火蔓延模型(翻译).docx

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1、火蔓延模型总结逆风火蔓延逆风火蔓延指的是火在自然对流条件下或者风速与火蔓延速率相反条件下的蔓延（Figure1a）。由于逆风条件不利于火焰前方的热传递，火在这种条件下蔓延速率通常较小。由于逆风火蔓延实验研究相对简单，现在已有大量逆风火蔓延的实验数据。文献中现有的理论模型是传热模型。在这些模型中，火蔓延速率即为材料在火焰和外界热源作用下表面温度从初始值升到指定温度的速率。这个指定的温度通常认为是固体材料的蒸发温度。燃料的热解过程通常是不考虑的，且假设材料在温度达到蒸发温度后立马蒸发。这一过程可以用固相的能量

2、守恒来进行分析，气固界面的初始条件由实验测量(Parker1972;Hirano,Noreikis,andWaterman1973)获得（热流密度和加热长度）。这些模型不求解气相方程，因此并不能正确的模拟火蔓延过程，但给定一个气相边界条件后就能独立运算预测火蔓延。(DeRis1969)和(WichmanandWilliams1983)的传热模型更精确些，他们对气相和固相耦合的能量方程进行了求解。为了简化计算，他们在求解气相能量和物质守恒方程时采用气体匀速运动（Oseen近似流）和火焰面假设（无限化学反应速

3、率）。这些假设条件使得方程获得解析解并且能够获得有限厚度材料火蔓延速率的显式表达式。(DeRis1969)提出的热薄材料和热厚材料的火蔓延模型是最复杂的模型。这个模型具有自适应性，能很好的预测化学反应不是主控因素的火蔓延（如氧气浓度高和风速较低的条件）(Pizzoetal.2009;Fernandez-Pello,Ray,andGlassman1981;Altenkirch,Eichhorn,andRizvi1983)。(WichmanandWilliams1983)对于热厚材料的分析假设火焰面在材料表面

4、且Lewis不是1。有意思的是当Lewis数是1时得出的表达式与(DeRis1969)的结果一致。上述文献中的作者认为deRis将材料表面燃料浓度的边界条件线性化事实上也迫使火焰面贴在材料表面。更有意思的是当忽略气相和固相的纵向扩散时（抛物线方程）分析结果与椭圆形方程的表达式一样。由此得出结论，这些传热模型中火蔓延速率由火焰产生的热量和下游对流作用带走热量之间的整体热平衡决定的。材料表面（火焰）对气相和固相的传热都是通过法线方向的热传导实现的。因此，热平衡事实上是法线方向的热传导和纵向的对流之间的平衡。在

5、(WichmanandWilliams1983)更进一步的研究中，Oseen近似流改进为线性分布。虽然线性分布更贴近真实气流，但应用于动量方程后使得问题更难求解，只能获得方程的近似解。(Wichman,Williams,andGlassman1982)证明引入线性变化的速度分布获得的解与实验值更贴近，然而这种方法的能否从总体上改进模型还不明确。下文中将提到，当模型中考虑气相动力学时线性速率分布会产生很多不同的结果，这是因为燃料表面向上游的传热和传质在火蔓延过程中起很重要的作用。图1.火蔓延模式（1a）逆风

6、模式（1b）顺风模式上面介绍的模型用一个给定的蒸发温度来定义火焰前锋的位置，由此推算火蔓延速率，但这个方法一直以来都有争议。(Sirignano1972)指出这种方法是错误的，蒸发温度取决于燃料和气体的特性，化学动力学常数等。(Williams1977)证明使用一个固定的蒸发温度可行，但是必须要取合理的值，即必须考虑到实验时的动力学环境。(Fernandez-PelloandHirano1983)提出在不同实验条件下将蒸发温度，气相化学动力学效应作为经验系数代入传热模型预测火蔓延速率。然而，虽然上述方法在

7、实际应用中取得了较好的效果，但要建立一个更精确且能自适应的模型就必须要考虑到化学反应的作用。为了避免用到常值蒸发温度，(Sirignano1974)，(OHKIandTSUGÉ1974)提出了考虑燃料与空气界面间化学反应的模型。在(OHKIandTSUGÉ1974)的分析中，表面化学反应随着火焰面进行。虽然模型是自适应性的，但是他们只能应用于表面反应的燃料和静止环境。最近的实验研究表明在大多数条件下火蔓延发生在接近熄灭的条件（大气或者受污染的环境），要获得精确的模型就必须考虑气相化学反应动力学。一些学者在

8、模型中已经考虑了有限的化学反应(Tarifa,DelNotario,andTorralbo1969;Zhu,Lu,andWang2015;Lastrina,Magee,andMcAlevy1971;AnnamalaiandSibulkin2007)。常用的假设条件有：使用边界层近似来描述气体流动；预混气体在材料蒸发温度会发生自燃从而导致火蔓延。蒸发温度通过表面热通量和材料热解的能量守恒计算获得。第一个假设忽略了气流方向的传热和