林业科学  2005, Vol. 41 Issue (6): 114-118   PDF    
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邓湘雯, 文定元, 申初联, 何介南, 刘豪健, 唐刚.
Deng Xiangwen, Wen Dingyuan, Shen Chulian, He Jienan, Liu Haojian, Tang Gang.
防火林带迎风面风速分布规律的风洞试验
Wind Speed Distribution in the Aweather of the Firebreak Tree Belt in a Wind Tunnel Experiment
林业科学, 2005, 41(6): 114-118.
Scientia Silvae Sinicae, 2005, 41(6): 114-118.

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收稿日期:2003-08-11

作者相关文章

邓湘雯
文定元
申初联
何介南
刘豪健
唐刚

防火林带迎风面风速分布规律的风洞试验
邓湘雯1 , 文定元1 , 申初联1 , 何介南1 , 刘豪健2 , 唐刚3     
1. 中南林学院森林防火研究室 株洲 412006;
2. 湖南省邵阳县林业局 邵阳 422100;
3. 广东省连南县林业局 连南 513300
摘要: 采用风洞模拟方法,对通风结构、疏透结构和紧密结构3种防火林带迎风面的风速进行测定,绘制了3种结构防火林带迎风面的相对风速等值线图;根据风速的分布特征,采用多模型选优的方法,确定了山脊防火林带迎风面的相对风速预测模型。结果表明:紧密结构与疏透结构的防火林带迎风面的阻风性能比较好,最小相对风速达到70%以下,而通风结构的阻风性能最小,迎风面的最小相对风速在80%左右。如考虑其综合防火效能则以疏透结构的防火林带阻火性能最佳。
关键词: 防火林带    风洞    迎风面    防火林带结构    数学模型    
Wind Speed Distribution in the Aweather of the Firebreak Tree Belt in a Wind Tunnel Experiment
Deng Xiangwen1, Wen Dingyuan1, Shen Chulian1, He Jienan1, Liu Haojian2, Tang Gang3     
1. Research Institute of Forest Fire Prevention, Central South Forestry University Zhuzhou 412006;
2. Forestry Bureau of Shaoyang County, Hunan Province Shaoyang 422100;
3. Forestry Bureau of Liannan County, Guangdong Province Liannan 513300
Abstract: The rule of wind speed in the aweather area of the firebreak tree belt with three structures (sparse structure, tight structure and ventilate structure) was tested using simulating method in the wind tunnel experiment. The isogram of relative wind speed in the aweather area of firebreak tree belt with the three structures were drawn. Based on the feature of the wind speed, the forecasting models of wind speed in the aweather area of the firebreak tree belt had been established using the multi-model optimization. The results showed that the minimal relative wind speed in the windward area of firebreak tree belt with a sparse and tight structure was down to 70% below, but in the windward area of the ventilate structure was only down to about 80%. The sparse and tight structure had a better effect of shelterbelt than the ventilate structure in the windward area of the firebreak tree belt. The firebreak effect of the sparse structure was the best.
Key words: firebreak tree belt    wind tunnel    aweather area    structure of firebreak tree belt    mathematical model    

营造防火林带是森林防火工作的一项战略工程。我国南方国有林场早在20世纪50年代就开始营造防火林带,国外许多国家也十分重视防火林带建设(文定元,1995)。我国防火林带的生产实践已走在世界前列,但对防火林带的研究工作仍落后于生产。对于防火林带的结构与防火效能的关系,目前世界上尚无详细研究1)。传统观念认为,紧密结构的防火林带有利于其阻火性能的发挥,在这种观念指导下,生产上强调密植,并在乔木防火树种下栽种阔叶灌木,以形成“密不透风的防火林带”;但根据密度效应规律,高密度林带难以形成良好的树冠结构。到20世纪90年代,文定元(1997;1998)提出防火林带的阻火机制之一是阻止火星的传播,避免飞火的发生,防火林带的垂直结构应该是疏透结构(姚树人等,2002)。由于缺乏明确的理论作指导,使我国防火林带的营造和抚育工作具有一定的盲目性。因此进一步探讨防火林带的阻火机制,尤其是林带迎风面风速的变化与林带阻火效能的关系显得尤为重要。本试验意在探讨不同结构的山脊防火林带迎风面风速分布规律,为确定理想的防火林带结构提供理论依据。

1) 吴轶杰.1995.防火林带有效宽度研究.中南林学院硕士学位论文

1 材料与方法 1.1 试验材料

本试验从中南林学院株洲校区东山标本园中采集金缕梅科常绿乔木——米老排(Mytilari laosensis)的枝叶作为模型树种,经修剪缩小成单株树模型。按不同的疏透度和透风系数的要求,计算不同结构林带的株行距,在五合板上打孔,插好模型树,形成3种结构的林带模型。

1.2 试验方法 1.2.1 试验装置和仪器

本试验所用的风洞始建造于1994年,2002年改装。风洞长8 m,宽1.62 m,高1.88 m,为自行设计的砖结构,如图 12。风机功率3 kW,风速可调;风机前加3层整流网,整流网各层间距15 cm,以保证流体品质,减少湍流,得到接近于开放系统(野外森林环境)的空气流。

图 1 风洞垂直剖面图 Fig. 1 The vertical section of wind tunnel
图 2 风洞水平剖面图 Fig. 2 The horizontal section of wind tunnel

风速测定仪器采用天津气象海洋仪器厂生产的EY3-2A型电子微风仪,精度0.05 m·s-1,测量范围0.05~30 m·s-1

1.2.2 林带模型

为使模拟结果能应用于实际,林带模型的设计遵循了相似理论原则(曹新孙等,1983周仕威等,1987)。

几何相似:尺寸成比例,即树高成比例,以标本园中米老排为准,平均树高为5 m,冠幅3 m,枝下高1.5 m,取缩尺比1:25,则模型树高为20 cm,冠幅12 cm,枝下高6 cm。

动力相似:运用根本茂相似准则,即要求湍流雷诺数相等的相似条件(蒋维楣等,1993),采用风速缩比等于模型缩比的1/3次方,即风速缩尺比1:2.9。

为体现山脊防火林带的现实状况,在风洞中,五合板上的林带模型设置于20°坡的山脊上,山脊下垫面铺一层细砂,以减少湍流。通过调节单株模型树的位置得到3种不同结构林带:紧密结构、疏透结构和通风结构。3种结构林带模型参数见表 1。林带长0.82 m。

表 1 3种结构林带模型基本参数 Tab.1 The parameters of the model tree belt of the three structures
1.2.3 测点设置

水平测点:林带前0.0H、0.25H、0.5H、0.75H、1.0H、1.25H、1.5H、1.75H、2.0H、2.25H、2.5H、2.75H、3.0H、3.25H、3.5H、3.75H、4.0H;垂直测点:地面算起0.25H、0.5H、0.75H、1.0H、1.25H、1.5H、1.75H、2.0H。其中H为模型树高(20 cm),这样每种结构的模型林带测点达136个。

2 结果与分析 2.1 林带模型迎风面风场结构

在平地情况下,风在前进方向只受到林带的阻挡,而存在一定坡度时,斜坡会迫使其改变方向而被抬升。同时在此过程中,部分区域风速加大,尤其是林带附近垂直方向上的风速矢量。林带模型迎风面风场结构如图 3

图 3 相对风速等值线图 Fig. 3 The isoline of relative wind speed 0.5H~2.0H为垂直测点,1H~4H为水平测点。0.5H~2.0H represents the measuring point in vertical direction; 1H~4H represents the measuring point in horizontal direction. H:模型树高(20 cm)。图中数值为相对风速,旷野平均风速为0.65 m·s-1H: Height of the tree model (20 cm). Numbers represent the relative wind speed; the average wind speed in the open-air area is 0.65 m·s-1.

在林带前2.5H~4.0H距离、离地面高0~1H范围内风速有一定升高,疏透结构的林带,最大相对风速达到110%,紧密结构的林带最大相对风速超过115%,主要原因是坡度和林带的双重影响。靠近林带则风速逐渐降低,紧密结构林带前最小相对风速达到65%,下降35%;疏透结构为70%,下降30%,而通风结构的影响则较小,最小相对风速在80%左右。迎风面风速的减少有利于阻止林火的蔓延。

林带附近离地面1.25H~2H的区域内,3种结构林带的风速都有不同程度的加大,其中紧密结构的林带相对风速达到140%,而通风结构和疏透结构的林带相对较少,分别为105%和120%。这就证实了紧密结构的林带容易产生飞火。

2.2 山脊防火林带迎风面风速的确定

根据林带迎风面风场特征,选用8种数学模型,通过综合选优,确定山脊防火林带迎风面风速模型。

2.2.1 数学模型

式中:Ur(x, z)为讨论区域内的水平风速和垂直方向的相对风速(取向林带方向和向上方向为正);X为水平方向距林带迎风面的距离(H);Z为垂直方向距林带的距离(林带以下取负值);bi为待定参数。

2.2.2 数学模型的求解、选优和精度计算

由于风是矢量,受坡度和林带等因素的影响,风向发生改变(Vaner,1988)。将3种结构林带模型在风洞中测定的数据,按水平方向(Ur1)和垂直方向(Ur2)上的分量分别进行回归分析,求解8个数学模型的参数,根据标准差和相关系数进行综合选优(郎奎建等,1989郝黎仁等,2002)。利用未参加回归计算的样本资料,以数学模型的预测值作为理论值,与对应的实测值相比较来计算水平和垂直方向上2个组分的预测模型精度。林带迎风面的相对风速则由得到(张翼等,1983;周仕威等,1987)。

利用多模型选优法,用原始资料代入求得疏透结构林带(参数见表 1)的水平和垂直方向上组分的最优拟合模型,风速较小时(小于1 m·s-1)的结果见表 2,风速较大(1~4 m·s-1)时的预测结果见表 3

表 2 风速较小时林带迎风面风速预测模型 Tab.2 The forecasting models of wind speed in the aweather tree belt under weaker wind speed
表 3 风速较大时林带迎风面风速预测模型 Tab.3 The forecasting models of wind speed in the aweather tree belt under stronger wind speed
2.2.3 模型的验证

为检验模型的实用性,采用在湖南邵阳实地观测的部分资料进行模型的验证。野外观测的防火林带系山脊防火林带,坡度20°;林带疏透度α=0.356;防火林带树种为木荷(Schima crenata);实测时旷野风速为0.7 m·s-1表 4列出了疏透结构防火林带的验证结果。从表 4可以看出,模型计算的结果和实测结果基本一致,能满足生产需要。

表 4 林带迎风面风速实测值、计算值比较表 Tab.4 Comparison of relative wind speed in aweather area by measuring and calculating
3 结论与讨论

从试验数据分析可看出,3种结构的防火林带迎风面在防风效能上紧密结构与疏透结构很相近,它们的相对风速等值线分布亦很类似;而通风结构的林带阻风性能相对较小,只是在林冠层附近风速稍有降低。紧密结构和疏透结构的防火林带迎风面风速降低的特性都有利于减少上山火的蔓延速度。

合理的防火林带结构,应该具有阻止火星飞越林带、防止产生飞火的功能。结果表明:紧密结构的防火林带附近,1.25H高度上的相对风速高达140%,为飞火的产生创造了条件。因此,紧密结构的防火林带不属于最佳结构类型,防火性能最佳的结构类型为疏透结构。

采用多模型选优,以离林带的水平和垂直距离作为自变量,分别建立了不同风速情况下的3种结构防火林带迎风面的风速预测模型,提高了预估精度。为林火行为预测、准确评价不同结构防火林带的防火效能提供了量化的可靠依据。

本次风洞试验的模拟结果和野外观测结果比较吻合,实用性强。

参考文献(References)
曹新孙. 1983. 农田防护林学. 北京: 中国林业出版社.
邓湘雯, 文定元, 张卫阳. 2002. 山脊防火林带透风系数的确定. 中南林学院学报, 22(2): 62-65. DOI:10.3969/j.issn.1673-923X.2002.02.010
郝黎仁, 樊元, 郝哲欧, 等. 2002. SPSS实用统计分析. 北京: 中国水利水电出版社.
蒋维楣, 曹文俊, 蒋瑞宾. 1993. 空气污染气象学教程. 北京: 气象出版社, 498-509.
郎奎建, 唐守正. 1989. IBM PC系列程序集——数理统计调查规划经营管理. 北京: 中国林业出版社.
文定元. 1997. 防火林带研究现状. 森林防火, (2): 23-24.
文定元. 1998. 南方森林防火林带现状调查和问题讨论. 森林防火, (4): 38-39.
文定元. 1995. 森林防火基础知识. 北京: 中国林业出版社.
姚树人, 文定元. 2002. 森林消防管理学. 北京: 中国林业出版社.
张翼, 宋兆民, 卫林. 1986. 林网中的风速分布规律和防风效应. 中国科学(B辑), 9(9): 948-957.
周仕威, 程致力. 1987. 林带防风效应的实验. 林业科学, 23(1): 11-22.
朱廷曜, 金昌杰, 周广胜. 1992. 林带阻力与透风系数关系的试验研究. 林业科学, 28(6): 486-491. DOI:10.3321/j.issn:1001-7488.1992.06.007
Vaner C E. 1988. Effect of slope on fire spreading downhill. Can J For Res, 18(2): 818-820.