最近发生的四川木里山火,因消防队员伤亡众多而得到广泛的报道。在通读所有关于火场的描述之后,“爆燃”一词凸显了出来。这里,我来介绍一下“爆燃”发生的几种火灾动力学原因。
爆燃是什么意思?严格说来,爆燃就是快速燃烧(deflagration),但又达不到爆炸(detonation)的水平,是一种低速发生的烟气爆炸(smoke explosion)现象。不过,相对于固体燃料的点火过程,又是非常快速了。
关于爆燃的成因,消防理论上有很多的解释,比如室内火灾的轰然现象、(地下室)室内火灾的爆燃现象、(高层建筑)室内火灾的吹炬效应等,大多与室内火灾中天花板附近热羽流的非线性反馈有关。
所谓非线性,指热羽流向下的热通量主要靠辐射换热方式,强度是温度的4次方,因此上层温度变化一点,下面的热通量急剧增加。而热通量对固体燃料的作用是产生可燃气体(被称为热解过程,Pyrolysis),热通量增加意味着火场可燃气体的生成量快速增加了。
《唐诗三百首》中有一首《题壁诗》:“一团茅草乱蓬蓬,蓦地烧天蓦地空。争似满炉煨榾柮,漫腾腾地暖烘烘。”前两句说的是“爆燃”,后两句说的是普通固体燃料常见点火过程。从二者对比,我们可以理解爆燃的突发性和全面性特征,与凉山木里大火的火行为存在很大的相似性。
然而,此次爆燃发生在开放空间,能够让消防队员无知无觉,显然不能用室内火灾的模型来套用,这里我找到四种室外火灾的蔓延模式,或许帮助大家理解火场的艰巨性和火灾动力学的重要性。需要说明的是,木里山火发生爆燃,在正式的调查报告公布之前,作为专业工作者我只能提供一些非正式的参考解释,请以调查报告为准。
一、大兴安岭大火模式。
大兴安岭大火,人们记住的是这样一幅画面:由于“火携燃现象”(Brand Lofting),大量的未燃尽燃料在空中飞舞,高温云层漂浮在未燃林区的上方。如此形成的能量反馈机制,导致了未燃林区的加热和热解过程,释放出的可燃物质,在条件合适时,被突然点燃(或称气相爆炸现象)。
这种由于热解过程导致大量可燃气体,发生的快速燃烧现象,如果发生在室内,被称作轰燃现象(Flashover),如果发生在室外,被称作爆燃(deflagration),是高温云层造成的,是大兴安岭大火中发生跳跃式火场蔓延的重要因素。
二、加州山火的焚风模式。其次,是加州山火的焚风模式。
某些专家动不动列举美国加州“天堂镇”的山火为例,说明国内山火和动员的相似性,这样做是不妥的,他们不了解美国加州山火蔓延的特殊模式。焚风,是一种大气现象,通常空气是暖湿或者冷干的,如果由于某种地形或气象条件导致了大气流动是又暖又干燥,对下面燃料的干燥作用和蔓延效果不可忽视了。
在学术上,这又被称作是Foehn(来自德语)Winds,产生条件是大团高压空气以160公里/小时的速度溢出山脉,伴随着温暖干燥的山风向低压区下降的过程带来的由压力梯度引起气流,经常会导致火灾的发生。
三、道孚大火模式。才过去几年,忙忙碌碌的人们已经忘掉了道孚大火的悲剧,消防工作者没有。道孚大火是一场典型的因为地形条件的特殊性导致的重大灾情,在火灾动力学有重要的地位。
我们把它称作是壕沟效应(trench effect),其地形特征是一条倾斜的沟槽,有利于引导热烟气的流动,在流动过程对环境燃料进行预热和热解,然后形成爆发性的燃烧。这也是一种燃爆现象,是流体领域的Coandă效应(空气动力学中流体遇到坡面发生的吸附现象,主要用于飞机的机翼设计)与火灾领域的轰燃概念(充分预热热解后发生的爆发性燃烧现象)的耦合。
四、阴燃转明焰模式。
上述的蔓延模式,分别有高温云气(大兴安岭大火)、气象温风(加州山火)和斜坡地形(道孚大火)的贡献,因此比较容易被察觉。然而,此次关于山火的很多报道或分析却没有提到这些标志性特征(Signature),相反,人们提到更多的是“地面植被和林下可燃物因长期堆积后发生氧化分解(也就是我们常说的阴燃现象),产生大量的挥发性可燃气体,同时与腐烂的固体可燃物混合后”,在突发大风的作用下发生的爆发性燃烧现象。
也就是说,这是常见的阴燃转明焰的典型燃烧过程,因为气流的失稳而出现了爆发性的增长燃烧。这些地表杂质被称作达菲(Duffy,在土壤表面堆积的部分腐烂的有机质),其消耗分解的过程主要是通过阴燃进行,阴燃产生加热持续时间长许多倍,加热强度大,可以达到致死的表面温度。阴燃的较长持续时间和对森林地表传递的较高热流通量,是导致火场植物死亡的重要因素。