分析 | 森林大火是如何蔓延的?-深度-知识分子

分析 | 森林大火是如何蔓延的?

2019/04/04
导读
爆燃是什么意思?

1

图片来自pixabay.com


撰文 | 麻庭光(上海应用技术大学安全工程系讲师)

 

   


最近发生的四川木里山火,因消防队员伤亡众多而得到广泛的报道。在通读所有关于火场的描述之后,“爆燃”一词凸显了出来。这里,我来介绍一下“爆燃”发生的几种火灾动力学原因。

 

爆燃是什么意思?


严格说来,爆燃就是快速燃烧(deflagration),但又达不到爆炸(detonation)的水平,是一种低速发生的烟气爆炸(smoke explosion)现象。不过,相对于固体燃料的点火过程,又是非常快速了。


关于爆燃的成因,消防理论上有很多的解释,比如室内火灾的轰然现象、(地下室)室内火灾的爆燃现象、(高层建筑)室内火灾的吹炬效应等,大多与室内火灾中天花板附近热羽流的非线性反馈有关。


什么是非线性?


所谓非线性,指热羽流向下的热通量主要靠辐射换热方式,强度是温度的4次方,因此上层温度变化一点,下面的热通量急剧增加。而热通量对固体燃料的作用是产生可燃气体(被称为热解过程,Pyrolysis),热通量增加意味着火场可燃气体的生成量快速增加了。


《唐诗三百首》中有一首《题壁诗》:“一团茅草乱蓬蓬,蓦地烧天蓦地空。争似满炉煨榾柮,漫腾腾地暖烘烘。”前两句说的是“爆燃”,后两句说的是普通固体燃料常见点火过程。从二者对比,我们可以理解爆燃的突发性和全面性特征,与凉山木里大火的火行为存在很大的相似性。


然而,此次爆燃发生在开放空间,能够让消防队员无知无觉,显然不能用室内火灾的模型来套用,这里我找到四种室外火灾的蔓延模式,或许帮助大家理解火场的艰巨性和火灾动力学的重要性。


需要说明的是,木里山火发生爆燃,在正式的调查报告公布之前,作为专业工作者我只能提供一些非正式的参考解释,请以调查报告为准。

 

一、大兴安岭大火模式


大兴安岭大火,人们记住的是这样一幅画面:由于“火携燃现象”(Brand Lofting),大量的未燃尽燃料在空中飞舞,高温云层漂浮在未燃林区的上方。


如此形成的能量反馈机制,导致了未燃林区的加热和热解过程,释放出的可燃物质,在条件合适时,被突然点燃(或称气相爆炸现象)。这种由于热解过程导致大量可燃气体,发生的快速燃烧现象,如果发生在室内,被称作轰燃现象(Flashover),如果发生在室外,被称作爆燃(deflagration),是高温云层造成的,是大兴安岭大火中发生跳跃式火场蔓延的重要因素。

 

11

图1. 大兴安岭大火中的典型蔓延模式

 

二、加州山火的焚风模式


其次,是加州山火的焚风模式。某些专家动不动列举美国加州“天堂镇”的山火为例,说明国内山火和动员的相似性,这样做是不妥的,他们不了解美国加州山火蔓延的特殊模式。


焚风,是一种大气现象,通常空气是暖湿或者冷干的,如果由于某种地形或气象条件导致了大气流动是又暖又干燥,对下面燃料的干燥作用和蔓延效果不可忽视了。在学术上,这又被称作是Foehn(来自德语)Winds,产生条件是大团高压空气以160公里/小时的速度溢出山脉,伴随着温暖干燥的山风向低压区下降的过程带来的由压力梯度引起气流,经常会导致火灾的发生。


焚风在古代被称作融风或温风。前524年5月7日,鲁国都城地区开始刮风。梓慎说:“这是融风,是火灾要来的征兆。七天之后,火灾就会发生了吧!”5月13日,鲁国都城风力强劲,不过并未起火,而宋 (距鲁直线距离约180公里)、卫 (约180公里)、陈 (约280公里)、郑 (约330公里)四国都城都发生了火灾。梓慎爬上大庭氏府库房顶上瞭望了一阵,然后非常笃定地说:“就是宋、卫、陈、郑!”几天后,四国报告火灾的通告就到达了鲁国。可见,气象条件对火灾发生的影响。另外,在公元154年,重庆地方官(但望)提出,“郡治江州,时有温风:遥县客吏,多有疾病。地势刚险,皆重屋累居。数有火害,又不相容”。也就是说,当时重庆的地形也是经常会有温风带来的火灾。


13

图2. 美国加州山火的焚风蔓延模式。

 

三、道孚大火模式


才过去几年,忙忙碌碌的人们已经忘掉了道孚大火的悲剧,消防工作者没有。


道孚大火是一场典型的因为地形条件的特殊性导致的重大灾情,在火灾动力学有重要的地位。我们把它称作是壕沟效应(trench effect),其地形特征是一条倾斜的沟槽,有利于引导热烟气的流动,在流动过程对环境燃料进行预热和热解,然后形成爆发性的燃烧。这也是一种燃爆现象,是流体领域的 Coandă 效应(空气动力学中流体遇到坡面发生的吸附现象,主要用于飞机的机翼设计)与火灾领域的轰燃概念(充分预热热解后发生的爆发性燃烧现象)的耦合。


壕沟效应通常发生在有坡度的上升壕沟(如地铁的上下入口电梯)中,以英国伦敦发生的国王十字地铁站火灾而闻名于世。当时的英国牛津大学的学者 Susanne Simcox 使用最先进的计算流体力学工具,模拟了火焰倒伏、预热燃料、燃烧爆发的发展过程,是重大的火灾动力学发现。


其实,壕沟效应就是所谓的风助固体火灾蔓延模式的一种变化,风是浮力形成的抽风,而本应水平蔓延的火势现在发生在倾斜的平面上,让火焰倒伏的预热效果更强烈,产生的可燃气体更多,因此火势的发展更猛烈。最近(2019年3月14日)发生的开封高层建筑火灾,也是壕沟效应的一个特殊场合下的应用。


15

图3. 地形特殊性导致的道孚悲歌体现了掌握火灾原理的重要性


现在,大家对道孚大火的原因基本认可了,燃料是比较高的茅草,属于轻薄的材料,容易点火。那么,凉山木里大火的燃料是什么,为什么也会发生轻易点火的局面?

 

四、阴燃转明焰模式


上述的蔓延模式,分别有高温云气(大兴安岭大火)、气象温风(加州山火)和斜坡地形(道孚大火)的贡献,因此比较容易被察觉。

 

然而,此次关于山火的很多报道或分析却没有提到这些标志性特征(Signature),相反,人们提到更多的是“地面植被和林下可燃物因长期堆积后发生氧化分解(也就是我们常说的阴燃现象),产生大量的挥发性可燃气体,同时与腐烂的固体可燃物混合后”,在突发大风的作用下发生的爆发性燃烧现象。也就是说,这是常见的阴燃转明焰的典型燃烧过程,因为气流的失稳而出现了爆发性的增长燃烧。这些地表杂质被称作达菲(Duffy,在土壤表面堆积的部分腐烂的有机质),其消耗分解的过程主要是通过阴燃进行,阴燃产生加热持续时间长许多倍,加热强度大,可以达到致死的表面温度。阴燃的较长持续时间和对森林地表传递的较高热流通量,是导致火场植物死亡的重要因素。

 

阴燃通常发生在多孔材料堆积的场合。因为可燃材料没有密集堆积,就会有氧气渗入,氧气与木材发生的氧化反应,虽然生成的热量不多,可是空气是热量的不良导体,所以氧化反应的热量也无法消耗掉,随着时间的推移,逐步发展成没有火焰的燃烧状态。很多人烧过大灶,炉膛火焰熄灭之后,仍然有火红的灰烬,这就是炉膛内发生的阴燃,比自然界发生的阴燃要快速很多。

 

控制阴燃过程的两个重要条件是氧气供应和热量损失。达菲本身就是容易供应氧气的结构,那么关键就是热量损失了。最近随着清明来临,环境温度逐步增加,因此自然界阴燃过程的热损失越来越困难了(因为环境温度增加了),所以这是大面积发生阴燃现象的关键性气象条件。

 

如果阴燃过程发展到燃料堆的表面,氧气的供应突然增加,就会发生阴燃转明焰现象,其中一个重要前提是供风条件的改善,比如此次木里大火前有人提到山风突然加大(有可能是被动响应明火的结果,因为大火卷吸起来,也会造成大风,这种火致山风,以1991年的加州湾区大火而广为人知),对阴燃转明焰过程起了很大的推动作用。

 

下图是一张PU聚氨酯泡沫在外在热辐射进行加热的条件下,从阴燃蔓延向有焰燃烧进行转换的过程。只有当燃烧波发展到固体表面,供氧条件突然改善,有可能发生明焰燃烧。如果外部再加上扰流,推动氧气的供应增加,则点火的效果更好。也就是说,供氧条件改善,会触发气相的燃烧反应(有焰)


16

4. 聚氨酯泡沫的阴燃过程(上图是裸眼观察结果,下图是红外线观察的结果)

 

在香港电影《笑傲江湖》中,令狐冲经常手持一种火媒,该火媒把热量以阴燃的形式保存在类似雪茄的装置中,需要火源之时,打开盖子(增加与空气的接触面积),迎风一晃,阴燃立即转为明焰,就可以点火了。所以阴燃转明焰的过程是我们老百姓的生活常识,一点也不神秘。


最后,这些达菲从何而来?一种解释是,由于当地是原始森林/无人区,因此从未开发利用过,累积的达菲超过30厘米。另一种解释是,由于我国推行的封山育林政策,已经几十年没有开采林木了,让各地蓄积了大量的达菲。由于对森林养护的不同看法和观念差异,我国基本放弃了对森林的开发和利用,人为导致了固体燃料的大量集聚。这需要让我们反思森林保护政策的有效性和可持续性问题,在此不便深入展开。


参与讨论
1 条评论
评论
  • 2019/04/15

    加强扑火指挥员的专业业务学习,加强指挥员队员紧急避险和火场自救学习和演练。尽量避免火场伤亡事故的发生。

订阅Newsletter

我们会定期将电子期刊发送到您的邮箱

GO