孙培艺 张天航 黄鑫炎
燃烧速率对于确定火焰高度、热释放率和火势规模至关重要。此外，燃烧速率还取决于从火焰到其下方加热区域的能量反馈。凝聚相和气相之间的能量反馈相互耦合，主导了火焰的发展。通过研究不同相态材料在不同尺寸下的燃烧速率，可以为量化和预测复杂火灾场景中的火灾风险提供理论基础。
目前，学界对液体池火的尺度效应及燃烧速率的非线性演化规律（包括相关性和机制）已有大量研究。然而，对固体燃料尺度效应的研究仍相对有限，且缺乏对不同固体燃料燃烧通量影响因素的系统探讨。针对这一研究空白，理大火灾实验室开展了关于燃料尺度对质量燃烧通量和火焰行为影响的研究 [2]。
实验主要测量了燃烧过程中的质量损失速率和火焰高度。实验测试了不同尺寸的两种固体燃料：亚克力塑料板（PMMA）和木材，并将其与典型的燃油池火（液体火）进行了比较。燃料的具体尺寸如下：
2）木垛：由截面为2.5厘米×2.5厘米的木条组成，木条间距为2.5厘米，木垛尺寸为5至40厘米，高度固定为20厘米；
三种相态材料在不同尺度下的质量损失通量
通过分析燃烧过程中的实验现象，发现了不同的影响机制。对于小尺度液体火焰，传导和对流是主要因素。随着燃料体积的增大，燃烧通量和来自侧壁的热通量都会减少，因此对燃烧通量的增强作用变得很小，甚至可以忽略不计。在更大尺寸固体燃料的燃烧中，火焰辐射主导传热过程，因此燃烧速率会随着燃料尺寸的增大而增加。
同样，塑料的燃烧也受到侧壁火焰加热的影响，材料边缘会被附着的火焰强烈加热。随着燃料尺寸的增大，传导热量减少。因此，在燃烧小尺寸（D < 10厘米）塑料板时，燃料的水平消耗更为明显（见下图a）。在大尺寸塑料燃烧中，火焰辐射是主导因素，燃料主要以垂直方式消耗（见下图b）。
不同尺度下火焰沿四种形状塑料(PMMA)棒蔓延
对于小规模的木质燃料（D = 5厘米），由于气流冷却作用较强，火焰无法自维持。随着木质燃料尺寸的增加，燃烧速率最初保持不变，然后逐渐增加，这主要是由内部辐射增强所驱动。当燃料尺寸超过20-30厘米时，火焰辐射主导了所有燃料类型的燃烧通量。随着燃料尺寸的增大，边长为10至30厘米的木垛燃烧速率保持不变，因为其孔隙率（0.030 ~ 0.033）相对接近。然而，当边长增至40厘米时，在内部辐射的作用下，燃烧速率逐渐增大。综上，不同尺度下燃油、塑料板材、木垛火燃烧速率的主控因素可总结如下：
采用了FDS来模拟燃料燃烧的尺寸效应。模拟过程中，固定单位面积释热率（HRRPUA）不变，通过改变火源（水平投影）面积实现燃料尺寸和火源功率的变化。首先，模拟中的火焰几何形状和热释放率（HRR）与实验结果进行了验证。而后，基于Thomas等人所提出的经典公式结构，提出了一种新的火焰高度与火灾热释放率及燃料尺度的相关性公式，并在数值火灾模型中验证了其预测与泛化能力。
试验、模拟数据对比以及经验公式的外延
本研究定量化了固体燃料燃烧速率的规模效应（尺度效应），并为不同尺度的火灾数值建模提供了宝贵的参考信息。这些发现有助于更好地理解不同规模火灾的行为，为火灾安全设计和应急响应提供了理论支持。实验成果已开源发表于Springer 旗下的热分析权威期刊《Journal of Thermal Analysis and Calorimetry》。
[1] J.G. Quintiere, Principles of Fire Behavior, Second Edition, CRC Press, 2016.
[2] P. Sun, T. Zhang, X. Huang, Size scale effect on mass burning flux and flame behavior of solid fuels. J Therm Anal Calorim (2024). https://doi.org/10.1007/s10973-024-13453-5
孙培艺 博士：香港理工大学博士后，研究领域为滴落火、电池热安全、火灾数值模拟。
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图文 | 孙培艺 张天航
编辑 | 谢伟康
审核 | 黄鑫炎
