如何窒息阴燃火：数值模拟揭示供氧极限
文摘
科学
2024-09-03 07:30
中国香港
阴燃和明火是燃烧的两种主要形式。其中，阴燃是一种低温、缓慢、无焰的燃烧现象，如点燃的香烟和煤炭的闷烧就是典型的阴燃。阴燃本身是一把“双刃剑”：一方面，阴燃只需要较低的能量和条件即可引燃 [1]，因此其为明火火灾的发生提供了一条“捷径”。典型的案例包括阴燃泥炭火，它可以潜伏在地下深处，持续消耗地下有机质，导致难以估计的碳排放 [2]。此外，阴燃泥炭火还可以在特定条件下转化为大规模的明火林火 [3]（参考前文：森林火灾中的“地下阴燃火”如何诱发“地表明火”？），进一步加剧其灾害。
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2022年发生于匹兹堡沼泽地中的大规模阴燃火灾（CBS News）
另一方面，阴燃技术从古至今都在造福人类：比如我们的祖先使用钻木取火来取暖和赶走野兽，其获得明火的第一步就是使木屑发生阴燃（参考前文：从钻木取火谈燃烧：阴燃与明火）。同时，随着科技的发展，越来越多基于阴燃的新技术不断涌现，例如利于阴燃处理固废和去除土壤或煤层中的焦油以实现地下资源的修复等。因此，可控的阴燃过程有利于环境保护和资源循环，可助力实现“碳中和”目标。
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一项利用阴燃处理土壤或煤层中的焦油实地实验 (STAR) [4,5]作为一种燃烧现象，阴燃的维持依赖于氧气在高温燃料表面发生的氧化反应所释放的热量。例如在上图所示的土壤或煤层修复过程中，当供氧停止时，阴燃过程会很快终止 [4]。而为什么森林中常见的泥炭和松针等枯落物的阴燃会如此难以熄灭？阴燃燃烧的供氧极限（氧气浓度和供氧速率）是多少？其影响因素又有哪些？针对这些问题，理大火灾实验室开展了一系列实验和模拟研究，探索近极限阴燃中的供氧特性。![]()
阴燃在多孔燃料中的蔓延（图中以泥炭为例）
先前，我们已在泥炭、松针、木粉和木片进行大量实验。我们发现，泥炭阴燃的氧指数（< 2%）远低于明火（> 12%），所以阴燃可在极端缺氧的条件下维持 [6]。同时，燃料自身的性质会影响阴燃的临界供氧条件，如阴燃在更高密度、更小粒径的松针和木燃料中需要的供氧量更低 [7]。那么我们能否建立一个数值模型，并基于已有的实验数据来验证和外扩？近期，我们基于开源代码Gpyro建立了阴燃的一维模型，探索成功点火后维持阴燃火蔓延的临界氧气浓度和流速，以及燃料密度、含水率、环境温度等因素的影响。模型以先前松针的实验为例进行验证。![]()
强制供氧实验容器（左）、一维阴燃蔓延模型（右）[8]我们将模型展示的温度变化、峰值温度、持续时间和蔓延模式等参数和现象与实验进行了比较，对照结果表明模型能够较好地复现实验结果。实验与模拟结果中不同流速下阴燃峰值温度、持续时间的对照随后我们使用验证后的模型进一步探索近极限阴燃现象。模拟首先量化了维持松针燃料床阴燃的极限氧浓度与流速的关系，其趋势与先前在泥炭中实验的发现一致。模拟还确定了松针燃料中的临界氧气浓度约为3%。
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模拟确定的阴燃极限供氧浓度和流速的关系，与先前实验吻合除氧气浓度的影响外，研究还探索了燃料密度、含水率及环境温度对阴燃临界供氧条件的影响。例如，在不同密度的松针燃料床中均观测到，随着含水率的增加，维持阴燃所需的供氧流速也相应提高。而当含水率升至110%的上限时，继续增大供氧也无法维持阴燃的蔓延。![]()
深入探讨阴燃临界供氧特性不仅对理解和控制大规模林火有重要意义，而且有利于优化基于阴燃的固废处理、土壤修复等新技术。目前，相关实验和模拟成果均已发表在燃烧学领域权威期刊《Combustion and Flame》，文章开放获取。未来理大火灾实验室将开展更多基础研究，来揭示阴燃供氧极限的内在机理。
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相关链接文献
[1] Lin S, Sun P, Huang X. Can peat soil support a flaming wildfire? Int J Wildl Fire 2019;28:601–13.[2] Scholten RC, Jandt R, Miller EA, Rogers BM, Veraverbeke S. Overwintering fires in boreal forests. Nature 2021;593:399–404.[3] Qiao Y, Zhang H, Yang J, Chen H, Liu N. Transition from smouldering to flaming combustion of pine needle fuel beds under natural convection. Proc Combust Inst 2024;40:105343.[4] Scholes GC, Gerhard JI, Grant GP, Major DW, Vidumsky JE, Switzer C, et al. Smoldering Remediation of Coal-Tar-Contaminated Soil: Pilot Field Tests of STAR. Environ Sci Technol 2015;49:14334–42.[5] Grant GP, Major D, Scholes GC, Horst J, Hill S, Klemmer MR, et al. Smoldering Combustion (STAR) for the Treatment of Contaminated Soils: Examining Limitations and Defining Success. Remediation 2016;26:27–51.[6] Qin Y, Chen Y, Lin S, Huang X. Limiting oxygen concentration and supply rate of smoldering propagation. Combust Flame 2022;245:112380.[7] Qin Y, Zhang Y, Chen Y, Lin S, Huang X. Minimum oxygen supply rate for smouldering propagation : Effect of fuel bulk density and particle size. Combust Flame 2024;261:113292.[6] Qin Y, Chen Y, Zhang Y, Lin S, Huang X. Modeling Smothering Limit of Smoldering Combustion: Oxygen Supply, Fuel Density, and Moisture Content. Combust Flame 2024;113683.秦蕴竹：香港理工大学、悉尼科技大学联合培养博士研究生，主要从事阴燃动力学、森林火灾、火灾排放等研究。
林少润 博士：香港理工大学研究助理教授，美国加州大学伯克利分校博士后。主要研究领域为阴燃理论和林火动力学。
黄鑫炎 博士：香港理工大学副教授、博士生导师，研究领域包括基础燃烧科学和火灾安全应用。
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图文 | 秦蕴竹
审核 | 黄鑫炎
