全 文 ：第 v{卷 第 t期
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林 业 科 学
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一种新型森林灭火技术原理的试验探索 3
常熹钰 周勇为 张 艳
k国防科技大学航天与材料工程学院 长沙 wtsszvl
关键词 } 激波 o森林火灾 o防火技术
收稿日期 }usss2 2 ∀
基金项目 }国家自然科学基金资助 o项目编号 v|zzsyuvs ∀
3 本文得到中南林学院文定元教授 !邓湘雯老师等人的帮助和指导 o且提供野外实验的条件 o在此深表谢意 ∀
tl 常熹钰等 q激波从管道中喷出和在林带中传播 o第八届全国激波与激波管会论文集 ot||{ oyt ∗ yy
ΕΞΠΕΡΙΜΕΝΤΑΛ ΣΤΥ∆Ψ Οφ Α ΝΕ Ω ΤΕΧΗΝΙΘΥΕ ΑΒΟΥΤ ΦΙΓΗΤΙΝΓ ΦΟΡΕΣΤ ΦΙΡΕ
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Κεψ ωορδσ} ƒ¬ª«·¬±ª©¬µ¨ o≥«²¦® • ¤√¨ oƒ²µ¨¶·©¬µ¨
当前 o国际上森林火灾防治技术的研究 o仍十分重视水和化学药剂方法的不断完善 o并十分强调其
空中运载工具的改进 o提高机动性与快速反应能力 ∀然而森林火灾经常发生在人员和物质难以抵达的
地区 o林火阵面随风速 !地形 !林种 !地貌等许多因素不断变化 ∀因此 o目前一方面还只能在完善传统方
法的基础上 o综合运用多种灭火技术 o互相配合到达最好的灭火效果 ~另一方面 o更需要探索新的概念 o
大力发展新的高效的灭火技术 ∀
在探索新型的森林灭火技术中 o激波与林火的作用值得关注 ∀激波与林火阵面的作用 o将发生一系
列复杂的物理 !化学过程 }激波k爆炸波l的高压阵面以及相随的负压 o将撕落并清除树林中的细枝 !枯叶
等森林可燃物质 ~在林火阵面地带 o强度足够的激波能够使高温热解作用产生的可燃气体组分与氧充分
混合而产生爆燃 ∀这些过程从清除森林可燃物质 !瞬时烧尽可燃气体等方面对森林火灾形成有效的控
制 ∀本项目研究 o即是以实验研究结合理论分析的方法 o理解和分析激波与林火作用产生的复杂过程 o
找出抑制森林火灾的基本因素和机制 o探索激波猝灭林火的原理 o以期形成一种新的灭火技术 ∀迄今为
止 o相关研究在国际上还很少开展 o近年 o俄罗斯托木斯克大学进行了初步探索性的工作 o确认了即使在
燃烧很充分的条件下 o激波的冲击也能使林冠火猝灭kŠµ¬¶«ot||xl ∀项目前期工作主要是研究激波在大
气 !林带中传播的物理过程 o激波与树和林带作用产生的力学现象及压力场等tl ∀本文所报告的 o是激
波与火焰场作用的实验研究 o给出主要结果和分析 ∀
1 实验装置与模拟方法
实验装置由激波管 !纹影照相系统 !压力场测量系统和火焰猝灭测量系统组成k图 tl ∀
激波管由不锈钢管制造 o内径 uw °° o高压段长 s qy ° o低压段端部开口 o长 t q{ °∀高压段由高空气
瓶供气 o膜片用聚酯薄膜 o单层破膜压力为 s1ytz °¤o双层为 t1tux °¤∀激波产生的过压波形 o由压电
传感器 ×t ∗ ×v 感受 o经电荷放大器 o由多通道瞬态记录仪或二线记忆示波器记录并显示 ∀ ×t o×u 相距
图 t 实验装置与系统
ƒ¬ªqt ∞¬³µ¬°¨ ±·¤¯ „³³¤µ¤·∏¶¨¶

s1w ° o×u 距激波管出口 s qsw °∀激波到达 ×u 时 o由 ×u 传感器触发脉冲触发器 o启动火花光源 o进行纹
影照相 o获得激波运动过程及与林带及火焰场相作用的照片 ∀纹影仪视场直径 uss °° o球面镜焦距 u qx
° o触发延时最小时间间隔 x Λ¶∀
ƒt 是一只火焰传感器 o用来感测火焰信号 o与传感器 ×v 的距离 ∆可根据不同实验情况调整 o以判
断火焰在激波作用下的前移距离与猝灭时刻 ∀除了高压空气产生运动激波外 o也在紧靠膜片下游启爆
少许火药模拟爆炸激波的传播 o获得两种情况下运动激波与火焰场作用的纹影照片及部分数据 ∀
火焰场与激波管的位置见图 t ∀火焰场由多只蜡烛排列组成 o间距 v qu ¦° o距激波管口 z qs ¦°∀此
外 o还进行了激波与单焰相作用的实验研究 o一般条件下单焰置于视场中心 ∀
2 结果与分析
u qt 激波在管内的传播 图 u为激波管低压段传感器 ×t o×u 的压力波形 o根据两个波形起点的时间
差 o可以算出激波速度 ∀对于图 u¤oΠw € s1ytz °¤o激波速度 ϖ¶ € xss °#¶pt o由当时的实验室环境温度
Τ€ us ε o相应的激波马赫数 Μ¶ € t qwy ∀对于图 u¥oΠw € t1tux °¤oϖ¶ € xx| °#¶pt oΜ¶ € t qyv ∀根据低
激波马赫数条件下 o简单激波管理论可以准确预计压力阶跃 o由传感器 ×t 的压力平台的电压值 o可知 ×t

上线 „¥²√¨ ·µ¤±¦¨ ) ×t 下线 …¨ ²¯º·µ¤±¦¨ ) ×u
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¦火药驱动 Œª±¬·¨§¥¼ ³²º§¨µk°Υxqxªl
图 u 激波在管内传播
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|yt 第 t期 常熹钰等 }一种新型森林灭火技术原理的试验探索
传感器的校准系数 o经多次试验整理 Κ€ s qsx{yk°¤#∂ p tl ∀以后的林地压力场和火焰场测压时 o多次
用 ×t 传感器布置在 ×v 和其它位置 ∀图 u¦是火焰驱动产生的压力波形 o它具有明显的负压特性 o超压
值 s qvsx °¤∀激波速度 ϖ¶ € w|w °#¶pt oΜ¶ € t qww ∀
u qu 激波的扫掠过程 图 v为激波从管口喷出并在平地 !林带和火焰场传播的一组照片 o激波到达 ×u
为零时刻 ∀图 v¤为激波从管口喷出的情形 o可以明显看到主激波 ou次激波和涡环等主要流动结构 ∀
我们分析了 u次激波由 u侧绕射激波合拢的形成过程 o图 v¤还可看到 u次激波刚刚合拢的初期形态 ∀
激波掠过平地和林带有基本相同的形态 o图 v¥和 v§能清晰地看到反射激波和马赫杆 o树冠下面的激波
还基本保持与林地相同的形状 ∀由于林带的模拟相对简单 o不够稠密 o也没有模拟林中冠木 o林带对激
波的减速作用不明显 o但压力场的测量表明林带具有明显的削弱超压的作用k文献见本篇首页脚注l ∀
每次实验之后 o林带中心一列的树均被击到 o火焰均被猝灭 o由于这两个过程都要耗费时间 o在激波到达
时刻k拍摄时刻l还未发生 ∀
¤平地 Šµ²∏±§oτ € ussΛ¶ ¥平地 Šµ²∏±§oτ € vssΛ¶ ¦林带 ƒ²µ¨¶·¥¨ ·¯oτ € ussΛ¶
§林带 ƒ²µ¨¶·¥¨ ·¯oτ € wxsΛ¶ ¨火焰场 ƒ¯ ¤°¨©¬¨ §¯oτ € tssΛ¶ ©火焰场 ƒ¯ ¤°¨©¬¨ §¯oτ € vxsΛ¶
图 v 激波在平地 !林带和火焰场的扫掠过程
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u qv 激波与火焰的作用 图 w为单只蜡烛火焰的纹影照片 o光刀由右向左切割 o影相清晰地反映了火
焰密度场 ∀由于火焰中心温度高 o密度低 ~两侧为大气 o温度低 o密度高 o因而火焰由中心往火焰两侧 o垂
直刀口方向密度增加 o构成梯度 ∀根据光线往密度增加方向偏折的原理以及光刀的遮挡效果 o照片呈十
分鲜明的黑白/条带0特征 ∀本次实验中 o在纹影仪光源上作了特殊处理 o蜡烛底部的半圆亮k暗l斑为火
焰的实际影象 ∀图 x为激波往单焰推进 o尚未到达火焰的情形 ∀激波由火药启爆产生 o管内速度 ϖ¶ €
w|w °#¶pt o可以看到主激波 ou次激波 o以及从管口喷出的涡环 o仔细观察还可以看到主激波与地面作用
的反射 ∀火焰未受激波的影响 ∀
图 y为一组激波与火焰作用的纹影照片 o激波由空气驱动 oΠw € s qytz °¤∀图 y¤oy¥是激波与火
焰相遇的情形 o根据激波扫掠速度估计k文献见本篇首页脚注l o图 y¥的激波位置稍靠前约 ts °°∀从
图可见 o两者有大致相同的纹影图象 o烛焰的左部仍维持条带形密度分布特征 o右部则受到激波的作用 o
密度场已十分混乱 o半圆形实像火焰依然存在 o火焰未被猝灭 ∀图 y¦和 y§为激波掠过火焰后的烛焰纹
影 o在纹影照相时刻火焰未熄灭 ∀根据激波传播速度估计 o图 y¦大约是在激波过后 uvs Λ¶oy §为 u{s
Λ¶∀激波过后 o火焰虽受到扰动 o但仍一段时间维持原来的基本形态 ∀图 y¨为激波扫掠火焰阵列的纹
szt 林 业 科 学 v{卷
影照片 o
图 w 单焰纹影
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图 x 激波往火焰推进k纹影l oτ € wssΛ¶
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图 y 激波与火焰作用的纹影图
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可以看到在激波/撞击0下火焰所经历的过程 }首先是在波头作用下火焰变弯k„焰l o接着在激波的撞击
下焰面强烈变形k…焰l o最后火焰被拉断k≤ 焰l ∀对照图 y ¦和 y ¥o似乎火焰被拉断后 o还能恢复原来
形态 ∀这就说明单纯的激波作用k过压阵面和负压l o不能使火焰直接猝灭 o火焰猝灭的直接因素可能
是 }≠激波后的瞬时动压 o激波的扰动使火焰失去稳定燃烧的条件 ∀
u qw 火焰猝灭时刻 图 z是火焰猝灭时刻的测量结果 ∀图中上线为火焰传感器信号 o低电平是火焰存
在 o高电平表示火焰熄灭 ∀下线为压电传感器信号 o信号跃起的起点是激波到达时刻 ∀从图 z¤oz¥可
见 o火焰在激波到达后一段时间k ϖ τl才熄灭 o对于图 z ¤oϖ τ € s qxt °¶o对于图 z¥oϖ τ € s qzw °¶∀上述
结果说明强激波作用下火焰维持时间比弱激波长 o一种解释是强激波使火焰前传的距离长一些 ∀激波
使火焰前传的事实可以从图 y ¨的纹影照片看到 o图 z¦是一张火焰传感器往下游移动 t| °° o并加光阱
的实测结果 o说明火焰的前传距离不小于 t| °°∀
tzt 第 t期 常熹钰等 }一种新型森林灭火技术原理的试验探索
¤ Πw € s1ytz°¤ ¥ Πw € t1tux°¤ Πw €s1ytz°¤o∆ €t|°°o加光阑 ˜¶¬±ª ¬¯ª«··µ¤³
图 z 火焰猝灭信号与压力波形
ƒ¬ªqz ƒ¯ ¤°¨ ∞¬·¬±¦·≥¬ª±¤¯ ¤±§³µ¨¶¶∏µ¨ º¤√¨

u qx 激波阵面空气动压的影响 冲击波阵面各种参数都与波阵面超压有关 o超压可由实测压力波形和
传感器的校准系数 Κ€ s qsx{y估算 ∀波阵面的有关参数是k测点离管口 | qx °°l }
Πw € s qytz°¤ t1tux°¤
超压k°¤l s1ux s1vux
激波阵面速度k°#¶ptl ysu yyu
阵面空气质点速度k°#¶ptl vwu wsx
阵面空气密度k®ª#°ptl u q|s w qxu
阵面空气温度kŽl www w{w
阵面空气动压k°¤l s qtzs s qvzt
分析上述数据 o激波导致的空气温度升高和极高的瞬时动压值得注意 ∀前者是在大气常温条件下
计算的 o在森林已经燃烧火场空气灼热的条件下 o其温升有可能使林火热分解的可燃气体产生爆燃而迅
速烧尽 ∀后者比风力灭火机高很多 o大约是当前高性能风力灭火机的 vs倍 o如此强大的瞬时动压 o有可
能足够将可燃物击散并吹离火线 o是林火猝灭 o抑制火势蔓延的直接原因 ∀
3 结 论
实验研究提供了激波与火焰作用的纹影图象 ∀结果表明 o在激波作用下 o火焰被冲击前移经历了弯
曲 !拉断 !恢复 !猝灭的基本过程 ∀猝灭发生在激波到达之后的某个时刻 o其滞后时间与激波强度有关 ∀
激波扫掠过程中的极高的瞬时动压是林火猝灭的重要原因 o离管口 | qx¦°的动压值高达 s1tzs
°¤o是风力灭火机的约 vs倍 ∀
激波的作用使空气温度升高 o在火场条件下 o有可能使周围林火热解产生的可燃气体组分到达闪
点 ∀同时 o激波的扰动促进可燃气体组分与空气充分参混 o使其发生爆燃 o瞬时烧尽可燃气体气体而抑
制林火的发展 ∀
实验表明 o激波猝灭林火的效果是明确的 o进行野外实验和形成消防灭火装备 o是课题研究下一步
要做的工作 ∀
参 考 文 献
常熹钰 o易仕和 o罗俊荣等 q激波与森林作用的实验研究 q火灾科学 ot||| o{kul }xy ∗ yu
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