聚光阴燃点火的特性：实验和模拟.pdf

燃烧科学与技术 Journal of Combustion Science and Technology 2023，29(4)：)：390-396DOI 10.11715/rskxjs.R202305024 收稿日期：2022-03-07 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51876183).作者简介：林少润(1994 )，男，博士，flynn.linconnect.polyu.hk.通信作者：黄鑫炎，男，博士，副教授，xy.huangpolyu.edu.hk.聚光阴燃点火的特性：实验和模拟 林少润1,2，王思言1，孙培艺1，袁 晗1，黄鑫炎1,2(1.香港理工大学消防安全工程研究中心，香港 999077；2.香港理工大学深圳研究院，深圳 518057)摘 要：阳光经汇聚后形成的光斑可点燃常见的可燃物，是生活中潜在的火灾风险，威胁人们的生命和财产安全本文首先通过小尺度实验研究了多层薄纸在汇聚阳光下的阴燃点火现象实验将直射的太阳光通过一个直径为 150 mm、焦距为 108 mm 的玻璃球汇聚后作用在燃料上，并在焦距范围内通过改变薄纸的位置以控制光斑的直径大小(1.520.0 mm)实验发现：随着光斑直径减小，燃料内部热传导散热的影响增强，点火所需的临界辐射热通量增大然后，研究进一步基于开源代码 Gpyro 建立了阴燃点火和火蔓延的二维模型，成功再现实验现象并验证实验结果本文量化了太阳聚光后的火灾风险，以期对未来的火灾防护工作提供一定的参考意义和科学指导 关键词：阴燃；临界热通量；光斑；加热面积；火灾 中图分类号：TK11 文献标志码：A 文章编号：1006-8740(2023)04-0390-07 Smoldering Ignition Characteristics by Concentrated Solar Irradiation：Insight from Experimental and Numerical Study Lin Shaorun1,2，Wang Siyan1，Sun Peiyi1，Yuan Han1，Huang Xinyan1,2(1.Research Centre for Fire Safety Engineering，The Hong Kong Polytechnic University，Hong Kong 999077，China；2.Shenzhen Research Institute，The Hong Kong Polytechnic University，Shenzhen 518057，China)Abstract：The concentrated solar irradiation spot can ignite common fuels，which is a potential fire risk that threatens the safety of peoples life and properties.In this work，small-scale experiments were performed to inves-tigate the smoldering ignition of multi-layer tissue paper using concentrated solar irradiation spots.The sunlight was concentrated through a transparent glass sphere with a diameter of 150 mm and a focus length of 108 mm.The di-ameter of solar spot applied here(1.520.0 mm)was obtained by adjusting the position of the sample within the focus length.It was found that，as the diameter of solar spot decreases，the internal conductive heat loss increases，and the critical radiant heat flux required for ignition increases.Afterwards，a 2-D numerical model was established based on the open-source code Gpyro to reproduce the experimental phenomena and validate the experimental results.This work quantifies the fire risk of concentrated solar spots and provides some guidance for future fire protection strategies.Keywords：smoldering；critical heat flux；solar spot；heating area；fire 林少润等：聚光阴燃点火的特性：实验和模拟 燃烧科学与技术 391 俗话说，“万物生长靠太阳”，太阳光是一切生命的源泉 然而，阳光经汇聚后会形成拥有巨大能量的光斑，可点燃生活中常见的可燃物，进而造成巨大的经济损失和人员伤亡 古希腊的阿基米德曾利用一面巨大的凹面镜汇聚阳光并用其点燃了罗马的战船，在著名的叙拉古战役中立下大功 这段历史虽被后代学者证实为夸大之词，但聚光镜能通过光学原理聚光并引燃周围的可燃物却是不争事实1 然而，人们对于“光与镜”相遇时的火灾风险常常不以为意 反光镜、玻璃球、圆形鱼缸等这类日常生活中不起眼的物品，本身虽不易燃，却很可能因为不当摆放成为现实版的“阿基米德之镜”，成为火灾的点火源，对人类生命和财产安全造成巨大威胁 从 2010 年到2015 年，英国报道了 125 起由常见物品聚光点火而引发的火灾事故 如 2009 年，一个由玻璃球制成的门把手汇聚阳光并点燃了屋内的可燃物，最终造成了触目惊心的火灾悲剧 2014 年，在英国伦敦，一颗被放在窗边的玻璃球汇聚阳光后点燃了屋内的电视机，最终烧毁整栋房屋 不只是建筑火灾，太阳聚光也常常是导致野火的罪魁祸首 在 2019 年，一场森林火灾袭击了我国的广西省 事后调查发现，火灾的起因正是装水的塑料瓶汇聚的阳光点燃了森林中的可燃物 近日在上海，一对父子进行放大镜聚光实验时意外引燃了一块巨大的生态园草坪，给园区造成了巨大损失 可燃物的点火对火灾的发生和发展起着至关重要的作用2 与其他点火方式不同，太阳的聚光点火主要发生在较小的加热区域，可视为点状点火源 点状点火源是现实火灾中常见的起火因素，如飞火颗 粒3、金属热颗粒4、高温熔融液滴5、激光6和闪 电7等 在过去几十年，大量的文献研究了飞火颗粒在森林或城林交界域的点火机理3，而针对其他点状点火源引发火灾的机理则较少研究 飞火颗粒点火通常包含传热传质过程8-9，而太阳聚光点火只包含能量的传递，该过程与激光点火相似 因此，激光点火的实验现象可以为太阳聚光点火提供一定的参考 Kashiwagi10-11发现，在加热直径为 23cm 的激光束下，红橡木和 PMMA 塑料发生明火自燃(flaming autoignition)的临界热通量分别为 90kW/m2和 160kW/m2即使将激光束的加热直径增大到3.5cm，其所需的临界热通量(8090kW/m2)仍远远高于锥形量热仪下标准测试(加热直径为 10cm)所测的值(2550kW/m2)12 此外，Grishin 等13发现了多孔森林可燃物在钨丝灯产生的光束下发生明火点火所需的临界热通量随着加热直径的增大而减小 在 2014 年，Warren1专门对常见聚光物品产生的光斑进行了火灾风险的定性研究，他将一个小型球状玻璃鱼缸装满水后放在太阳光下，随后对其建立光学模型算出大致的光斑辐照热流，并证明了太阳光聚光后点燃印刷纸的可能性 最近，美国桑迪亚国家实验室14-15在一个聚光太阳 能 塔 中 使 用 了 数 百 个 反 射 镜，产 生 了 大 于2000kW/m2(直径约为 0.5m)的辐射热流，并在几秒钟内点燃 PMMA 板和松树 然而，目前学术圈对太阳聚光点火尚无系统的研究，其点火的机理仍未得到很好的理解与总结 本文利用直径为 150mm、焦距为 108mm 的玻璃球汇聚的太阳光，探索了太阳聚光对多层再生餐巾纸的阴燃点火机理 在玻璃球的焦距内，实验所选取的光斑直径为 1.520mm，其辐射强度可高达780kW/m2 实验对不同光斑大小和辐射强度下的阴燃点火实验和临界热通量进行了定量分析，从而确定太阳聚光点火的临界条件 最后，本文建立了一个二维计算模型对实验结果进行验证 1 实验设计 1.1 实验装置与燃料 实验采用未经漂白的薄纸巾作为燃料(图1(a)，因其常见于室内，并常作为垃圾被遗弃于野外 实验开始前，薄纸先在 70的恒温烤箱内充分干燥 48h，然后存储在电子恒湿恒温箱内，以避免其再 次 吸 收 空 气 中 的 水 分 薄 纸 的 干 密 度 约 为98kg/m3，厚度约为 1mm 本实验利用直径为 150mm、折射率为 1.53 的透明玻璃球汇聚阳光，其焦距和后焦距分别为 108mm和 33mm 太阳光经玻璃球汇聚后会在燃料表面形成圆形光斑并持续加热燃料(图 1)为了使实验装置与太阳光平行(保证光束垂直作用于燃料表面)，装置的底座上安装了一个由两个铝块组成的定位装置(靠近太阳的铝板正中间开有一个 1mm 的小孔)实验前需要调整装置底座的角度，直到光束穿过前面铝块中间的小孔并正好投射在后面铝块的正中间，即认为装置与阳光平行 在朝向太阳的方向安装一 个 太 阳 辐 射 计 以 实 时 记 录 太 阳 的 辐 射 强 度(sq?)样品架被安装在一个可移动的轨道上，可方便调节燃料与玻璃球之间的距离 在前期的准备实验中，发现单张薄纸被汇聚的阳光束直接击穿而不发生点火 因此，本实验将 6 张薄纸叠在一起，并修剪成60mm60mm 后放入样品架中等待测试 燃烧科学与技术 第 29 卷 第 4 期 392 1.2 光斑辐射强度的量化 在常规实验中，辐射的强弱可利用热流计进行量化 然而，随着汇聚后太阳光斑直径的减小，其辐射热通量可超过 500kW/m214-15，远远超过常规热流计的测量范围 因此，为了量化汇聚后太阳光斑的辐射热流(c?q)，笔者运用光学模拟软件 TracePro16模拟了太阳光经 150mm 的玻璃球汇聚后在不同位置的光斑大小及其辐射强度 （a）实验装置示意 （b）聚光系数 图 1 实验装置图及光学模拟的聚光系数与测量值的对比 Fig.1 Schematic diagram of experimental setup，andnumerical and measured concentration factor 在光学模拟中，聚光系数C常用来表示光束经汇聚后的强化程度1 聚光系数考虑了光在传播过程中的能量耗散，如经玻璃球反射、折射和吸收的光 图 1(b)展示了模拟的聚光系数与光斑大小的关系 在通过辐射热流计测得实时的太阳辐射强度sq?后，便可以利用公式(1)计算光斑辐射热流(cq?)的 大小 csqCq=?(1)为了验证模拟的结果，利用常规的热流计测量的较大光斑的辐射强度并计算出其聚光系数如图1(b)所示，计算结果与辐射热流的测量值基本一致，验证了光学模拟计算结果的准确性 由于存在球面像差，穿过玻璃球的阳光束会形成焦散区，即视图外部逐渐变得模糊 因此，当光束超过焦距后，光斑的边缘将难以辨别 为了保证实验的精度，实验中只采用了后焦距内边界清晰的光斑 为了研究光斑大小对阴燃点火临界条件的影响，本实验选取了直径 D分别为 20mm、9.0mm、5.5mm 和 1.5mm 的 4 种光斑，其距离玻璃球表面的直线距离分别为 3mm、13mm、19mm 和 33mm 1.3 实验流程 实验前，通过轨道调节样品架至所需光斑大小所对应的位置 然后，用一块隔热板将光斑隔离，再将样品插入样品架内 当太阳辐射计的读数相对稳定后，移开隔热板使光斑作用在试样上一段时间 加热后，将试样移出并放置在稳定无风的环境内观察5min，以判断阴燃点火是否成功 在相同光斑下的不同辐射强度测试了超过 100 组实验以确定其阴燃点火的临界条件 然后，通过调节样品架的位置以研究光斑直径的大小对点火临界条件的影响 本研究在阳光充足的室外环境下进行了超过 600 组实验 太阳的初始辐射强度在 0.21.6kW/m2之间 实验过程中，大气温度为(292)，相对湿度为(8210)%，大气压强约为 101kPa 2 实验结果 2.1 阴燃点火与燃烧现象 图 2(a)展示了纸张在加热直径为 1.5mm、辐射热流为 600 kW/m2的光斑下的阴燃点火和火蔓延现象 当光斑作用在纸张上时，可观察到大量的白烟从加热区域溢出 随着加热的进行，加热区域表面的纸张开始炭化并破碎，使下层的纸张直接受到光斑的加热 在加热 8s 后，纸张从样品架取出，并放置在无风的环境下观察 5min 如图 2(a)所示，炭化区域开始 （a）点火成功(D1.5 mm，cq600 kW/m2)（b）点火失败(D5.5 mm，cq350 kW/m2)图 2 纸张在不同光斑下阴燃点火与火蔓延现象 Fig.2Smoldering fire phenomena of tissue paper under different irradiation spots 林少润等：聚光阴燃点火的特性：实验和模拟 燃烧科学与技术 393 向外扩散，并最终将整份纸张烧烬 图 2(b)展示了纸张在加热直径为 5.5mm、辐射热流为 350kW/m2的光斑下的实验现象 在加热的初始阶段，可以观察到跟图 2(a)相同的热解和炭化趋势 然而，在持续加热8s 之后，炭化区域没有向外扩散，因此可认为点火 失败 2.2 临界点火热通量 图 3 展示了薄纸在不同太阳光斑作用下发生阴燃点火的临界热通量(crt?q)为了更好地比较加热面积对点火临界热通量的影响，图 3 同时展示了在锥形量热仪下(可以提供一个 10cm10cm 的辐射加热区域，因此其辐射能完全覆盖住纸张)测得的点火临界热通量 从图中可以看出，随着光斑(或加热区域)直径的增大，点火所需的临界热通量不断减少 例如，当光斑的直径从 1.5mm 增大到 20mm 时，点火所需的临界热通量从 205kW/m2降至 18kW/m2 随着光斑面积不断增大，最终点火所需的临界热通量不断接近一个极限值，即为锥形量热仪下测得的11kW/m2 当光斑逐渐增大，点火过程中试样侧边散热的影响逐渐减弱17 因此，受较大光斑加热的过程可简化为一维过程，如锥形量热仪下的点火实验等18 基于一维假设，燃料发生点火所需的临界热通量(crt?q)应正好平衡试样上下两面的环境散热(2?q)，如公式(2)所示 ()()44crtsmsm22=+?qqh TTTT (大光斑)(2)式中：0.9=，是薄纸的发射率19；85.67 10=24J/(ms K)是斯蒂芬玻尔兹曼常数19；T是环境温度；1/3sm1.52()hTT=，是自然对流换热系数19-20；smT是阴燃点火所需的最小温度21 公式(2)算得的点火所需的临界热通量约为 12kW/m2，与在锥形量热仪下测得到点火临界热通量相近 然而，随着光斑直径的减小，燃料内部侧边散热(cond?q)的影响不断增大，并逐渐占据主导作用，一维模型不再适用 因此点火所需的临界热通量除了需要考虑环境的散热外，还需加上内部热传导散热(condq)，即 ()22crtcond244=+?DDqqqD(3)condcrt42=+?qqqD(小光斑)(4)其中为燃料的厚度 将公式(2)代入公式(4)，可得 condcrt412qqD=+?(小光斑)(5)如公式(5)所示，点火所需的临界热通量随着光斑直径的增大而减小，并逐渐趋近于一维模型下所得的最小点火辐射热通量(12kW/m2)，这与实验的现象完全相符 图 3 不同光斑直径下的阴燃点火临界热通量 Fig.3Critical heat flux for smoldering ignition using irradiation spots with different diameters 3 数值模拟 3.1 二维瞬态守恒方程和阴燃动力学参数 为了更好地解释实验现象，本文基于开源代码Gpyro22-24建立了二维模型，以预测光斑大小对点火临界条件的影响，其数值模型如图 4 所示 利用试样几何结构的对称性，模型选取了真实尺寸的一半进行计算，以节约计算成本和时间 该模型求解了二维固相和气相瞬态守恒方程，并假设了气相和固相组分之间的热平衡 此处仅列出模型中的主要守恒方程，其他的细节可以从手册中查阅2224 固相质量守恒方程：fg=?t(6)固相组分守恒方程：fd()iiiYt=?(7)固相能量守恒方程：d()()iihTTkkHtxzxz=+?(8)气相质量守恒方程：()gfg+=?xzmmtxz (9)气相组分守恒方程：()()g()+=?jxjzjYm Ym Ytxz ggf+?jjjYYDDxxzz(10)气相动量守恒方程25：燃烧科学与技术 第 29 卷 第 4 期 394 (,)=?ipmix zvi (11)模型中将对称面(0)x=设置为不可渗透的绝热边界，上、下和右边界同时考虑对流和辐射散热和气体的传质过程 在计算的初期，模型的上表面设置一个直径为 D 的外加辐射加热区以模拟太阳光斑的加热作用 计算中假设环境压力和温度为 0.1MPa 和300K，同时整个计算域具有与环境空气相同的初始气体成分 模型选取的网格大小为z0.1mm 和 x0.5mm，初始时间步长为 0.01s 进一步减少网格单元大小和时间步长不会影响计算结果 图 4 太阳聚光点火的二维计算模型 Fig.4 2D computational domain of smoldering ignitionby solar spots 由于纸张主要由木浆制成，本文采用与木材阴燃相似的 4 步异相化学反应模型：包括半纤维素、纤维素和木质素的热解及炭的氧化，见式(12)式(15)：+半纤维素炭热解气(12)纤维素炭+热解气(13)+木质素炭热解气 (14)+炭氧气灰气体产物(15)由于实验中纸已经干燥，故模型中忽略燃料水分的蒸发 反应物(A)在反应(k)的无量纲的反应速率(*k?)可以用阿伦尼乌斯方程表示：()2*Oexp()=?kkkAEYZf mgRT(16)式中：kZ为指前因子；kE为活化能；R为理想气体系数 反应物 A 的质量函数为 *s,0()()kknAnAAAmf mmm=(17)式中：s,0Am是物种 A 的初始质量26；kn是反应级数 氧化模型可表示为 ()(),O222OO11knYYg+=(18)其中，2,Okn是氧化反应级数 阴燃的动力学参数可基于 TG 数据并通过基辛格遗传算法(Kissinger-Genetic algorithm method27-28)获得，如表 1 所示，反应的方程式为kA+2O,2,O kB kkvvB+gasg,kv，0kH 表示吸热，0kH 表示放热 详细的物种热物理参数和动力学参数如表 229所示 表 1 薄纸阴燃 4步反应动力学参数 Tab.1 4-step smoldering kinetics of paper 参数 半纤维素 热解 纤维素 热解 木质素热解 碳氧化lgAk/lgs-1 8.2 11.4 21.4 12.9 Ek/(kJmol-1)106 154 229 184 nk 1.49 0.95 8.7 1.27 2,Okn 0.18 7.5 8.2 1.0 vB,k/(kgkg-1)0.24 0.27 0.40 0.06 Hk/(MJkg-1)0.2 0.2 0.2-20 2O,kv/(kgkg-1)0.5 0.5 0.5 1.5 表 2 凝聚相物种的热物理参数 Tab.2Thermophysical properties of condensed-phase species 物种 氧气 质量分数/(kgm-3)k/(W(mK)-1)比热/(J(kgK)-1)半纤维素0.209 150 0.05 1 500 纤维素0.529 150 0.05 1 500 木质素0.262 150 0.05 1 500 炭 0 100 0.03 3 000 灰 0 15 0.01 3 000 3.2 模拟结果 为了更好地展示瞬态特性，图 5 于对称轴左、右两边分别展示了图 5(a)点火成功与图 5(b)点火失败两个算例的二维温度和和热释放速率分布图 如图5(a)所示，在 25kW/m2的辐射热流下，当加热光斑的直径为 20mm 时，在加热 50s 后，加热区域附近可观察到一个释放出强烈热量的高温阴燃区，并随着时间的推移逐渐向外端蔓延 在 500 s 时，该燃烧区域蔓延至试样的末端，并最终将样品烧尽 相反地，保持 （a）点火成功(D20 mm)（b）点火失败(D5 mm)图 5预测的点火成功和点火失败的二维温度和热释放速率分布 Fig.5Predicted 2D profile of temperature and heat re-lease rate of the cases of successful and failed igni-tion 林少润等：聚光阴燃点火的特性：实验和模拟 燃烧科学与技术 395 辐射热流的强度不变，当加热光斑的直径减小到5mm，在加热了 200s 后，加热区域温度升至约400并释放出少量热量，如图 5(b)所示 然而，随着时间的推移，加热区域的温度和热释放逐渐降低，并最终熄灭 即使将加热的时间延长至 1000s，点火仍不能发生 这些结果均与实验观察到的现象一致 图 6 总结了模型预测的不同光斑下阴燃点火临界辐射热通量与实验值的对比 总的来说，预测结果与实验数据吻合较好，进一步验证了模型的准确性 同时，该模型还较好地预测了加热光斑直径对点火临界热通量的影响；即点火临界热通量随光斑直径的增大而减小 例如，当光斑直径从 1mm 增大到20mm 时，点火的临界辐射热通量从 290kW/m2急降至 13kW/m2，所有的这些预测均与实验测量一致 图 6 不同光斑直径下预测的阴燃点火临界热通量与测量值的对比 Fig.6 Comparison between predicted and measuredcritical heat flux of smoldering ignition using irra-diation spots with different diameters 4 结 论(1)本文通过小尺度实验研究了多层薄纸在汇聚的阳光下阴燃点火现象 实验中，自然的阳光通过一个直径为 150mm、焦距为 108mm 的玻璃球汇聚后作用在燃料上，并通过改变玻璃球和燃料的距离以研究光斑的大小对阴燃点火临界热通量的影响 为了量化聚光后的辐射热通量，本实验利用光学软件Tracepro 模拟了不同光斑下的辐射热通量，并通过实测值验证模型的可靠性 (2)实验发现，随着太阳辐射增大或光斑直径减小，聚光后的辐射热流均增大 随着光斑直径的增大，阴燃点火的临界热通量逐渐降低并趋近于在锥形量热仪下测到的最小值(11kW/m2)研究通过简化的传热分析揭示了燃料内部传导散热的影响将随着光斑的变小而逐渐增强 最后，本文基于开源代码Gpyro 建立二维模型再现实验现象并验证实验结果 本项工作量化了阳光经汇聚后潜在的火灾风险，并揭示了燃料内部传导散热对小光斑加热的影响 未来的工作将利用实验和模拟进一步探讨不同燃料在汇聚的太阳光下的火灾风险 参考文献：1 Warren D W.Optical modeling of fire hazards arising from sunlight focused by waterJ.Fire Technology，2014，50：1327-1334.2 Babrauskas V.Ignition HandbookM.Issaquah：Society of Fire Protection Engineers，2003.3 Manzello S L，Suzuki S，Gollner M J，et al.Role of firebrand combustion in large outdoor fire spreadJ.Progress in Energy and Combustion Science，2020，76：100801.4 Wang S，Huang X，Chen H，et al.Ignition of low-density expandable polystyrene foam by a hot particleJ.Combustion and Flame，2015，162(11)：4112-4118.5 Sun P，Lin S，Huang X.Ignition of thin fuel by thermoplastic drips：An experimental study for the dripping ignition theoryJ.Fire Safety Journal，2020，115：103006.6 Chen J，Taniguchi M，Narato K，et al.Laser ignition of pulverized coalsJ.Combustion and Flame，1994，97(1)：107-117.7 Zhang H，Qiao Y，Chen H，et al.Experimental study on flaming ignition of pine needles by simulated 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