熱金屬顆粒對地表森林可燃物的傳熱仿真分析

李東暉 胡海清 郭妍

摘?要：為研究導線短路熔化形成的熱金屬顆粒對地表森林可燃物的傳熱機理，本文通過有限元仿真技術，基于傳熱學理論，建立熱金屬顆粒與地表可燃物間的傳熱仿真模型，將墜落在地面的熱金屬顆粒作為熱源，考慮熱傳導、對流和輻射的作用，利用正交試驗分析顆粒材質、環境溫度、落地溫度與熔點的比值、顆粒球心嵌入深度倍數和顆粒半徑對可燃物加熱過程的影響。結果表明，顆粒材質、落地溫度與熔點的比值、顆粒半徑是影響引燃的主要原因，且銅質顆粒在墜落后對可燃物的引燃能力更強。此研究為避免熱金屬顆粒引起森林火災提供參考。

關鍵詞：熱金屬顆粒;傳熱;森林火災;有限元分析;引燃

中圖分類號：S762.1?文獻標識碼：A?文章編號：1006-8023（2021）06-0047-06

Abstract：In order to study the heat transfer mechanism of hot metal particles formed by wire short-circuit melting to surface forest fuel， in this paper， the finite element analysis technology was used to establish the heat transfer simulation model between hot metal particle and fuel on ground based on the heat transfer theory. Taking hot metal particle as the heat source， considering the effects of heat conduction， convection and radiation， the effects of particle material， ambient temperature， ratio of landing temperature to melting point， multiple of particle center embedding depth and particle radius on the heating process of fuel were analyzed by orthogonal test. The results showed that material， ratio of landing temperature to melting point and radius were the main factors affecting ignition， and copper particles had stronger ignition ability to fuel. This study provides a reference for avoiding forest fire caused by hot metal particle.

Keywords：Hot metal particles; heat transfer; wildfire; finite element analysis; ignite

0?引言

隨著自然環境的日益惡劣，木材已成為國際經貿的戰略物資[1]。森林火災是造成木材損失的主要原因，在災害中釋放出的大量溫室氣體，將進一步加劇極端氣候的發生頻率[2-3]。伴隨著人類社會基礎建設的不斷進步，由輸電導線短路產生的熱金屬顆粒已成為一類全新的火源形式[4]，并已引發多場森林火災，造成巨大的損失[5-6]。

在該類事故中，導線金屬受短路電弧熱量加熱，熔化生成金屬液滴，受重力作用向地面墜落的過程中冷卻變成熱金屬顆粒。若墜落在地面上的熱金屬顆粒仍存有足夠熱量，將引燃地表森林可燃物，引發森林大火。因此，通過對熱金屬顆粒墜落后對地表可燃物的加熱過程進行研究，可以更合理地預防該類森林的火災發生。目前，學界多通過室內模擬實驗對各類熱金屬顆粒的引燃能力進行研究。Hadden等[7]通過室內模擬實驗，熱金屬顆粒的直徑和初始溫度共同決定森林可燃物的引燃概率;Urban 等[8-9]根據自制的試驗裝置，確定在引燃形式相同時，體積較大的熱金屬顆粒所需要的初始溫度更低;王蘇盼[10]通過實驗發現熱金屬顆粒在直接引燃可燃物時，既是加熱源也充當先導點燃源，而由無焰燃燒向有焰燃燒的轉變過程中僅充當加熱源;此外，李夢媛等[11]通過實驗對熱金屬顆粒沉入可燃物內部時的傳熱過程進行研究。現有的研究雖然能夠通過實驗現象測定熱金屬顆粒的引燃能力，但無法從森林可燃物受熱分解的角度定量地描述各種熱金屬顆粒的區別。

隨著計算機技術的不斷發展，有限元仿真技術[12-13]開始被廣泛應用于林火研究中，借用仿真技術可以直觀地獲得熱金屬顆粒對地表森林可燃物的傳熱情況。為此本文通過有限元數值分析方法，墜地后熱金屬顆粒對地表森林可燃物的熱量傳遞過程進行分析，從而獲得熱金屬顆粒材質、直徑、落地溫度、嵌入深度和周邊環境溫度對森林可燃物溫度變化的影響。

1?研究對象

由于森林內的地表可燃物較為松軟，可將墜落后的熱金屬顆粒視作嵌入到平面內部的球體[14]。熱金屬顆粒與地表森林可燃物的傳熱模型如圖1所示。圖1中：邊界①-⑦為模型計算圓柱形區域的軸心;邊界①-②-⑤-④-⑦-⑥為大氣環境;邊界④-⑤-⑨-⑧-⑥-⑦為地表森林可燃物;邊界③-⑤為地面;r為熱金屬顆粒的半徑;h為熱金屬顆粒球心嵌入地面的深度。

2?研究方法

在熱金屬顆粒與地表的森林可燃物接觸后，可燃物受熱釋放出可燃性氣體，當氣體到達燃點后發生燃燒[15]。在分析熱金屬顆粒與地表森林可燃物間的換熱過程時，首先需要根據傳熱模型建立仿真區域的實體模型，根據實際情況將材料屬性和接觸關系賦予實體模型。再賦予實體模型初始溫度和熱金屬顆粒的初始溫度，進行初始熱場分析。然后根據初始熱場分析的結果，進行瞬態熱場分析，獲得一定時間內熱金屬顆粒與可燃物的溫度變化。如圖2所示。圖2中：T0為熱金屬顆粒的初始溫度;T1為可燃物的初始溫度（環境溫度）;h為金屬顆粒球心嵌入地面的深度;r為熱金屬顆粒的半徑;t為熱場分析時間;t0為初始分析時刻;step（step）為設定仿真步數;ti為時間步長;te為設定的傳熱計算時間。熱金屬顆粒對于地表森林可燃物的直接引燃常于12 s內結束[10]，本研究中te=12 s。在整個計算流程中，可以通過修改T0、T1、h和r對計算進行調整，研究各條件下可燃物的溫度分布情況，實現穩定、可靠和實用的計算平臺。

3?仿真模型的建立

3.1?傳熱計算模型

根據傳熱學相關理論，熱金屬顆粒與地表森林可燃物間的瞬態傳熱分布計算方程為[12]：

由于森林地表可燃物的主要成分以纖維素為主，本文將纖維素的傳熱系數作為地表森林可燃物的等效傳熱系數。地表森林可燃物的傳熱系數λe和溫度差（T0-T1）間的關系為[16]：

熱金屬顆粒的輻射發射率受溫度變化影響，需要根據金屬材質通過“發射率-溫度”函數表示[17-18]。由于森林可燃物的形貌及顏色較為多樣，為考慮最惡劣情況，將可燃物的表面發射率設置為1[19]。導線多以銅或鋁制成，本文以銅顆粒和鋁顆粒作為主要研究對象，金屬和可燃物的基本物理性能見表1[20-21]。

3.2?有限元仿真模型

根據計算模型，通過仿真軟件搭建有限元仿真模型[22]，如圖3所示。該模型由空氣區域、金屬顆粒區域與森林可燃物區域組成，模型的外部邊界狀態與外部環境相同。為提高計算精度，該仿真模型為四面體二次網格，共含有200萬個節點，網格平均質量大于0.9。金屬顆粒、空氣和森林可燃物依照表1進行物理參數賦值，圖3中的T0、T1、h和r的定義與前面的定義相同。

4?仿真分析

4.1?正交實驗仿真方案

熱金屬顆粒在墜地時的最高溫度無法超過其自身熔點。在描述嵌入深度時，也需要考慮球體的半徑尺寸，才能準確描述球心的嵌入深度。在設計正交實驗方案時，需要以顆粒初始溫度與環境溫度的比值作為熱金屬顆粒初始溫度的特征參數，以球心嵌入地表的深度與顆粒半徑的比值作為球心嵌入深度的特征參數。由此，通過將顆粒的半徑、球心嵌入地表的深度與顆粒半徑的比值、環境溫度、顆粒落地溫度與其熔點的比值作為變化參數，通過仿真計算獲得可燃物的最終溫度。為提高計算研究效率，本文通過正交實驗法，分別對銅、鋁2種材質的熱金屬顆粒使用L25（56）正交表進行仿真分析，共進行50次計算，見表2。

4.2?顆粒材質對可燃物加熱過程的影響

根據表2內的各梯度布置，計算得到的部分地表森林可燃物溫度變化云圖如圖4和圖5所示。圖4和圖5中的T0、T1、r和h為對應的各因素取值，2#、5#、21#和25#為對應正交試驗中的計算編號。

通過對圖4和圖5內的部分仿真結果進行分析，可以獲得不同材質熱金屬顆粒對地表森林可燃物的傳熱特性。由于銅的熔點大于鋁，則銅質熱金屬顆粒的墜地溫度往往大于鋁質顆粒。由于材料自身熱性能的不同，銅顆粒的溫度下降得較快，對可燃物的加熱過程較為迅速。而鋁顆粒的溫度降低較慢，對可燃物的加熱過程較為持續。此外，在材質相同時，半徑（r）較小的顆粒的降溫過程較為迅速，能夠在短時間內將自身熱量傳向可燃物。該結果與Casey D Zak的實驗研究相似[10-11]，說明仿真計算的結果與實際過程較為吻合。

4.3?各因素對可燃物加熱過程的影響

在完成正交試驗計算后，各因素影響下可燃物的溫度均值隨梯度的變化如圖6所示。影響因素方差分析見表3。

結合圖6和表3中的方差分析結果可以發現，由于正交實驗仿真結果的R2均等于0.99，說明各因素變化可以解釋最終溫度99%的變化。當P<0.05時，即可認為該參數的變化與最終溫度間存在顯著性差異關系。因此，在對相同材質的熱金屬顆粒進行分析時，熱顆粒半徑（r）與熔點與落地溫度的比值是影響可燃物加熱過程的主要因素。

綜合4.2中的計算結果，由于銅顆粒的落地溫度較高，且對可燃物的加熱過程較為迅速，更易直接造成可燃物發生有焰燃燒;而鋁顆粒的落地溫度相對較低，對可燃物的加熱過程較為持續，可能會引起無焰燃燒轉化為有焰燃燒的森林火災。當材質相同時，半徑（r）較小的顆粒質量較小，其相對表面積更大，只有當其落地溫度較高時才會直接點燃地表可燃物。若落地溫度不能直接點燃地表可燃物，其散熱過程較快，無法以陰燃的形式緩慢點燃可燃物。而體積較大的顆粒即使落地溫度不能直接點燃地表可燃物，也能夠通過持續加熱的方式使可燃物陰燃，更易引起森林火災。

5?結論

本文基于有限元仿真技術對熱金屬顆粒對地表森林可燃物的熱交換過程進行建模，研究熱金屬顆粒半徑、顆粒嵌入深度倍數、環境溫度和熔點與落地溫度的比值對地表森林可燃物溫度變化的影響，得出以下結論。

（1）熱金屬顆粒墜地時的溫度是影響可燃物溫升的主要原因。在其他條件相同時，由于銅的熔點高于鋁，在墜地時銅質金屬顆粒的溫度往往更高，對可燃物的引燃能力更強。

（2）半徑較大的金屬顆粒能夠以較高溫度長時間對地表可燃物進行加熱，即使無法直接點燃，也可能通過緩慢加熱使其發生陰燃。

（3）由于熱金屬顆粒的溫度高于其他常見的火源物，環境溫度并不會對引燃過程產生很大的影響。在對該類災害防控時，不應以季節溫度劃分警戒等級。

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