世界是燃烧的:究竟是火把,为什么有人照顾吗?
塞缪尔·l·Manzello
1*和
麻子铃木
2
- 1Reax工程、伯克利、钙、美国
- 2国家研究所的火灾和灾难(NRIFD),东京,日本
大型户外火灾在世界各地已属司空见惯。国际标准化组织(ISO)定义了大型户外火灾作为城市火灾,海啸产生的火,volcano-generated火,wildland-urban接口(WUI)火,荒地火灾,火灾或非正式定居点,倦怠总面积是显著的。也许所有的大型户外火灾、荒地火灾,蔓延到城市地区,简称WUI大火吸引了最多的关注。一眼最近的头条新闻在2022年夏天,揭示了欧洲各地灾难性WUI火情。在大西洋彼岸的美国,有另一个破坏性WUI火肆虐在美国加州。与气候变化的风险增加,这些大型户外火灾灾难只会变得越来越平凡的世界各地。更多的家庭将丢失和生活都将丢失。它是作者的意见,有针对性,需要多学科的方法解决大型户外消防问题。在这个短,特邀报告视野机械工程,认为大型户外消防问题是一个迷人的和具有挑战性的研究领域,工程师有必要的技能和培训的影响这一问题影响成千上万的世界各地的人们。一个重要的危险,存在于所有大型户外火灾、火把。为非专业读者介绍了火把,最近的文献回顾。讨论了一些挑战,尤其是区域工程师可能有助于推动针在这个全球重要的话题。
介绍
国际标准化组织(ISO)定义了大型户外火灾作为城市火灾,海啸产生的火,volcano-generated火,wildland-urban接口(WUI)火,荒地火灾,火灾或非正式定居点,倦怠总面积是重要的(ISO 2022一个)。在世界各地,大型户外火灾负责销毁大量基础设施和人类生活多年的损失。从1657年的伟大Meireki火灾在日本,1872年的芝加哥大火在美国,最近的荒地/ WUI火灾在美国和欧洲,非正式定居点火灾在非洲和亚洲,大型户外大火继续破坏基础设施,影响人们的生活图1)。
图1。1657年大Meireki火,日本(一)美国,1872年的芝加哥大火(B)2021年,舔溪火,俄勒冈州,美国(C)黑色星期六2009年,澳大利亚(归因:Richmeister在英文维基百科)(D)2017年,Imizamo Yothu非正式定居点火灾,南非(来源:Aletta哈里森/ GroundUp)(E)。
荒地火灾蔓延到城市地区,荒地和城市分界面上(WUI)被称为火灾巨大的破坏能力。在2018年,WUI在加州大火摧毁了超过24000结构,造成数十人死亡(CALFIRE 2018)。Kincade火索诺玛县,加利福尼亚,美国是2019年最大的火WUI火灾季节和强制撤离命令影响大约190000人生活在区域(Palinkas 2020;黄et al ., 2020)。2020年,加州经历了另一个超过10000结构损失WUI火灾(CALFIRE 2020)。2021年,加州经历了异常早期火灾季节的开始。南方火仅消耗了近404000公顷的土地,摧毁了1000多万结构(CALFIRE 2021)。WUI大火继续发生在整个美洲,澳大利亚,欧洲,中东和亚洲。澳大利亚维多利亚州2009黑色星期六WUI火灾导致173人丧生,取代超过7500人(爱尔兰人,et al ., 2010)。在智利在2014年的大火Valpariso摧毁了超过2500个家庭,让11000人无家可归(Salinas-Silva 2015)。一系列WUI Hafia附近的大火,以色列在2016年超过40000居民被迫撤离(城市人口的15%)来自13个不同的社区(Marom托莱多,2021)。观察到明显WUI火灾在韩国在2019年(李,李,2020)和澳大利亚在2019年和2020年(Deb et al ., 2020)。2022 WUI火赛季整个欧洲是前所未有的,有这么多不受控制的火灾。尽管欧洲南部WUI火灾的危险并不新鲜,北欧现在经历WUI火灾灾害(Ganteaume et al . 2021;Plathner et al ., 2023)。图2显示的例子WUI地区在世界不同的地方。
图2。荒地和城市分界面上世界各地的例子(约翰斯顿et al ., 2019)(接口WUI的例子(一)Fort McMurray,加拿大阿尔伯塔省(加拿大恩斯森林服务/ b);(B)悉尼,澳大利亚(CSIRO /麦克阿瑟n);(C)澳大利亚(谷歌地图);和(D)奴隶湖,加拿大阿尔伯塔省(阿尔伯塔大学/ Flannigan m))。这个图的版权属于第三方。
重要的是要区分WUI从荒地火灾火灾(Manzello和铃木2022);WUI火灾包括植物燃料的燃烧和整个社区而荒地火灾包括植物燃料的燃烧和发生在无人居住的地区。估计至少70000个社区,近4600万结构WUI火灾风险,这相当于在美国近1.2亿人(Manzello et al ., 2018)。研究表明气候变化增加WUI火灾隐患(Abatzoglou和威廉姆斯,2016年)。
人口稠密的城市地区的崛起也看到了发展大型城市火灾。在亚洲,这样的火灾发生数百年来(见图1)。最近的一个发生在2016年的冬天在新泻,日本(铃木和Manzello, 2018年)。在城市火灾、疏散命令总共有744居民。同样,美国也经历过几个主要城市火灾,如1872年的芝加哥大火图1巴尔的摩)和1904年(彼得森,2010)。
另外,非正式的解决社区的兴起在东南亚和非洲继续导致大型户外火灾大毁灭的能力(Arup, 2018)。非正式火Imizamo Yethu,开普敦,南非在2017年超过9700名居民流离失所,并破坏了2194年住宅(Kahanji et al ., 2019)。
火灾开始局限于所消防安全科学
帮助减轻建筑物内火灾发生,消防安全科学研究最初集中在如何最好地学习和理解建筑物内火灾增长。通常这些类型的火灾已被描述为舱火灾,由于火灾,是研究包含给定的房间或隔间的建筑。广泛的研究在这一领域导致舱火灾动力学的基本理解的发展。共同研究成果导致分区的概念的发展,在基本设计原则能够管理和控制是一个不必要的火灾在给定舱和设计建筑抵御意外火灾的蔓延到其他房间或隔间。并行,材料研究还开展,以确保房屋和建筑中常见的家具会更耐点火。这样,即使发生意外火灾,材料在建筑可能更耐点火。虽然这些方法都非常成功,重要的是让读者掌握火灾,蔓延以外的建筑并不局限于明确的界限,和这些复杂性呈现理解大型户外火灾非常复杂的努力(Manzello et al ., 2018)。同时,植被和其他人类使燃料在户外发现可能不是那么容易更耐点火。有兴趣的读者,书的Drysdale (2011)和Quintiere (2016)概述舱火灾动力学。一个典型的例子示意图了解火灾增长舱所示图3。
图3。典型示意图关注火灾在一个密闭的房间或隔间(Novozhilov 2001)。
在大型户外火灾火势蔓延机制
当火灾发生在室外环境中,点火的建筑可以发生在三个方面:直接接触火焰,热辐射,火把(和相结合;请参阅图4)。直接火焰接触指的情况下的结构组件是直接接触火焰燃烧的邻燃烧燃料来源。WUI火灾,这可能是观赏植物,如覆盖物,灌木,或树,或其他燃料类型,如燃烧的车辆或邻近结构。
图4。在大型户外火灾火势蔓延机制示意图(上图:火焰直接接触,中间:热辐射,底部:火把)。
热辐射是电磁辐射的一种形式,是发出任何温度高于绝对零度的物体。由于营养和结构性燃料的燃烧WUI火灾、任何可燃物类型接近这些燃烧过程将经历辐射。点火的概率是距离的函数,取决于暴露的时间。
火把是生产或代新,小得多的可燃碎片火从原始来源。火把表示任何热对象在飞行中能够点燃其他的燃料类型。燃烧的火把生产或生成营养和结构性燃料和详细描述该审查的一部分。
当然,上面的任何可能的组合。直接接触火焰,火焰热辐射法结合存在,发出热辐射。火焰直接接触和火把也可能行为相结合而直接火焰接触可能占主导地位。结合热辐射和火把也可能行动研究(铃木和Manzello, 2021)。
火把究竟是什么?
火把是生产或代新,小得多的可燃碎片火从原始来源。在新闻媒体,火把通常被称为余烬但这并不是一个精确的术语。根据ISO (2022)余烬火把是相似的,但是有轻微的区别:安博指任何小,热,碳质粒子和余烬有能力设置额外的火灾时,他们变得火把。燃烧的火把生产或生成营养和结构燃料。图5显示的例子火把收集来自不同燃料类型。
图5。火把的例子来自植物燃料燃烧而不是结构燃料燃烧(铃木2019)。左:火把从植物燃料(Manzello et al . 2007从结构),右:火把燃料(铃木2017 b)。这个内容的权利属于第三方。
WUI火灾,据报道,大多数家庭损失已经从煽动攻击(Blanchi et al ., 2019)。在WUI火灾的情况下,生产的火把从营养和人造燃料的燃烧动力学发生元素,如房屋和其他建筑物。城市火灾和非正式定居点火灾、火把生产主要来自人造燃料元素。火把燃烧的一系列重要方面:初始生成或燃烧形成的营养和结构性燃料类型、运输、沉积和点火燃料来源通常远离原来的火灾源(见图6)(Manzello et al ., 2020)。
图6。煽动过程的示意图。
在植物燃料的燃烧过程,热解的燃料元素是一个重要的机制。在植物燃烧过程中,风绕流燃料元素生成和空气动力。这些力量产生的时刻和压力沿燃料元素而同时热解热降解,减少他们的结构完整性。火把当达到一个临界点时,形成和燃料元素断裂成小块,随后携入的流(巴尔Ezekoye, 2013)。火把一代从结构燃烧过程也是一个重要的机制来生成火把在大型户外火灾。
迄今为止最经常煽动过程的研究方面是火把的运输。生成火把后,他们可能最初漂浮的活跃的大型户外大气边界层的火羽流和运输。远了,火把的沉积过程后生成和运输。
一旦生成火把和运输在大气边界层内,火把沉积,会接触到其他燃料床。火把可以启动一个阴燃燃烧反应,或燃烧的燃烧反应。
有几个评论煽动过程在过去的十年里(古永锵et al ., 2010;Manzello 2014;铃木2017;Fernandez-Pello 2017)。最近,一个全面回顾Manzello和同事发表的能量和燃烧科学的进步(Manzello et al ., 2020)。由于越来越多的大型户外火问题,煽动文学继续扩大。最近的文献回顾,发表在2019年之后。作者最近联系了几个团体活跃在这一领域的文献,以及进行了一次广泛的谷歌学术搜索搜索。重点是在这些研究发表在同行评议的档案文献(如。科学期刊)。雷竞技电竞体育竞猜平台
火把一代研究
广义上说,煽动一代研究可以分为那些专注于植物燃料,如树木或灌木,这些研究主要集中在结构燃料,燃料出现房屋等建筑物。作为目前没有验证计算模型能够模拟煽动一代过程,主要的推力在这个研究领域一直在实验研究试图收集所需的物理理解煽动一代的过程。图7表明煽动一代取决于很多因素。
图7。上市影响煽动生成过程的重要因素。
理解复杂的火把生成过程,全面实验,使用真比例尺植被,如树木或灌木,或实际规模的建筑是最现实的配置。这种类型的实验提供了一般的理解煽动生成过程和具体特性,可能只被捕获在现实的尺度。然而,进行这些类型的实验是非常具有挑战性的,需要经历从真比例尺植被处理燃烧过程和结构,并进一步需要必要的实验设施设计风和燃烧的研究。另外,获得的信息从实际户外触发事件总是一个选项,但由于缺乏可信赖的测量装置的快速和容易使用,这不是一个可行的。由于这些原因,研究者常常求助于火灾后研究提供一些见解(Manzello富特,2014;铃木和Manzello, 2018年;铃木和Manzello, 2022)。偶尔开燃烧,火的控制应用于植被区域定义维护或修改系统以满足预定的目标或目标(达夫et al ., 2018),作为另一种选择研究荒地火灾行为,包括煽动研究(海尔et al ., 2020;托马斯et al ., 2021;汤普森等人,2022年)。与此同时,有一个正在进行的讨论健康的人住附近的地方规定的火灾。人和动物身上都可能接触到大量的微粒,可能会对健康构成风险(莱尔森et al ., 2015;铃木和Manzello 2022 b;希尔et al ., 2022)。
火把一代从结构
结构燃料,一个广泛的研究工作已经开展,首先进行了一系列全面的实验在风能领域的应用,然后,去小和小规模(铃木和Manzello, 2020)来确定简单的实验能够捕捉煽动生成的复杂的物理过程。结果与数据真实火灾事件相比,在每个阶段和随后的努力开发新的,更小、更便宜的实验方法能够捕捉重要因素研究煽动生成过程(Manzello et al ., 2020)。实物模型的墙壁,角落组件显示风煽动代重要的影响,这是类似的大规模实验(铃木和Manzello, 2019)。
最近的研究主要集中在支持应用程序的影响,如雪松支持治疗仍然是受欢迎的在许多国家,包括美国。使用开发的小规模的实验方法(铃木和Manzello, 2019;铃木和Manzello, 2020),四种杉木墙板(摇/带状疱疹,阻燃剂治疗/不)被应用于屋顶组件。由于雪松墙板的厚度和使用焦油纸,火把的厚度从屋顶组件生成不同,厚度相比那些火把只产生隔热材料。所有情况下,煽动系数被发现增加随着风速的增加。阻燃处理在雪松瓦站应用于屋顶组件降低了煽动生产阻燃处理在雪松动摇现在站在屋面上的应用组件并显示多变化铃木和Manzello, 2021 b)。存在一个需要开发,简单廉价的实验室测试方法量化火把从建筑材料生产,这对未来的工作提供必要的百分测试方法的发展。
火把也可能产生碎片的木材料,如木屑可以用于景观的目的。Polytech在香港大学在中国,磁盘的木头片和火把的典型尺寸检查在辐照下的阴燃燃烧和相应的变形行为(王et al ., 2021 a)。由于化学反应之间的相互作用和热机械的压力,连续四个变形阶段观察和猜测(I)干燥收缩∪形状(II) irradiation-driven热膨胀∩形状(III)热解收缩∪形状,和(IV) oxidation-driven热膨胀∩形状。对于这些5毫米到15毫米厚的样品,这些变形阶段是敏感的程度和发生纵横比。增加切片厚度减少变形的三个阶段,但增加第四阶段的变形。作者指出,这些实验观察定性复制二维有限元数值模型,耦合3步骤与热机的异构动力学解算器。
从植被煽动的一代
在植物燃料的情况下,实验研究远落后与那些进行建筑。到目前为止,已经有非常有限的研究植物燃料在使用风realistic-scales和研究更少。直到最近,实验方法设计,理解不了这些燃烧过程控制领域。图8显示煽动一代研究,从复杂到简单的植物燃料的尺度。
图8。火把一代从vegetation-actual-scale简单,小规模(图片信贷从右到左,Rim火(维基百科),肯门哈特(物),Manzello et al ., 2007,铃木和Manzello 2022 c,Hajilou et al ., 2021)。
realistic-scales营养煽动研究,一些工作在规定的火灾理解火把的大小和密度(单位面积上的火把的数量)。过去的研究更侧重于视觉方法(这些了Manzello et al ., 2020使用现有的技术)。例如,最近的工作在新泽西的松林中,相比美国,煽动行为从两代规定在不同条件下燃烧。火行为和煽动的一代是耦合的,发现火灾强度和燃料特性与煽动代(托马斯et al ., 2021)。
工具监控煽动通量(火把进入设备)的数量,大小,和热条件也是由结合视觉和红外摄像机(禅宗et al ., 2021)。这个应用程序在实验室测试和部署在规定的火灾。研究者称,该工具显示了良好的火把大小的测量和热条件。整个系统的大小大约是2 m (L) x 0.5 m (W) x 1 m (H),尺寸,结构,如系统成本显然是为研究目的,不是准备快速部署在大型户外火灾(Manzello et al ., 2010)。
声学分析中的最新进展,特别是模式检测,也启用了火把的速度的量化是观察到的录音于火摄像头安置在耐火钢框已经部署在实验火灾(汤普森等人,2022年)。音频模式被发现是由一个飞行煽动打钢框的相机。这种技术允许数量的火把每秒量化有关火的位置,可以在相同的时间间隔(使用详细的传播速度重建),为了确定狂热的旅行距离。给出一个概念验证实验树冠火,显示了这种方法的可行性。有关火的位置时,中等距离的定位的关键领域观察到对应的区域火灾强度峰值。作者得出的结论是,趋势火把着陆的数量每平方米的火方法量化使用低成本的设备。
尽管规定燃烧的优点进行在现实层面上,很明显,这些类型的事件不能进行实际条件下典型的火灾(如。大风)。如上所述,有一个担心,人和动物身上都可能接触到大量的颗粒可能对人类健康构成风险在规定的燃烧(铃木和Manzello 2022 b;希尔et al ., 2022)。由于这些原因,研究人员试图在那么危险的尺度上提取有意义的信息。
继续一个简单的个人tree-scale,俄勒冈州立大学最近的研究在美国进行了调查在任何控制字段在室外环境(风哈德逊等人,2020年)。火把的大小,定义的通量(作者每米的火把2),点燃现场火灾倾向(即。,called char-mark flux of firebrands in their work, this aspect will be discussed later) are reported for several tree species under different combinations of number (one, three or five) and moisture content (11–193%). Douglas-fir, grand fir, western juniper and ponderosa pine trees were investigated. Firebrands were collected on an array of fire-resistant fabric panels and trays filled with water. It was reported that Douglas-fir trees generated the highest average firebrand flux (the number of firebrands per m2每公斤)的质量损失在焚烧,而大杉树生成最高char-marked煽动通量(每米的火把2每公斤)的质量损失。西方juniper产生的最大分数char-marked火把,以30%的火把生成热得足以把字符标志。相比之下,只有6%的火把由杰克松被热得足以离开char。建议研究结果可以用来帮助理解不同种类的树的倾向产生火把,火把的部分可能会足够热开始火。
另外71个人的树木或灌木不同高度(1.4 - 6.2)进行调查的后续工作(Adusumilli et al ., 2021)。火把收集用防火布料。花旗松、杰克松和艾草是他们的兴趣。由于使用防火布料,char-marked火把被数的测量。的总数char-marked火把似乎增加树和灌木的高度增加。艾草产生最大数量的char-marked火把和最大数量的char-marked火把每公斤燃料消耗。没有发现确凿的关系char-marked煽动生产和含水率之间的树或灌木。这些发现也支持的观察。因为所有这些实验不进行控制的风场和许多危险的大型户外火灾发生在有风的情况下,必须考虑保健应该在这些发现。
在工作中,在葡国科英布拉大学的研究人员利用粒子图像测速仪(PIV),调查这些生成过程在没有风(阿尔梅达et al ., 2021)。在他们的工作的数量和特征火把燃烧过程中产生的四种不同树木的大小在1.0米- 1.8米之间,进行了研究。呈现在PIV成像的新方法被证明是有用的分析,作者得出未来的研究需要在风。
没有先前的研究在煽动一代从树上进行控制风能领域。如上所述,实验室内实验室进行,在没有风的情况下,或在室外设置,没有控制的风。当室外火灾危险在有风条件下,它是必不可少的实验被执行控制风,准确地理解风效应也为建模提供必要的数据。
很明显,针叶树树下燃烧实验应用风场会导致煽动生成过程的新的理解。为了研究火把从植物燃料风下,需要新的点火策略,最近国家研究所研制的火灾和灾难在日本(NRIFD) (铃木和Manzello, 2022 c)。火焰长度、火焰倾角和质量损失率的名贵的树木燃烧相比,3 m / s风树下无风条件下燃烧。风下,质量损失率增加了至少2倍,比燃烧无风。另一方面,没有风下的火焰长度大于,在3 m / s的风。一些生产的火把在3 m / s风越来越重,有时部分烧毁。在没有风的情况下,煽动收益率从1.5壮丽冷杉树都不到1%。煽动收益率在3 m / s相比显著增加没有风,类似的树下尺寸。这些结果是由于风的力量。虽然这项研究进展的理解植物燃烧应用风条件下,未来将需要额外的实验考虑其他植被类型,不同的风速,更广泛的植物燃料大小。
因为它仍然是困难的,需要一个相对较大的实验设置燃烧树木,一些研究与分行进行小规模的实验风洞提供量化方法生成火把在火灾的源头。其中一个研究是在美国俄勒冈州立大学(哈德逊和Blunck, 2019年)。样品的四个燃料种类,道格拉斯冷杉,西方杜松,杰克松,白橡木,被烧死在激烈的风洞和火把形成所需的时间是用单反相机。析因方差分析是用来确定时间生成的敏感性物种,直径、含水率、燃料条件(即销诉自然样本),横向气流温度和横向气流速度。样品的直径有最大的影响的时间生成和燃料种类有第二个最大的效果。小直径样本相对其他参数的变化不敏感。自然样品要求比销子时间生成一个火把。根据作者,燃料形态是最重要的影响因素之一煽动的一代。
进行的另一项研究在美国马里兰大学认为煽动分支的两代针叶树的固定风速4米/秒(Hajilou et al, 2021年)。这是一个延续的初始工作Caton-Kerr et al ., 2019木销子。同时,下游主要气态物种浓度测定。碳质量平衡是用来分析的初步结果,并了解多少燃料的质量转换到火把和气体。这些结果提供大规模燃烧过程的描述和最终生产领带煽动煽动传输的初始化时间释热率数值模拟。煽动者平均收益率从3 - 4%的初始干质量是最终提出了美国黑松和道格拉斯冷杉。认为未来的工作是需要更大尺寸的燃料与真正的户外火灾场景。这里的并发症,这些研究进行之前详细了解燃烧过程得到actual-scales, tree-scales风。结果,实验发现,虽然非常重要,可能是一个工件的实验协议使用,不会在realistic-scales反射现象。
数量有限的实验,努力模型详细煽动一代从树上没有先进的多少进行的开创性工作以来在美国德州大学奥斯丁分校(巴尔Ezekoye, 2013)。由于缺少数据模型,在澳大利亚维多利亚大学在反复试验的基础上进行了一系列的基于物理模拟再现实验收集数据,称为逆分析(Wickramasinghe et al ., 2022)。一旦生成数据确定的模拟,作者应用插值技术校准风速的影响,相对湿度、植被物种。首先,作者模拟花旗松(Pseudotsuga menziesii) tree-burning和量化煽动一代树燃烧实验。然后,作者同样的技术应用于森林火灾实验规定的松林地国家保护区(内线)的新泽西州,美国。模拟与实验数据进行了载油量,湿度,温度,风速,以确保现场条件复制实验。结果可能是有限的价值,自校准条件下基于树燃烧数据没有风。如前所述,针叶树的燃烧树木在风大不相同。
煽动运输和沉积的研究
火把的运输是最经常煽动流程方面调查。的主要原因是由于运输过程可能是最简单的模型,但这些模型的验证仍然难以捉摸。图9列出影响煽动运输过程的重要因素。
图9。上市影响煽动运输过程的重要因素。
最近的研究大大最先进实验煽动发电机,通过使用一种设备,生产控制和可重复的火把,以及增加电脑的计算能力。实验煽动发电机技术的发展开创了作者(Manzello et al ., 2008;铃木和Manzello, 2011年;Manzello 2014)。
后由Manzello煽动生成器的发展,澳大利亚维多利亚大学的研究人员集中进行一组基准实验使用修改后的火把生成器,煽动运输和验证数值模型对这组实验(Wadhwani et al ., 2022)。验证了本品的运输和燃烧立方形的火把粒子在两个流速度。四个通用拖子模型用于估算阻力系数,适合各种各样的火把形状的适用性验证煽动传输模型。4个子模型根据作者,被发现在不同程度预测煽动粒子的传输。工作在日本也使用一种修改煽动发电机调查煽动传输(Himoto石见,2021)。
其他研究已开展形象火把使用火把发电机。俄罗斯托木斯克州立大学工作,是一项研究致力于开发新的算法和他们的测试,因此,一些实验室实验(Prohanov et al ., 2020)。木球、树皮和树枝的松树被用来生成火把。红外摄像头被用来获取必要的热视频文件。温谱图被处理创建一个带注释的红外视频数据库用于测试探测器和追踪。这些研究之后,分析表明,高斯检测算法的差异和匈牙利跟踪算法支持的最高水平的准确性和最容易实现。研究还表明,检测和跟踪算法的进一步发展使用当前的方法不会显著提高其准确性。这是作者暗示卷积神经网络具有高潜力作为一个可选择的方法。
另一项研究在美国的北卡州立,看着量化火把的着陆分布的三种方法:蒙特卡罗模拟,重要性抽样,和大偏差理论(LDT) (门德斯和Farazmand, 2022)。根据作者,蒙特卡罗和重要性抽样方法中最有效的量化的高概率附近着陆距离模式分布。然而,这些方法成为量化计算棘手的尾部分布由于需要大样本大小。这是认为最可能的着陆距离线性增长与平均风场的特征速度。作者相对沉积质量定义为质量沉积在给定距离的比例从主火,从而推导计算的显式公式允许这个量作为着陆分布函数在计算成本可以忽略不计。
其他一些研究也开始看火把沉积和积累过程使用本品粒子作为火把的代理人。例如,美国克莱姆森大学的工作看火把沉积在一个屋顶大会阮和凯,2021)和一个完整的建筑,但是火把不燃烧(阮和凯,2022;阮和凯,2022 b)。火把燃烧的缺乏可能是在这些研究缺失的重要部分,和未来的工作应该试图比较任何结果,包括火把燃烧。例如,在燃烧过程中,火把通常覆盖着粘稠的字符形成,这不是由本粒子。阿拉巴马州大学的另一项研究在美国,火把燃烧被认为是,但它是一个建模研究,没有实验验证(Mankame Shotorban, 2021)。方法是非常有趣的,希望未来的验证将发生。
一个重要的简化假设在早期研究煽动运输终端速度的假设,在其中火把飞终端速度相对于风场。增加计算能力,在澳大利亚新南威尔士大学的研究人员致力于直接模拟荒地火灾所带来的大气状况,表明这种模拟可以解决的大动荡的过程(托马斯et al ., 2020)。研究人员使用的大涡模拟湍流羽检查终端速度的有效性假设当造型non-combusting余烬的远程传输。结果表明,使用终端速度的假设明显高估了煽动着陆的密度在长期,尤其是较高的火把终端速度下降。
额外的新南威尔士大学的研究在澳大利亚看着观测数据,以更好地把握煽动运输,如野火的影响区域、地形、燃料、地面天气和上层天气条件在长途发现大火(层et al ., 2020 b)。338年的分析是基于一个大型数据集的观察,从aircraft-acquired光学线扫描,发现荒地火灾东南部澳大利亚在2002年和2018年之间。源火区域(一个衡量火活动)是最重要的预测最大发现距离和长途现货火灾产生的数量。天气(表面和上层),植被和地形变量重要的副作用。发现距离和长途现场火灾增加与源火面积增加,尤其是在强风和地区包含茂密的森林和陡峭的斜坡。一般植物描述符更好的预测发现与树皮危害和存在变量相比,表明系统测量和地图树皮发现潜在的需要改进。执行在另一个分析与数据从251年大火,火灾现货的数量,发现距离分布,和“长途”发现的数量(超过500)研究(层et al ., 2020 a)。许多长途发现与多模式分布类型、多模式分布表明,当前的模型发现距离,通常遵循一个exponential-shaped分布,可能低估了远距离识别。
进行的一个新的研究领域,在日本,被调查的结构结构分离距离煽动积累(铃木和Manzello, 2021 c)。在这个研究中,结构结构分离距离的影响煽动积累了通过使用一个定制设计煽动发生器安装在一个真正的风洞。火把累积4和6米−1观察,但没有煽动堆积区8点和10 m−1,不管分离距离(SD)。用一个简单的CFD流模拟实验结果进行了比较(不包括火把)。大小的火把堆积区以及距离结构方面与SD在例4和6米−1风速。发现火把行为不同于SD = 1 - 2 m, SD = 2 - 3 m。这项研究的结果是第一个探索这些重要的分离距离火把和结构之间的相互作用。
煽动点火研究
一旦煽动存款,整个过程中的一个重要阶段是火把点燃燃料,他们有可能降落。最好理解的各种研究方法用于研究煽动点火,是很重要的考虑图10。
图10。上市影响煽动点火过程的重要因素。
图11进一步显示了一个简单的示意图,它是有用的了解最近的研究已经进行更好地掌握复杂的点火过程引起的火把。煽动点火的研究范围从研究个体的煽动者,一群火把燃烧在实验室,研究建筑特性风洞的漏洞。最近的研究也试图更好地理解整个传热过程,火把传授燃料床但并不看燃料床和煽动交互的细节(轴承et al ., 2020)。
图11。一个基本的概述煽动点火的方法进行研究。
凯斯西储大学的研究在美国,努力进行调查的空白间距对燃烧的影响行为的一群木样品(Kwon廖,2022)。在这些实验中,火把模拟使用九木立方体,19毫米两侧。结果表明,火焰高度和样本质量损失率non-monotonic依赖间距的差距。电极间距减少时,火焰高度和质量损失率首次增长由于增强热输入每个样本从相邻的火焰。当间距小于10毫米,火焰从单个样品观察合并成一个单一的大火灾。气体与固体燃烧火焰高度相关。相关性一般遵循先前的经验方程连续火源。阴燃,单个样品燃烧相比,阴燃温度和持续时间显著增加由于热相邻燃烧样品之间的相互作用。
工作在中国,香港理工大学进行对照实验调查冒烟,燃烧的发动机固定圆盘形木颗粒具有不同直径(mm-60 25毫米)和厚度(15 mm-25毫米)在不同辐射热通量(王et al ., 2021 b)。点火困难,最小热流,从阴燃点火增加到驾驶燃烧的点火和燃烧的自燃。随着样品厚度的增加,最小热流,点火温度,为燃烧的自动点火和燃烧持续时间增加,而燃烧峰值流量减少,但他们对样品直径。点火和燃烧过程中,阀瓣粒子变形是由于化学反应之间的交互和热机的压力,尤其是对阴燃。的特征厚度阴燃木也发现前面mm-15 10毫米。根据作者,这项研究揭示了尺寸效应对木材颗粒的点火野火辐射和帮助理解之间的交互和燃烧着的大火。
理解影响火把燃烧条件的参数需要量化,从火把易燃表面传热模型。研究在美国,在维吉尼亚理工大学的实验和分析工作是确定变量关系进行控制火把燃烧(Lattimer et al ., 2022)。一系列的实验进行了量化质量损失速率,温度,char直径随时间变化的单和数组圆柱火把。开发出相应的分析模型,预测与时间有关的燃烧的火把,包括灰在强迫流条件下积累。六种不同的方法来预测char氧化被包含在模型识别预测火把燃烧的最佳方法。基于仿真结果,模型与char氧化决定使用传热传质雷诺模拟提供了最好的结果与预测的温度,char直径,和质量损失率在5%,4%,和29%的单一煽动测试数据,分别。更高的火把差异与数组的预测,这是归因于在火把的复杂流场的发展。分析分析方程被用来识别变量的关系影响煽动温度、质量损失率,char直径,燃烧持续时间。
在俄罗斯托木斯克州立大学的一项研究(Matvienko et al ., 2022),数学建模和实验室实验,以更好地了解木材点火条件由一个或一组具有不同几何火把。他们的模型考虑了火把之间的热交换,木层和气相,火把的水分蒸发,水蒸气的扩散气体热解区。为了验证该模型,一系列的实验来确定点火概率和条件木质材料造成的荒地火把进行。实验的结果表明,风速的增加导致木材点火的概率增加。基于研究结果,得出的结论是,木材样本的点火曲线火把是非线性和依赖于风速和煽动的大小以及它们的数量。没有点火的木材样品的范围0 - 1米/秒的风速。其他工作在中国进行进一步证明风能的点火燃料床的重要性(杨et al ., 2022)。
澳大利亚的研究人员更好地理解很感兴趣从火把煽动点火湿桉树森林(Cawson et al ., 2022)。在他们的研究中,火把模拟使用棉花气缸和锯末wax-lighter。虽然不清楚什么类型的火把这些是为了代表,众所周知,淋浴的火把点燃各种燃料床与水分含量很高,所以未来的工作应该考虑煽动淋浴。
在智利大学的研究,使用小型设备实验进行了专门设计用于测试森林的点火燃料层从代表煽动(里维拉et al ., 2020)。一个圆柱形加热器是用于模型的煽动者,允许控制入射辐射热流标本,从临界热通量多达25千瓦/ m2,五种疏的燃料层。实验点火延迟时间解释基于理论模型的辐射加热燃料层。小点火延迟时间限制的一个解析表达式推导关联的逆点火时间入射热流。该解析表达式用于获取森林燃料的点火温度和有效的属性层,即燃料体积分数的乘积固体燃料密度和固体热容。分析解决方案被发现与实验数据一致,相关的逆相关的无因次time-to-ignition无因次热流。见图11,筒形加热器的方法类似于热金属粒子,由于火把往往反应本身,还不清楚这些简化代表实际的物理过程。
工作由俄勒冈州立大学在美国,类似的实验设置有筒形加热器(代表一个煽动者)被用来调查五燃烧的点火燃料床:两种平板(花旗松和纸板)和三个大小类的花旗松刨花(Lc < 1毫米,4毫米< Lc < 6毫米,6毫米< Lc < 12毫米)(豆和Blunck, 2021)。小茹导致更快比更大的刨花点火。传导和辐射加热器燃料床上扮演一个角色在点火燃料床,和更大的刨花需要更多的时间来燃烧的点火由于辐射的作用。发现热通量会更比热量点火温度的重要指标。
德克萨斯大学在美国,实验确定量化点火准则(维斯和Ezekoye, 2022)。火把是沉积在纤维素绝缘燃料床下撞击空气喷射在两个不同的速度而热电偶在测量燃料床和摄像机记录了测试中的可见光和红外光谱。煽动温度和燃料床内的温度不足以预测燃料床的点火。然而,使用红外摄像头监控的增长反应区域燃料床上,点火的量化定义。在测试的过程中,不同的增长率,代表不同的阶段在点火过程中,明显的无因次反应区域。时间最后的增长速度匹配与燃烧的点火时间记录在可见的视频。观察和预测之间的平均误差燃烧的点火时间是12%。研究者称,这个无因次反应区在定量分析提供了一个框架,用于确定点火方式。
虽然调查个人点火是感兴趣的,但它仍然是重要的研究现实的燃料配置。见过去的研究综述Manzello et al ., 2020、煽动积累往往导致点火燃料配置可能只提高积累过程。最近在日本全面风洞实验,认为覆盖物床安装在全面可重入角落,点火的时间与所需的点火行为和火把的数量持续点火(燃烧和燃烧的)也调查(铃木和Manzello, 2020 b)。结果表明,火把的积累可能点燃燃料水分含量高的关键(FMC)燃料床。在干燥条件下,一个单一的煽动者能够点燃燃料床,也就是从遗留的研究结果。与燃料含水量增加,一个火把无法点燃;点火需要不止一个火把。这是解释如下;燃料床与给定的质量被火把间歇加热不断沉淀和积累燃料床。所需数量的火把点火是较大的风速降低了。开发了一个简单的模型来理解这些复杂的过程。进一步验证这个模型需要高保真度测量的重要物理参数需要更好地理解火把燃烧。
伯克利加州大学的进一步工作在美国,研究人员研究了木质材料的倾向在不同的几何图形来点火一堆燃烧的木销子,模仿火把的沉积(里希特et al ., 2022)。总共五个几何图形(平面板和四个缝隙配置模拟木材装饰的样本)和三种木材(定向结构刨花板(的OSB),其树和加压处理的木材)四种风速下(0.5 m / s, 1.4 m / s)。在所有情况下,点火随风速的倾向;然而,裂缝几何显著增加点火的可能性,获得更高的热流从阴燃比平板在相同条件下桩。所有实验进行比较测量传热惰性示例相同的火把加载和风力条件下。裂隙的方向与风也产生很大影响。比较惰性与木材测试显示惰性板配置是一个合理的最糟糕的情况从火把理解加热到目标材料。认为,这些发现解释了re-radiation裂隙内的配置,从火把堆热损失,和木材的材料特性的物种,来自一个简单的传热分析。因此,几何和木材品种点火的倾向有显著的影响。研究了已知的文献为裂隙点火火把(Manzello et al ., 2009)。
在法国科西嘉岛,大学的工作已经进行了理解点火危险盖板总成(Meerpoel-Pietri et al ., 2021)。这项研究调查了点火燃烧的火把的两个甲板板用在荒地和城市分界面上。法国住宅位于第一个甲板板是由松树和第二个是热塑性聚丙烯和碳酸钙组成的。燃烧的火把被加热和点燃木屑制作不同形状(正方形,纵向和矩形)的锥形量热计。保存生成的火把在加热的形状。他们的投影面积是0.07到12.00厘米2和他们的质量范围从0.57毫克2.66 g。燃烧的火把的位置,最小质量和所需的最少数量的火把点燃板进行分析以确定点火的关键条件。装饰的点火板只有发生在火把被定位在木制板的间隙和热塑性的腿板。没有点火时发生的火把都位于甲板板的表面。火把的最小质量0.31克和0.80克是必要的,以点燃木头板和热塑性的,分别。需要更少的火把点燃木比热塑性的石板。欧洲建筑功能需要更多的工作,以更好地了解欧洲共同体的煽动者的危险。
最近的建筑规范变化的讨论在美国,它已经表明,通过增加甲板板的间距,可以减轻点火的木头装饰组件从风力煽动者淋浴。实验系列进行不同板间距从0毫米(无缺口),5毫米,10毫米,以确定是否有可能全面观察点火倾向降低木材装饰组件安装在一个可重入的角落墙上大会Manzello和铃木2019)。在这些实验中,使用了三种常见的木材和煽动淋浴针对墙/装饰组件使用8米/秒的风速生成使用realistic-scale风洞。基于这些实验的结果,观察到板间距显著影响点火倾向这些程序集。点火事件观察所有板间距考虑,特别是更多的点火点观察10毫米的板间距。类似的方法被带到甲板使用火把发电机装配性能研究商业和家庭安全保险协会(美国Hedayati et al ., 2022)。
全面实验,使用火把发电机被用来研究漏洞的房屋煽动淋浴在一段时间内(Manzello et al ., 2020上面提到的),包括更多的最近的研究。而有趣的是进行全面的实验,这是非常昂贵的,不实用,所以正在努力想出更便宜烟气传播实验提供更深入的科学理解煽动淋浴点火的建筑组件。特别是,击剑总成、屋顶组件和覆盖物床也研究了小型煽动发生器,比较大规模的实验结果(铃木和Manzello 2019 b;铃木和Manzello, 2022 d)。开发方法与实验台煽动发生器显示了一个未来的道路提供标准的测试方法。作为这个过程的一部分,ISO目前发展中ISO标准煽动发生器(ISO 2022 b)。
失踪的研究点火之一火把是火把和辐射热的综合效应。这可能成为著名的短程煽动者发现。一个新的实验设置了调查煽动淋浴和辐射热的综合效应(铃木和Manzello, 2021)。6米/秒以下实验和8米/秒,具有不同辐射热源的加热。研究表明,辐射热确实有影响点火的火把,特别是6米/秒以下,缩短点火的时候。发现总热量之和收到火把在燃料床和热是恒定的。后续研究不同大小和质量的火把证实这些发现(铃木和Manzello, 2022 e)。
抑制煽动淋浴
煽动淋浴的抑制可能是最新的研究领域,在这个狂热的舞台。在克莱姆森大学在美国工作,开发出相应的分析模型,计算inter-particle碰撞的概率在两个交叉流的粒子,并被应用于一系列测试用例涉及火把和水滴(绿色和凯,2019年)。这个简化的结果分析表明水喷雾能有效地保护建筑物不受“煽动攻击”这种方式,但只有当:我)大水流率使用的顺序(1 L s−1每米的建筑周边保护),或(二)喷雾是由非常小的(∼0.1毫米)滴在温和的水流速(0.1∼L s−1米−1)。水的数量很可能需要满足1)不会在很多情况下,可用,需要进一步调查以确定是否∼0.1毫米的喷雾液滴可以有效经营条件的野火。根据作者的观点,分析了将是一个合适的基础进一步调查这些喷雾系统,以及与其他类型的定量比较野火喷水灭火系统。
在中国香港理工大学工作,火把是由干燥的木头球直径20毫米和2.9克的重量,进行火焰热释放率为250 W (熊et al ., 2021)。火把是由一个钟摆系统调整速度。结果表明,有一个最低声压火把的火焰扑灭,这声音频率略有增加。随着煽动速度的增加从0 m / s, 4.2 m / s,灭绝的最低声压明显减少114分贝至90分贝。激进运动的累积效应和声学振荡被发现促进火焰灭绝。丹姆克尔特征数量(∼1),与燃料的停留时间比火焰的化学,是用来量化的灭绝极限燃烧的火把。研究者称,这项工作提供了一个潜在的技术解决方案来减轻危害的火把的火焰和发现点火WUI并帮助理解的影响声波在固体燃料火焰稳定。
挑战
有许多未解决的问题与煽动过程在大型户外火灾。即使在光有趣的最近的研究回顾,在列出的需要Manzello et al ., 2018和Manzello et al ., 2020,今天仍然适用。
其中,一般,基本理解还需要煽动一代从燃烧的建筑物,其他人造燃料和植被。有现有的研究,将来可以帮助理解尽管研究不是集中在火把。特别是,一些与工作相关的结构性变化,木材热载荷作用下的开裂和收缩可能适用于理解煽动的一代。根据木材品种、热辐射和环境压力,木头可能不同的裂缝和收缩(李et al ., 2021)。在燃烧木质材料在建筑材料可能经过干燥、开裂、收缩,和现在的风或浮力部队将打破圣母燃料,产生火把。
缺少基本的认识煽动一代,造型煽动一代仍然也是一个挑战。下班后与植被巴尔和Ezekoye 2013,没有真正的进步造型代的火把。当前的焦点是有限的,更多的源项模型的目的。这是一个有点危险的方法没有足够的数据和现象本身的深刻理解。煽动一代的植被,它已经表明,生成过程和生成的火把在风力极大地不同于那些在没有风。
整体缺乏理解不代表实际的现象也会导致实验也提前了解煽动的一代。需要仔细的实验和详细观察理解物理煽动一代,目前有限的。
煽动通量的测量或测量的温度/尺寸的火把,一直是一个主题感兴趣的很长一段时间。从实际火灾这些测量仍然是难以捉摸的。现有技术已应用于测量这些信息到目前为止,非常有限的成功,从规定的火灾。作为未来的工作的一部分,应该细化现有技术进行更准确的测量(研究目的)或者考虑用更简单的方法来取代这些方法可以应用在这个领域,在实际火灾。工作开始发展快速反应的概念工具部署在实际火灾;这些靠近应该重读了(Manzello et al ., 2010)。
温度测量生成的火把将是可取的,因为这也是一个长,最近讨论“热”和“冷”火把。虽然有可能,火把燃烧可能不是他们存款在地上的时候,这个问题需要理解为什么这甚至重要的尚不清楚。表示,研究试图量化热或冷火把做在任何控制风或在规定的火灾,而永远无法复制实际火灾,由于安全原因。
而煽动运输过程已经研究了几十年,沉积过程主要是解决。从风险评估的角度来看,重要的是要理解,火把土地,最终积累,这导致点火。没有正确地将燃烧的火把纳入造型,运输和沉积,最终积累火把不能正确建立。一旦火把存款,表面之间的摩擦力和火把成为另一个问题,以及如何煽动表面局部风可能需要考虑。
另一个巨大的挑战是开发一个全面的点火理论,以更好地了解煽动点火过程。一些最近的研究已开始在这个方向,但类似于煽动一代的话题,还有仍然有限的实验数据基本煽动点火的结果。
所示图7,9,图10一代,许多参数影响火种,运输和点火过程。风显然扮演一个重要的角色,因为许多火把与强风中观察到真正的火灾。然而,除了风,它是未知的其他关键参数影响这些过程。
面积巨大的谨慎是最近的趋势利用机器学习技术来更好地理解大型户外火过程(Jain et al ., 2020)。特别是,煽动过程,仍然有数据集太少容易应用这些方法。最近的评论表明,出版物的数量在这一领域是爆炸,但作者也表明的方法是脆弱的荒地火灾的许多方面,由于整体缺乏可靠的数据(Jain et al ., 2020)。
审查结束是最需要的:机械工程师是必要的。火灾安全科学仍然是一个相对深奥的话题,没有拥抱的工程学科。机械工程是一个广泛的学科,传统上分为分支学科。特别是,热科学分支机械工程领域可能最好的学生参加消防安全科学研究和解决大型户外消防问题。热科学广泛关注的基本传热传质、热力学、流体力学、燃烧。
的煽动者的问题,很明显,这些学科都是直接适用。特别是,燃烧科学是一个已经成熟的广泛的多年的研究。现在,世界似乎远离内燃发动机(安吉Krukowska, 2022;Rott 2022),相信消防安全科学是一个新的领域,传统的机械工程原理,如燃烧科学可能应用,获得改进的煽动者的理解过程。
总结
与气候变化的风险增加,这些大型户外火灾灾难只会变得越来越平凡的世界各地。它是作者的意见,有针对性,需要多学科的方法解决大型户外消防问题。看看全球工程部门,几乎从不是大型户外消防工程社区参与的问题。问题的一部分是,工程,尤其是机械工程部门,不关注消防安全。如上所述,大型户外消防问题是新兴市场和越来越复杂,认为这个话题是一个迷人的和具有挑战性的研究领域,工程师有必要的技能和培训的影响这一问题影响成千上万的世界各地的人们。介绍了火把为非专业读者和最近的文献回顾。讨论了一些挑战,尤其是区域工程师可能有助于推动针在这个全球重要的话题。
作者的贡献
SM概念化,写作初稿;党卫军概念化、写作初稿。
确认
作者非常感谢盛情邀请准备这个论文为新系列视野机械工程,正如《华尔街日报》的一部分雷竞技rebat在机械工程领域。作者还要感谢大卫•Blunck jean - louis Consalvi,迈克尔劳工" Heydayati,黄苑,奈杰尔•凯Brian Lattimer Ya-Ting辽、Khalid Moinuddin Paul-Antoine Santoni,杰森Sharples,分享他们的最近的研究,所以,这些可能包括综述。作者非常感谢两个评论者的努力提高稿件的质量。
的利益冲突
SM是受雇于公司Reax工程公司。
其余作者宣称,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
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关键词:气候、大型户外火灾、火把、机械工程、燃烧
引用:Manzello SL和铃木年代(2023年)世界是燃烧的:究竟什么是火把,为什么有人在乎吗?。前面。动力机械。英格8:1072214。doi: 10.3389 / fmech.2022.1072214
收到:2022年10月17日;接受:2022年11月3日;
发表:2023年1月04。
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