当前, 国际上森林火灾防治技术的研究, 仍十分重视水和化学药剂方法的不断完善, 并十分强调其空中运载工具的改进, 提高机动性与快速反应能力。然而森林火灾经常发生在人员和物质难以抵达的地区, 林火阵面随风速、地形、林种、地貌等许多因素不断变化。因此, 目前一方面还只能在完善传统方法的基础上, 综合运用多种灭火技术, 互相配合到达最好的灭火效果; 另一方面, 更需要探索新的概念, 大力发展新的高效的灭火技术。

在探索新型的森林灭火技术中, 激波与林火的作用值得关注。激波与林火阵面的作用, 将发生一系列复杂的物理、化学过程:激波(爆炸波)的高压阵面以及相随的负压, 将撕落并清除树林中的细枝、枯叶等森林可燃物质; 在林火阵面地带, 强度足够的激波能够使高温热解作用产生的可燃气体组分与氧充分混合而产生爆燃。这些过程从清除森林可燃物质、瞬时烧尽可燃气体等方面对森林火灾形成有效的控制。本项目研究, 即是以实验研究结合理论分析的方法, 理解和分析激波与林火作用产生的复杂过程, 找出抑制森林火灾的基本因素和机制, 探索激波猝灭林火的原理, 以期形成一种新的灭火技术。迄今为止, 相关研究在国际上还很少开展, 近年, 俄罗斯托木斯克大学进行了初步探索性的工作, 确认了即使在燃烧很充分的条件下, 激波的冲击也能使林冠火猝灭(Grish, 1995)。项目前期工作主要是研究激波在大气、林带中传播的物理过程, 激波与树和林带作用产生的力学现象及压力场等¹⁾。本文所报告的, 是激波与火焰场作用的实验研究, 给出主要结果和分析。

1) 常熹钰等.激波从管道中喷出和在林带中传播, 第八届全国激波与激波管会论文集, 1998, 61~66

1 实验装置与模拟方法

实验装置由激波管、纹影照相系统、压力场测量系统和火焰猝灭测量系统组成(图 1)。

激波管由不锈钢管制造, 内径24 mm, 高压段长0.6 m, 低压段端部开口, 长1.8 m。高压段由高空气瓶供气, 膜片用聚酯薄膜, 单层破膜压力为0.617 MPa, 双层为1.125MPa。激波产生的过压波形, 由压电传感器T₁ ~ T₃感受, 经电荷放大器, 由多通道瞬态记录仪或二线记忆示波器记录并显示。T₁, T₂相距0.4 m, T₂距激波管出口0.04 m。激波到达T₂时, 由T₂传感器触发脉冲触发器, 启动火花光源, 进行纹影照相, 获得激波运动过程及与林带及火焰场相作用的照片。纹影仪视场直径200 mm, 球面镜焦距2.5 m, 触发延时最小时间间隔5 μs。

F₁是一只火焰传感器, 用来感测火焰信号, 与传感器T₃的距离D可根据不同实验情况调整, 以判断火焰在激波作用下的前移距离与猝灭时刻。除了高压空气产生运动激波外, 也在紧靠膜片下游启爆少许火药模拟爆炸激波的传播, 获得两种情况下运动激波与火焰场作用的纹影照片及部分数据。

火焰场与激波管的位置见图 1。火焰场由多只蜡烛排列组成, 间距3.2 cm, 距激波管口7.0 cm。此外, 还进行了激波与单焰相作用的实验研究, 一般条件下单焰置于视场中心。

2 结果与分析 2.1 激波在管内的传播

图 2为激波管低压段传感器T₁, T₂的压力波形, 根据两个波形起点的时间差, 可以算出激波速度。对于图 2a, P₄ =0.617 MPa, 激波速度v_s =500 m·s^-1, 由当时的实验室环境温度T =20 ℃, 相应的激波马赫数M_s =1.46。对于图 2b, P₄ =1.125 MPa, v_s =559 m·s^-1, M_s =1.63。根据低激波马赫数条件下, 简单激波管理论可以准确预计压力阶跃, 由传感器T₁的压力平台的电压值, 可知T₁传感器的校准系数, 经多次试验整理K =0.0586(MPa·V^-1)。以后的林地压力场和火焰场测压时, 多次用T₁传感器布置在T₃和其它位置。图 2c是火焰驱动产生的压力波形, 它具有明显的负压特性, 超压值0.305 MPa。激波速度v_s =494 m·s^-1, M_s =1.44。

2.2 激波的扫掠过程

图 3为激波从管口喷出并在平地、林带和火焰场传播的一组照片, 激波到达T2为零时刻。图 3a为激波从管口喷出的情形, 可以明显看到主激波, 2次激波和涡环等主要流动结构。我们分析了2次激波由2侧绕射激波合拢的形成过程, 图 3a还可看到2次激波刚刚合拢的初期形态。激波掠过平地和林带有基本相同的形态, 图 3b和3d能清晰地看到反射激波和马赫杆, 树冠下面的激波还基本保持与林地相同的形状。由于林带的模拟相对简单, 不够稠密, 也没有模拟林中冠木, 林带对激波的减速作用不明显, 但压力场的测量表明林带具有明显的削弱超压的作用(文献见本篇首页脚注)。每次实验之后, 林带中心一列的树均被击到, 火焰均被猝灭, 由于这两个过程都要耗费时间, 在激波到达时刻(拍摄时刻)还未发生。

2.3 激波与火焰的作用

图 4为单只蜡烛火焰的纹影照片, 光刀由右向左切割, 影相清晰地反映了火焰密度场。由于火焰中心温度高, 密度低; 两侧为大气, 温度低, 密度高, 因而火焰由中心往火焰两侧, 垂直刀口方向密度增加, 构成梯度。根据光线往密度增加方向偏折的原理以及光刀的遮挡效果, 照片呈十分鲜明的黑白“条带”特征。本次实验中, 在纹影仪光源上作了特殊处理, 蜡烛底部的半圆亮(暗)斑为火焰的实际影象。图 5为激波往单焰推进, 尚未到达火焰的情形。激波由火药启爆产生, 管内速度v_s = 494 m·s^-1, 可以看到主激波, 2次激波, 以及从管口喷出的涡环, 仔细观察还可以看到主激波与地面作用的反射。火焰未受激波的影响。

图 6为一组激波与火焰作用的纹影照片, 激波由空气驱动, P₄ =0.617 MPa。图 6a, 6b是激波与火焰相遇的情形, 根据激波扫掠速度估计(文献见本篇首页脚注), 图 6b的激波位置稍靠前约10 mm。从图可见, 两者有大致相同的纹影图象, 烛焰的左部仍维持条带形密度分布特征, 右部则受到激波的作用, 密度场已十分混乱, 半圆形实像火焰依然存在, 火焰未被猝灭。图 6c和6d为激波掠过火焰后的烛焰纹影, 在纹影照相时刻火焰未熄灭。根据激波传播速度估计, 图 6c大约是在激波过后230 μs, 6 d为280 μs。激波过后, 火焰虽受到扰动, 但仍一段时间维持原来的基本形态。图 6e为激波扫掠火焰阵列的纹影照片, 可以看到在激波“撞击”下火焰所经历的过程:首先是在波头作用下火焰变弯(A焰), 接着在激波的撞击下焰面强烈变形(B焰), 最后火焰被拉断(C焰)。对照图 6 c和6 b, 似乎火焰被拉断后, 还能恢复原来形态。这就说明单纯的激波作用(过压阵面和负压), 不能使火焰直接猝灭, 火焰猝灭的直接因素可能是:①激波后的瞬时动压, ②激波的扰动使火焰失去稳定燃烧的条件。

2.4 火焰猝灭时刻

图 7是火焰猝灭时刻的测量结果。图中上线为火焰传感器信号, 低电平是火焰存在, 高电平表示火焰熄灭。下线为压电传感器信号, 信号跃起的起点是激波到达时刻。从图 7a, 7b可见, 火焰在激波到达后一段时间(△t)才熄灭, 对于图 7a, △t =0.51 ms, 对于图 7b, △t =0.74 ms。上述结果说明强激波作用下火焰维持时间比弱激波长, 一种解释是强激波使火焰前传的距离长一些。激波使火焰前传的事实可以从图 6 e的纹影照片看到, 图 7 c是一张火焰传感器往下游移动19 mm, 并加光阱的实测结果, 说明火焰的前传距离不小于19 mm。

2.5 激波阵面空气动压的影响

冲击波阵面各种参数都与波阵面超压有关, 超压可由实测压力波形和传感器的校准系数K =0.0586估算。波阵面的有关参数是(测点离管口9.5 mm):

分析上述数据, 激波导致的空气温度升高和极高的瞬时动压值得注意。前者是在大气常温条件下计算的, 在森林已经燃烧火场空气灼热的条件下, 其温升有可能使林火热分解的可燃气体产生爆燃而迅速烧尽。后者比风力灭火机高很多, 大约是当前高性能风力灭火机的30倍, 如此强大的瞬时动压, 有可能足够将可燃物击散并吹离火线, 是林火猝灭, 抑制火势蔓延的直接原因。

3 结论

实验研究提供了激波与火焰作用的纹影图象。结果表明, 在激波作用下, 火焰被冲击前移经历了弯曲、拉断、恢复、猝灭的基本过程。猝灭发生在激波到达之后的某个时刻, 其滞后时间与激波强度有关。

激波扫掠过程中的极高的瞬时动压是林火猝灭的重要原因, 离管口9.5cm的动压值高达0.170 MPa, 是风力灭火机的约30倍。

激波的作用使空气温度升高, 在火场条件下, 有可能使周围林火热解产生的可燃气体组分到达闪点。同时, 激波的扰动促进可燃气体组分与空气充分参混, 使其发生爆燃, 瞬时烧尽可燃气体气体而抑制林火的发展。

实验表明, 激波猝灭林火的效果是明确的, 进行野外实验和形成消防灭火装备, 是课题研究下一步要做的工作。