05-02；修改日期：2012-06-18

國家自然科學(xué)基金面上項目資助（30972380）；國家自然科學(xué)基金重大國際（地區(qū)）合作研究項目資助（51120165001）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助（WK2320000010）

賈敬蕊（1985-），女，河北人，現(xiàn)為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室碩士研究生。主要從事森林火災(zāi)方向的研究。

朱霽平，高級工程師.Email：jpzhu＠ustc.edu.cn