垂直取向木材的阴燃及阴燃向明火转变的界限：交叉风和瞬态热流的影响

《Fire Safety Journal》：Smouldering and limits of smouldering-to-flaming transition in vertically oriented wood: Effects of crosswind and transient heat flux

　　

# 阴燃向明焰（StF）转变研究

## 摘要

阴燃向明焰转变（StF transition）是指在固相异相氧化（即阴燃）之后，均相气相燃烧突然发生的过程，该过程可在住宅火灾和森林火灾中驱动火势快速蔓延。然而，目前对其对强迫对流和瞬态热流敏感性的科学理解仍然有限。本研究采用自设计的实验装置，研究了松木在耦合横风（0–1.2 m/s）和二次方递增热流条件（˙??′′???? =?????2，其中?? = 0.10–0.40 W/m2s2）下的燃烧行为。记录了阴燃温度、StF转变时间和炭层厚度等关键参数。建立了一维数值模型来表征阴燃传播过程。结果表明，更快的热流递增速率会加速阴燃木材表面温度上升，并将热量渗透和炭层氧化限制在近表面的薄层中。通过将数值预测与实验测量的表面温度和炭层厚度进行比较，验证了模型的有效性。通过评估热损失与热源之间的比率，考察了StF转变的极限条件。在快速递增热流条件下（?? = 0.28和0.40 W/m2s2），由于热损失减少，会发生StF转变。本研究为防范阴燃火灾的消防安全设计提供了科学依据。

## 引言

阴燃是一种缓慢、低温、无火焰的燃烧现象，常见于多孔燃料中，是持久的燃烧模式之一[1,2]。阴燃频繁出现在住宅火灾和森林火灾中，其本质是异相炭氧化反应，由直接氧攻击热点炭表面驱动[3]。阴燃构成重大隐患，因为它容易引发，可长时间未被察觉地持续存在，并在有利的环境条件下突然转变为剧烈的明焰燃烧[4,5]。

木材是森林火灾中的主要燃料。由于木材具有易获得、可持续和低碳排放的优势，它还被广泛应用于建筑行业[6,7]。与高度多孔、高透气性燃料（如松针、棉花和泡沫）相比，平坦的热厚木材板不易阴燃，除非通过外部热流持续供热[8]。大量文献研究了通过火源（如火花和火焰）对固体燃料进行阴燃引燃。McGuire[9]于1965年首次量化了木材阴燃引燃所需的最小辐射热流为12.5 kW/m2。此后，利用锥形量热仪对辐射加热下的阴燃燃烧进行了广泛研究[10,11]。现有研究主要集中在引发阴燃所需的最小热流上，但该数值容易受热源位置、燃料类型和对流气流等因素的影响。对于木材，报告的阴燃最小热流范围较广，从7.5 kW/m2到40 kW/m2不等[10,12,13,14]。在典型的锥形量热仪测试中，整个阴燃过程中对样品施加恒定辐射热流，而火源（如电火花、喷灯或热丝）仅在引燃阶段起作用[15,16]。

阴燃受氧气供给与热传递之间的竞争控制[2]。因此，气流在阴燃传播中起着关键作用，它不仅将氧气输送到反应区域，还调节界面热传递。增大气流速度可通过提高氧浓度来增强阴燃速率[17,18,19]。固体燃料的多孔度和渗透性影响氧气扩散，从而进一步影响阴燃速率。与高渗透性燃料（如棉花和松针）相比，木材内部的阴燃传播要慢得多，因为氧气只能通过木材表面形成的多孔炭层扩散[20]。此外，阴燃进程还取决于阴燃锋面与气流之间的相对方向[16,21]。此前的研究通过实验[22]和数值[23]方法考察了热损失对阴燃蔓延的影响。

已有研究表明，StF转变受多种因素影响，包括气流速度、表面裂纹[8]、热流[24]和样品尺寸[17]。先前工作已证实强迫气流在StF转变中起关键作用，尤其对于木材等低渗透性燃料。然而，强迫气流对StF转变产生两种竞争效应。一方面，增大风速可通过供给充足氧气缩短StF转变期[17,25]。另一方面，过大的气流会加剧燃料基体的对流热损失，从而抑制StF转变[26,27]。值得注意的是，Thomas[24]研究了多孔纤维素保温材料中的逆向阴燃，表明增大气流对逆向阴燃行为影响甚微。即使在最大测试气流速度5 m/s下，也未观察到从逆向阴燃到明焰的转变。因此，气流对StF行为的影响取决于气流速度及其与阴燃传播的相对方向。根据Garg的工作[3]，在固定氧浓度下，均匀纤维素粉末中StF转变所需的热流随风速增大而增加，这是因为对流冷却增强，需要外部热量输入来抵消热损失。

上述研究为理解阴燃机理提供了坚实的理论基础。然而，在森林火灾和住宅火灾中，辐射热流是随时间变化的而非恒定的[28]，这代表了当前阴燃研究的一个局限性。在此基础上，将阴燃研究从恒定热辐射扩展到瞬态热辐射加热至关重要。此外，在开放火灾中，环境条件对燃料燃烧有强烈影响，尤其是环境风。从文献综述来看，许多研究考察了气流对阴燃传播和StF转变的影响。然而，在大多数此类研究中，燃料首先被火源引燃，然后暴露于自然或强迫对流中。在真实火灾场景中，未燃烧的燃料同时暴露于辐射加热和气流中，而非单独暴露于某一因素。尽管先前的研究增进了对控制阴燃的单一因素的理解，但在耦合多因素条件下的研究对于更好地表征真实火灾场景至关重要。

为弥补这些不足，本研究结合实验和数值方法，研究了木材在耦合横风和瞬态辐射加热下的燃烧行为。开发了改进的数值模型，整合木材热解、异相炭氧化、瞬态热传递和表面热损失，以量化阴燃传播，包括表面阴燃温度、热渗透深度和阴燃蔓延速率。最后，基于热损失与热增益之间的相对平衡，定量分析了热流递增速率和横风速对StF转变的影响。这些发现填补了一个关键的知识空白，尤其是关于火灾边界附近燃料阴燃传播和StF转变极限条件的知识。

## 材料

松木（Pinus sylvestris var. mongolica Litv.）作为典型的易阴燃炭化燃料被用于本研究。这种木材代表中国东北地区典型的生物质物种，广泛用于建筑建造和家具制造。样品直接从木材加工厂采购，除烘干处理外未进行额外处理。测试前，所有样品在80°C烘箱中干燥48小时，然后用塑料薄膜密封。

## 模型描述

选择松木这一典型的炭化材料来研究阴燃和StF转变的机理。松木在耦合瞬态热流和横风条件下的阴燃和热传递过程如图1（a）所示。木材的转变过程如图2所示。热解前，样品为原始木材（图2（a）），密度为????。如果木材完全热解，将完全转化为炭（图2（c））。假设炭层为...

## 阴燃现象

随着辐射热流从零开始增加，木材经历预热过程：表面吸收的热量向内传导，一旦温度达到临界阈值，热解便开始发生。在热解过程中，木材表面逐渐变暗并转化为多孔炭，随着热解的推进，炭层向内扩展。在本研究中，木材在热解过程中同时受到瞬态递增辐射加热和横风对流的作用。基于三次重复实验的结果...

## 结论

大多数现有的关于StF转变的实验研究是在单因素条件下进行的（仅恒定热辐射或仅气流）。真实火灾场景中特征是随时间变化的热辐射与风的耦合，而这一方面研究较少。本研究提出了一种新颖的实验与数值方法相结合的方法，探索竖直放置木材在耦合横风（0, 0.4, 0.8, 1.0...）效应下的阴燃传播和StF转变。

## CRediT作者贡献声明

Li Yan：撰写——初稿，方法学，研究，形式分析，数据整理。Lizhong Yang：指导，概念化。Xiaoyu Ju：撰写——审阅与编辑，指导，资金获取。

## 利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文所述工作的呈现。

## 致谢

本研究得到国家自然科学基金（52506172）、中国科学院战略先导科技专项（XDB1620000 & XDB1620401）、国家高层次青年人才计划（GG2320007006）和合肥工业大学科研启动基金（KY2320000046 & KY2320000055）的支持。作者衷心感谢所有支持。

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Li Yan | Lizhong Yang | Xiaoyu Ju

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