三种森林燃料均质化的层流火焰的实验研究
Virginie Tihay, Albert Simeoni, Paul-Antoine Santoni, Lucile Rossi , Jean-Pierre Garo,Jean-Pierre Vantelon
摘要：这项工作的目的是增进对植物燃料燃烧所涉及的参数的了解。由于表面积和体积比的作用是已知的，我们重点研究了其他参数的影响。我们对海岸松、欧石南和聚伞岩蔷嶶三种树种进行了粉碎，以降低其表面积和体积比的影响。燃烧这些燃料样品会产生不稳定、轴对称、非预混的层流火焰。我们调查了破碎燃料的热性能和质量损失、试样内部和火焰内的温度分布、燃料释放的气体和火焰几何形状。利用这些实验数据，明确了不同燃料性能的影响。我们观察到，样品的质量燃烧速率主要控制火焰动力学。然而，火焰的燃烧动力学依赖于燃料所释放的降解气体:反应区发生位移，火焰高度发生变化。看来，要改进森林火灾模型，必须考虑到降解气体的组成。
关键词:层流火焰; 森林燃料; 降解气体; 气固耦合
1. 介绍
火灾经常毁坏世界各地的森林、灌木丛和人口稠密的地区。森林管理员和消防人员面临着诸如管理荒地/城市界面和安全区等问题。为了应对这种情况，需要更好地理解火灾现象，特别是植物的燃烧。虽然现场规模试验对火灾蔓延数值模型的验证具有一定的价值，但不适用于精确研究各种燃料性质对燃烧的影响。实验室规模的实验可以集中于准确的现象作为对火灾参数的监视和控制。在实验室规模调查植物燃料燃烧的实验中，进行了下列研究:
bull;热分析和量热研究[1-5]研究了植物物种的热降解过程。它们提供了燃烧动力学和其热释放的信息。加热速率一般小于40k/min。因此，实验条件与实际野火相去甚远。
bull;静态燃烧实验致力于森林燃料的燃烧。样品采用圆柱形筐[6,7], 分析了火焰的质量损失、火焰几何形状和温度分布。
bull;不同类型的松针床火灾传播是由许多学者进行的[8-14]。这些研究主要集中在不同条件下(风、坡、燃料特性hellip;)扩散速率的确定上，并用于数值模拟的验证。
bull;最后一个方面涉及森林燃料释放的降解气体。由于Grishin[15]的开创性工作，无论是何种植物，其脱挥发产物的可燃部分被认为是空气中燃烧的一氧化碳。然而，这些燃料是复杂的物质，其降解气体的混合成分取决于植物物种[5]。
根据这些研究，影响植物燃料燃烧的主要性质是表面体积比。然而，目前还没有研究指出其他燃料性能，特别是降解气体的影响。因此，人们可能想知道是否(以及如何)涉及其他参数。为了解决这一问题，对三种不同的植物(海岸松、欧石南和聚伞岩蔷嶶)进行了粉碎和筛分，以减小表面积和体积比的影响。我们通过实验研究了样品燃烧过程中产生的非定常、轴对称、非预混的层流火焰。这些火焰有三个主要优势。首先，它们保证了实验的良好重现性。其次，他们指出火焰中的燃烧动力学，这往往是隐藏在湍流。最后，时变层流扩散火焰是一种非预混燃烧[16]，它是森林火灾中稳定层流燃烧与湍流燃烧之间的桥梁。很明显，层流火焰的结果不能直接推广到实际植被。然而，这项工作可以帮助解释更大的规模，更现实的湍流火焰的燃烧过程。研究分两步进行。一方面，获得了破碎试样的热性能。采用差示扫描量热计(DSC)和热盘法分别测定比热和导热系数。利用与气相色谱仪和湿度计相连接的管式炉测定了燃料降解释放的气体。另一方面，测量了破碎试样内部和火焰内部的温度分布、火焰高度、火焰半径和质量损失。实验过程将在下一节中描述。接下来，为燃烧样品提供了全球观测数据。然后研究了破碎燃料的现象，并对其气相进行了表征。最后讨论了燃料样品与火焰的耦合问题。
术语表
h 焓......................................... J beta; 升温速率..................................
HF 热流.....................................W rho; 质量密度................................. kg
△ha 每质量空气的热值......... kJ/kg tau; 标准偏差
L 长度......................................m sigma; 表面积和体积之比......................
m 质量...................................... kg lambda; 热导率................................W
△h 反应焓.................. ........... kJ/kg Subscripts下标
Cp 比热容.......... ............ J/(kg·K) B 蓝色
Fs 空气中的化学计量系数 empty 空盘
T 温度....................................... K ethanol 乙醇
t 时间...................................... s G 绿色
V 体积........................................ mean 平均值
v RGB组件的值 P 恒压
a 热扩散率(lambda;/rho; Cp ) ............./s 参考盘与参考样品
l 宽度...................................... m 带样品盘
Greek symbols希腊符号 R 红色
rho;bulk 体积密度........................... kg/ k 时间增量
alpha; 燃料填料比
2. 实验装置与方法
2.1. 燃料样品
我们研究了三种地中海燃料的燃烧情况: 在野地火灾中的海岸松、欧石南和聚伞岩蔷嶶。这些植物分别属于乔木层、高灌木层和低灌木层。在冬季植物水分胁迫时期，采集了松针叶、木本松和聚伞岩蔷嶶的叶、枝。在实验之前，他们是在24小时内在60◦C温度下烘干。然后将其粉碎，筛分至0.6-0.8 mm的粒度，以保证三种物种的几何参数相似。每次重复前，所有样品的自复水含水率均小于2%。
2.2. 时变轴对称扩散火焰
2.2.1. 实验设备
实验装置如图1所示。燃料样品呈圆柱形，直径3.5 cm，质量1.5 g。样品的深度取决于燃料的体积密度(从4毫米到5毫米)。燃烧装置由一个在其中心钻取的一平方米板组成。在这个位置安装了一个10平方厘米的绝缘体来支撑燃料样品。它被安置在一个测压元件上，以测量燃料质量损失随时间的变化。为保证快速均匀点火，将少量乙醇(0.7 mL)均匀涂抹在试样上，用火焰炬点燃。一个由11个热电偶组成的阵列沿着火焰轴放置在被压碎的燃料上方。第一组热电偶被放置在支架顶部上方1厘米处，其他热电偶彼此相距1厘米。第二组热电偶在不同高度水平移动，以获得沿火焰半径和破碎样品内部的温度。这些热电偶之间的间距为5毫米。所使用的热电偶是整体矿物绝缘的金属护套预焊型K(铬铝镍合金)的带有裸露接口的导线。在裸露接口处,导线直径为50micro;m。与响应时间大于3 s的分析天平相比，选择响应时间较短(0.2 s)的测压元件。温度和质量测量的不确定度分别为0.5◦C和0.031 g。采样频率为100hz。在室内设置两个可视摄像机(图1)，摄像机1跟踪火焰行为和火焰高度。将相机2置于火焰上方，记录火焰基的回归。环境温度为21◦C，相对湿度为50%。为了收集每一种燃料的可靠数据，实验至少重复了五次。
图1 实验装置示意图 (a)整体视角 (b)侧视图
2.2.2. 图像处理
实验记录在DV-PAL磁带上(图像采集频率:1/25 s，图像大小:720times;576)。然后这些影片被以AVI标准导出到计算机上。在第一次实验之前，为了获得测量的几何参考，我们制作了一个标尺放在火焰位置的短视频。为了跟踪燃烧过程中火焰高度和火焰半径(图1中摄像机1和摄像机2记录的)随时间的变化，开发了一种图像处理程序。从视频中提取图像，采样率为0.5 Hz，火焰为层流，轴对称，不闪烁(图2(a))。这种频率允许减少处理时间，而不会降低精度。然后，利用RGB颜色空间对每张图像进行火焰区域分割;更准确地说是在一个包含火焰的正方形图像区域内进行分割。这一限制能够排除关于热电偶的伪检测。在第一个提取的图像上，使用火焰区域的一组像素作为参考。计算其RGB分量的“平均值”和标准差[17]。那么，每个像素都与一个RGB向量相关联吗? ， “平均值”的命名与参考区域的平均颜色有关。利用欧氏距离进行相似性度量。RGB颜色空间中的任意一点，如果其RGB向量之间的距离小于等于特定阈值25(较高的值提供相同的结果)，则与火焰区域相似:
然后用二进制数据替换与颜色相关的信息。火焰像素为白色，其余像素为黑色(图2(b))。然后，利用图像平面白色区域的笛卡尔坐标计算火焰高度和火焰半径。在正面，火焰高度与白色区域的高度相对应。在顶部视野下，火焰半径为白色区域的平均直径。
图2 图像处理 (a)从视频中提取的图像 (b)二进制图像
2.3. 试样的几何性质
2.3.1. 体积密度
为了确定样本的体积密度rho;bulk，一个固定体积的容器被装满燃料并称重。这些测量重复了十次。计算这些值的平均值和标准差。
2.3.2. 表面体积比
用粒度分析得到粒子的平均表面体积比。利用高分辨率扫描仪对每个物种的样本进行图像处理。它提供了粒子的平均长度和宽度。假设颗粒形状为圆柱体，计算每个样品的平均表面体积比，关系如下:
2.4. 样品的物理性质
2.4.1. 比热容
比热的测量使用差示扫描量热计(DSC Setaramreg;131型)。它是一种热分析技术，在这种技术中，测量出增加样品所需的热量和基准温度的差值作为温度的函数。样品约为50毫克，并放置在铝锅。实验是在常压下进行的。为了确定样品的比热容，采用了利用两个锅的“三步法”，即:对每个样品，一个参考样品(即锌)和一个空锅采用相同的温度程序。温度程序是基于逐步法编制的。每一次运行温度以5◦C/min的速度连续增加20◦C。每次增量后，观察5分钟的等待时间，得到一个稳定的信号。在温度从80◦C变化到200◦C的过程中可以研究燃料样品热降解之前的情况。在[Tk, Tk 1 ] 温度范围内的平均比热容是使用以下关系计算的:
2.4.2. 热导率
利用热盘技术进行导热率的测量是一种瞬态平面源方法[18]。热盘技术可用于测量0.005到500 W/(m·K)范围内的导热系数。热盘传感器是由镍丝制成的双螺旋组成。在实验过程中，热盘传感器被放置在燃料样品中。一个小的恒定电流被提供给用作温度监视器的传感器。通过电阻测量准确地确定了传感器的温升。通过在实验开始后的短时间内监测这种温度的升高，就有可能获得燃料样品导热系数的准确信息。对三种材料在两种温度（100和200 ◦ C）下进行了导热系数测量，测量结果的不确定度为5%。
2.4.3. 密度和燃料填充比
对每个样品用10 ml刻度管进行密度测量。密度测定分三步进行。首先，在试管中放置大量的样品(m样品)。在试管中加入3 ml的绝对乙醇(V乙醇)。绝对乙醇可以得到和水一样的结果。然而，它确保燃料样品完全浸入液体中，并具有最高的润湿能力。最后，记录总体积(V)。试样的密度由下式确定：
这些测量重复了三次。燃料填充比与燃料的体积密度和密度之比相对应。由关系式给出:
2.5. 热解气体的组成
管式加热炉作为热解器的装置如图3所示。它是由一个长43.5厘米，内径6.5厘米的圆柱形炉组成。反应堆内部长86厘米，内径5厘米。用两个热电偶记录了炉内的温度历程，一个固定在炉内表面，另一个放置在燃烧室中，在不同高度随试样温度变化。对这三种燃料进行了实验。热重分析表明，在280至430◦C之间植物样品损失大约60%的质量[19]。因此，我们只提出在这个温度范围内释放的气体混合物，因为它们是火焰燃烧的特征。该加热炉的温度设置在450◦C，该炉温允许试样达到所选温度范围。之后气体被收集到称为气体采样器的气球内。将装有4克样品的样品箱放在炉外，直至炉温达到要求值。同时，打开抽气开关，打开气体采样器，以1L /min的速度注入氮气，使装置内充满惰性气体。一旦温度稳定，样品就被引入熔炉。停止氮气的注入，关闭气体采样器，打开阀门(图3上的8a)，将气体喷射到设备外。当样品达到所需温度时，开始气体取样。关闭阀门8a，打开气体采样器，向反应器内注入氮气，使气体采样器内充满热解气体。然后将气体取样器直接连接到气相色谱仪(火焰离子化检测器和热导检测器)或湿度计(边缘技术模型2001系列Dew-Prime) 以0.1◦C的分辨率测量露点
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