从飞火点火，野火蔓延，到极端火行为
文摘
科学
2024-07-08 07:31
中国香港
全球变暖和海气环流异常导致极端天气事件增多，世界各地森林火灾强度和频率显著增加。大量森林火灾是由人类活动导致，如刀耕火种、野营（见前文《“天降神火”：汇聚的光斑如何诱发火灾？》），以及烟花和机电设备产生的热颗粒，即飞火颗粒。这些细小的飞火颗粒一旦诱发明火，随后火势蔓延至更广阔的林区，甚至入侵林-城交界域，导致城市火灾（见前文《“飞驰的野火”飞火颗粒如何加速林火蔓延》）。
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学界通常认为，点状火源形成稳定的明火蔓延需要足够的风和时间 [1]；火蔓延开始后会经历初始的加速阶段，当过火面积达到一定尺寸时，其蔓延速度会趋于稳定（即线火源火蔓延）[2,3]。所以，大量林火蔓延的研究中使用线形点火（类似计划烧除的点火方式），关注线形野火锋面的稳态蔓延速率；而不是从小的点火源开始的火蔓延。然而，由飞火颗粒诱发的局部点火，其整体火蔓延速度比线源火蔓延要慢，火焰锋面的速度需要更长的时间达到稳定（如图1）。此外，点火源形成的野火燃烧面类似椭圆，其增长不是线性的，与线型野火有很大区别。
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图1 (a)点源点火的发展及(b)线源/点源点火的火焰蔓延初步发展趋势我们在研究中探索了3种常见的点状火源诱发的火蔓延规律 [4]：
实验从0.25 m x 0.25 m的小尺寸松针燃料床开始，模拟常见的地表林火，后扩展至更大的1 m x 1 m 燃料床，使火蔓延达到稳定的燃烧状态。![]()
图2 局部点源点火的火蔓延实验设计下图3展示了钢制热颗粒点火源在1 m燃料床表面的火焰蔓延过程，火焰从点燃处以近似圆形向周围蔓延，并扩展至整个燃料床。
通过Matlab程序测定了几种不同条件下火焰蔓延过程的火焰前锋位置变化及燃烧区域的覆盖面积。图4a为不同点火源引发的火焰蔓延速率变化。受到燃料边界限制，0.25 m 边长的燃料床没有达到1 m边长的燃料床的火焰蔓延速率，但仍存在一个类似的加速。
图4 不同类型点火源引发的火蔓延(a)速率和(b)燃烧面积规律图4b为燃烧区域面积随时间变化，前60 s为火焰的加速蔓延过程，后逐渐趋于稳定。在约100
s时，不同点火源的燃烧区域覆盖面积变化曲线相互合并，即燃烧区域面积增加至约0.4平米时其演变规律基本一致。结果表明，不同点火源引燃松针后的火焰蔓延规律表现出较好的一致性，野火初期的发展可以用 t平方描述，与建筑火灾类似：![]()
系数 B = 3.7×10-5，与点火源类型无关。结合文献中已有的一些较大点火源和较长时间尺度的森林火灾蔓延实验及数值模拟研究，将实验室尺度下的森林火灾初始发展过程补充至蔓延模型中。研究发现：随着森林火灾规模的扩大，可以得到更通用的表达式来预测不同环境和燃料床条件下野火初始生长的火蔓延面积：
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可见，森林火灾的增长速度（图5）依然呈现出幂函数关系，同时风速等环境参数开始对燃烧面积产生更大影响。![]()
图5：整合本研究（点火到火蔓延）、文献实验及FARSITE（火蔓延） 燃烧面积的时空演化。
此项研究将有利于更为复杂的野火传播计算模型的应用，以及对不同林区发生飞火点火而扩散行程极端野火的风险评估。研究的合作单位包括美国加州大学伯克利分校和智利阿道夫·伊瓦涅斯大学，相关成果已发表在野火界权威国际学术期刊《International Journal of Wildland Fire》。
相关链接文献
[1] S. Wang, X. Huang, H. Chen, N. Liu (2017) Interaction between Flaming and Smoldering in Hot-Particle Ignition of Forest Fuels and Effects of Moisture and Wind, International Journal of Wildland Fire, 26: 71-81.[2] Johansen RW (1987) Ignition patterns and prescribed fire behavior in southern pine stands. Georgia Forest Research Paper 72. pp. 1–8.[3] Thomsen M, Fernandez-Pello AC, Williams FA (2023) On the growth of wildland fires from a small ignition source. Combustion Science and Technology 195, 3542–3556.[4] S. Wang, M. Thomsen, X. Huang, C. Fernandez-Pello (2024) Spot Ignition of a
Wildland Fire and its Transition to Propagation. International Journal of
Wildland Fire, 33, WF23207, https://doi.org/10.1016/j.csite.2023.103523.王苏盼 博士：南京工业大学教授，研究领域包括飞火点火动力学、木质材料的火灾行为、沸腾液体蒸汽及气体爆炸、火灾安全应用等。
查看王苏盼个人网页
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 | 王苏盼
审核 | 黄鑫炎
