森林火灾烟气蔓延及成分研究进展.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月林 业 机 械 与 木 工 设 备 .综 述森林火灾烟气蔓延及成分研究进展王青清 高仲亮 王何晨阳 曹宇飞 于闻天(西南林业大学土木工程学院云南 昆明)摘 要:森林火灾中的烟气蔓延是一种极其复杂多变的过程受多种环境因素影响具有突发性和多变性等特点会加剧林火发展的不确定性降低逃生机率、造成人员伤亡加大林火扑救工作的困难程度 选取风速、地形、温度等影响指标分析森林火灾烟气蔓延及各指标对森林火灾烟气蔓延的影响综合各评价各指标的影响 结合目前火灾烟气监测的科学技术装备提出加强烟气监测、被困人员逃生等应对策略关键词:烟气蔓延环境因素评价指标烟气监测人员逃生中图分类号:文献标识码:文
2、章编号:()():.:收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助()云南省农业联合面上项目()云南省教育厅大学生科技创新项目()国家重点研发计划()第一作者简介:王青清本科生主要研究方向为森林防火:.通讯作者:高仲亮副教授博士主要从事消防工程教学和研究工作:.近十年我国年均森林火灾次数都在 次以上森林火灾火场总面积超过.万 森林火灾具有突发性强破坏性大处置救助较为困难等特点严重制约着现代林业的可持续发展及时扑灭森林火灾可有效地减少人员伤亡和财产损失 森林火灾中可燃物燃烧能够释放大量有害气体、浓烈烟气、大颗粒物质严重威胁被困人员和救火人员的生命安全同时严重影响火灾周边地区的空气质量间接影响周边人群
3、的身体健康 如何快速扑救火灾以及有效地避免人员的伤亡是近年来人们一直关心的林业机械与木工设备第 卷问题目前国内外火灾烟气蔓延及释烟特性的研究主要集中在工程应用方面例如隧道、地铁、电梯井、矿井等领域都积累了一定的研究成果但关于森林火灾烟气蔓延的研究较少 近些年随着计算机技术的快速发展火灾烟气蔓延的模拟技术不断提高应用、等计算机模拟软件已经有效地解决了过去在仿真模拟技术上的诸多难点卢苇等基于洛伦兹方程 值变化研究火灾中因热所产生的混沌行为得到混沌行为的发生介于 值的某一范围之内 等运用 仿真模拟软件构建了一个实际牧场的草地火灾简化模型模拟不同因素下的草原火灾三维数值蔓延得到了不同因素下火灾放热率、
4、燃烧率的变化规律 等 运 用 拉 格 朗 日 粒 子 扩 散 模 型 来确定羽流的起源和传输比较基于 和 气象数据的模拟但最终结论并未能得出更符合观测结果的模型 等运用简单统一假设的模拟方法研究烟雾喷射场景的大气影响指出火灾通常具有足够能力将产生的对流排放物夹带到自由对流层 等开发基于四维智能体的建模框架并实现森林火灾烟雾传播的四维案例研究方法模拟结果产生了真实的空间模式的烟雾传播动力学 等观察 年前后澳大利亚野火发现其产生了持续的烟雾涡流上升高度为 以及火灾产生的单一平流层燃烧产物对许多气候驱动平流层变量影响十分显著 等研究西伯利亚地区的森林火灾及森林火灾的烟气蔓延使用遥感卫星结合城市环境监
5、测网络数据有效评估森林火灾造成的整体污染水平 影响森林火灾烟气蔓延的因子.风速森林火灾的烟气蔓延速度受风力影响十分明显 可燃物燃烧产生的热空气上升形成烟柱遇上冷空气后易形成冷热空气对流烟柱改变风向造成火势的变化若山区环境加之地形条件复杂极容易引起意外情况发生 四川凉山州“”森林火灾的主要原因是该地以云南松和高山松这类油脂含量较高、燃点较低的易燃植被为主火灾发生后受到各种湍流以及越山气流的影响发生了爆燃现象 提出了一种新的数学设置和数值求解方法以解决森林火灾期间辐射在森林区域上方烟雾扩散的问题研究表明在无风情况下放射性烟雾颗粒在一段时间以后会再次沉积在地面上随着风速增加颗粒在地面层中的转移距离与
6、风速成正比等利用雷诺平均 流体动力学模型研究风和浮力作用等因素影响下森林火灾烟气的扩散指出该模型可用于烟羽演化的半定性评估 王喜世等利用燃烧风洞结合测量系统等方式模拟风速在不同风速条件下对两种样品木材表面的火蔓延特性研究表明风速条件对燃烧具有显著影响且在顺风情况下木材表面火蔓延速率在一定风速范围内随风速的加快不断增大.地形地形能够影响太阳辐射将太阳辐射到地面的能量反射回大气大气又反射回地面形成逆辐射大地形能够对某一较大环境范围内的气温分布和变化产生宏观性的显著影响即使针对局部小范围地形也能够在短距离内对气温变化造成巨大作用杨景标等从热流密度和总换热量两个角度出发分别计算林木表面与烟气之间的换热
7、关系并基于此数学关系分析山坡斜度和风速与烟气运动的影响得出山坡坡度减小烟气覆盖的范围增大等一系列结论 魏建珩等采用 软件建立微观山体柞木林模型研究燃烧蔓延和释烟特性分析不同坡度条件对柞木燃烧蔓延规律的影响表明烟气流速与坡度呈负相关 朱家进等在实验室开展不同坡度的燃烧情况得出坡度与热辐射之间呈正相关关系.湍流根据有无径向脉动流动可以分为层流和湍流湍流具有随机性、瞬时流动性等特点是森林火灾中烟气蔓延的重要影响因素之一 冉海潮指出烟气中悬浮的烟气颗粒目、团聚效应和烟气的湍流效应是火灾探测的重要影响因素 通常情况下烟气湍流是一个随机过程具有小尺度、快速变化的特点而火灾中烟气湍流效应本质上是烟气的热湍流
8、效应 杜曙明等指出环境湍流对烟气的抬升具有重要影响此外这种影响不仅限于烟气和环境之间的质量交换同时也能促进烟气与环境之间的动量、热量交换过程 森林火灾中烟气内部温度和第 期王青清等:森林火灾烟气蔓延及成分研究进展周围环境的温度相差巨大使得热湍流效应对烟气的蔓延影响更加显著 孟岚等指出在有较高温度差带来较大密度差的环境中浮力是控制火焰运动的决定性因素但目前为止浮力对湍流状态影响的研究依然较少.温度风和湍流的共同作用是森林火灾中烟气扩散的主要影响因素除此以外温度也是重要影响因素之一 由于烟气内部的温度相较于烟气外围温度要高这种温度差产生了一种浮升力使得烟气的高度发生变化热力因素的影响作用也可以作为
9、蔓延指标 曹毅基于 软件对大气中雾霾流场进行模拟指出烟气与大气的温度差所产生的浮力差是影响烟气浮升阶段的主要因素温度升高会使不同位置点的大气雾霾流场抬升高度呈加速下降趋势森林火灾的烟气温度可高达数百摄氏度对被困人员及救火人员身体造成伤害 人是恒温动物而人体维持热平衡与环境温度之间具有显著的相关性 当环境温度超过人体耐受温度时人体产热量增加辐射换热量与对流换热量减少 此外研究表明蛋白质的生物活性通常维持在 左右超过 则会开始变性所以高温环境会导致蛋白质的生物活性降低或者变性 森林火灾烟气的辐射温度可高达数百摄氏度在这种高温环境下人体细胞会直接脱水碳化 森林火灾烟气成分.一氧化碳森林火灾的初期阶段
10、往往是没有明显火焰的缓慢燃烧即阴燃 由于阴燃阶段大量含碳森林可燃物与氧气接触不充分从而导致一氧化碳的释放增加 一氧化碳作为火灾烟气中的主要毒性气体能够对人体的心血管造成损害以及使人产生缺氧性中毒等高浓度的一氧化碳甚至会引起人体器质性病变 一氧化碳对人的危害程度取决于浓度及时间见表 研究表明一氧化碳生成的碳氢化物中包含多种化合物能使人体产生慢性中毒其中部分化合物能够对人的感官系统(眼鼻)产生直接的刺激作用从而影响其正常功能 等使用 模型研究了气团的起源以及生物质燃烧对一氧化碳增强的贡献研究得出每千克燃烧干物质的平均一氧化碳排放系数为.等结论表 不同体积分数 对人体影响 体积分数()对人体影响.几
11、小时内影响不大.内影响不大.内出现头昏、呕吐等症状.内窒息死亡.内中毒死亡.二氧化碳森林火灾会产生大量的烟气其主要成分为二氧化碳和水蒸汽一般情况下浓度 的二氧化碳人体可以保持正常呼吸并无身体不适等见表 王广宇在实验室内模拟室外环境对采集的样本进行燃烧实验测定森林地表主要植被的未分解层和半分解层计算其在燃烧过程中的排放因子及释放量实验结果表明:燃烧过程中气体排放以二氧化碳为主 等计算了给定活在特征和环境条件、二氧化碳和热通量释放的温度等羽流排放的气体的垂直分布表明二氧化碳可以被注入到远高于边界层高度的地方导致对流层中的二氧化碳每日过剩表 不同浓度 对人体影响浓度含量/对人体影响与正常室外环境相同
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