离散燃料阵列倾角对向下火焰蔓延行为的影响机制研究

　　本研究针对离散燃料阵列在倾斜条件下的向下火焰蔓延行为展开实验探究，通过调控阵列列数（n=1-11）和倾角（θ=15°-90°），系统测量火焰厚度、长度、附着长度、蔓延速率及质量损失率等关键参数。研究发现：较大倾角（θ≥75°）下火焰贴附板面导致空气卷吸受限，质量损失率降低；火焰几何特征与燃烧区纵横比及热释放率（HRR）呈线性或幂律关系；蔓延速率随倾角呈先降后升趋势并建立预测模型。该研究填补了大倾角（45°-90°）下离散燃料向下蔓延机制的空白，为野外及城市火灾防控提供理论依据。

　　

在野外和城市火灾场景中，灌木、树木等可燃物常以离散形式分布，其非连续排列特性可能加剧火灾风险。尽管前人已对连续燃料床的火焰蔓延开展研究，但离散燃料阵列在倾斜条件下的向下蔓延机制仍存在显著知识缺口——特别是大倾角（45°-90°）范围的数据匮乏，且列数效应的影响尚未阐明。这一认知短板直接制约了复杂地形火灾预测模型的精度。

为解决上述问题，研究人员以5 mm×5 mm×70 mm桦木方棒构建离散阵列，设计六种列数（n=1-11，步长2）和六种倾角（θ=15°-90°，步长15°）的实验组合。通过高速摄像和电子天平同步采集火焰几何参数与质量变化数据，结合无量纲分析揭示了倾角对向下蔓延的调控机制。

实验设计
采用预干燥桦木方棒（密度627 kg/m³
）固定于穿孔板，通过线性点火器引燃首排燃料。通过调整支撑架角度实现0°-90°倾角控制，使用热电偶监测燃烧区温度分布，图像处理技术量化火焰形态参数。

物理观察
单排阵列火焰呈现有限距离蔓延后自熄现象，而多排阵列可实现持续传播。倾角≥75°时火焰明显贴附板面，形成"遮蔽效应"。火焰几何演化呈现三阶段特征：初始发展阶段（θ≤30°）、过渡阶段（30°<>

质量损失率(MLR)
θ≤60°时MLR保持稳定（约0.12 g/s），而θ≥75°后显著下降至0.08 g/s。多列阵列因同步燃烧燃料增加，MLR随n呈线性增长（R²

0.95）。理论分析表明MLR与燃烧区体积分数（φ）满足MLR∝φ^1.5
。

火焰几何特征
火焰厚度（δ_f
）与燃烧区纵横比（H/W）呈线性关系δ_f
=0.25(H/W)+1.1。无量纲火焰长度（L_f

）和附着长度（L_a

）均与修正热释放率（Q
）存在幂律关系：L_f

=0.18Q^1.2
，L_a

=0.32Q^*0.8
。

火焰蔓延速率
发现独特的"V型"变化规律：θ从15°增至45°时，蔓延速率由3.2 mm/s降至2.1 mm/s；θ>45°后反转上升，90°时达3.8 mm/s。建立预测模型V=0.75(sinθ)^0.6
+1.2(cosθ)^1.2
，与实验数据吻合良好（误差<15%）。

该研究首次系统阐明了离散燃料阵列在大倾角条件下的向下蔓延动力学机制：

1. 临界倾角（75°）是火焰行为转变的关键阈值，超过该值后空气卷吸受限导致燃烧效率下降；
2. 火焰几何参数可通过燃烧区特征尺度与热释放率实现定量预测；
3. 建立的蔓延速率模型突破了传统连续燃料理论的适用局限。

这些发现不仅完善了火灾科学理论体系，更为山地林火蔓延预测、高层建筑外墙防火设计等实际应用提供了重要参数化工具。后续研究可结合计算流体力学（CFD）模拟进一步揭示三维流场-火焰耦合机制。