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轻烟飘处藏玉颜 -- 说说失火过程的传热原理
和李商隐的名句“蓝田日暖玉生烟”相对的,是我国古代的传说(也可以说是找矿常识)“轻烟飘处藏玉颜”,两者的共同特征是玉可以生烟,前者需要“蓝田日暖”,后者需要“晴天日出”,都强调了能量的来源是太阳,也就是,太阳的辐射造成了这种烟气流动现象,之所以是“轻”,那是因为浮力差,给人的感觉是轻柔的。有很多人感到不解,为什么玉石会生烟呢?这需要一点消防理论来解释,包括点火的传热过程,羽流的失稳过程和火检的光学检测。只有这三种火灾动力学理论合并起来,才可以解释“日暖生烟”的过程,这里分析一下第一过程,可以更好地认识点火理论。
火灾动力学理论中,有一个热薄型材料和热厚型材料的观念。纸张和衣物是热薄型的,所以升温快,点火迅速。厚木材和大部分固体燃料是热厚型的,需要预热,传热过程相当缓慢,所以是热厚型的。那么,我们如何来判断热厚型和热薄型燃料的区别呢?通常有一个无量纲数比奥数来表达。毕奥数的定义是,外部传热系数乘以厚度,除以内部导热系数,即毕奥数。对于玉石和土壤,两者的外部传热系数是差不多的,假设厚度也差不多,那么导热系数决定了该材料是靠近热厚型呢还是热薄型。通常水(代表土壤,含水砂石的导热系数要靠近石英,但不到石英的数量)的导热系数是0.68 kW/mK,而距离玉石较近的石英的导热系数是3 kW/mK,所以玉石的毕奥数比土壤的毕奥数小,所以玉石比土壤更像热薄型材料,受热升温更快,这是传热学常识。那么,为什么摸上去玉石更凉爽呢?那是瞬态传热问题,导热系数大的材料散热快。可是一旦温度升上去了,其内部传热效率高,所以升温也快,这是通俗的说法。上述说法出自2004年出版的《Handbook of Building Materials for Fire Protection》(第1.29页),网上可以找到原文,作者是教我火灾模型课的教授。
那么,如果不计内部导热性,我们如何来判断玉石和土壤的温度差异呢?可以用控制体积分的办法。假如有两块无限大,厚度为L的材料(玉石和土壤),一面有一定的辐射强度,另一面绝热,我们看它们到达一定温差的时间是多少。
上述分析,是基于表面换热强度相似情况下的解,真实的土壤含有水分,由于土壤的毛细作用,其水分供给几乎是源源不绝的。所以,真实的土壤表面的传质损失比较大,而玉石表面没有这种传质现象,所以对于玉石来说,其有效利用太阳能的能力
,要大于土壤,虽然土壤的黑度大一点,吸收的太阳能可能更多一点,可是多吸收的,也多散发了,其整体的升温速度,不如玉石。
所以,在晴天日照顺利的情况下,玉石表面的升温速度更快一点,温度更高一点,发生相当的羽流是有可能的。如果您生活在铁路附近,有过夏日走铁轨的经验,其中的羽流现象,观察极为明显。某些绿化不好的公路,缺乏树木的保护,也会发生过热现象,产生一定的温致羽流(还有一种浓度差产生的羽流,这里不计)是可能的。那么,如果没有温差,会不会产生羽流呢?某些沙漠地带,土壤与道路的温度差不多,都缺乏水分的冷却,会产生更大规模的羽流,只不过这种微量温差造成的羽流需要在远处观察,近处看不到,这就是另外的话题,羽流的失稳和羽流的火检了。
上述分析,如果扩大规模,就是城市的温室/热岛效应。由于城市地表的散热效果差,所以升温快。虽然阳光是相同的,但郊外为什么没有城市升温那么快呢?难道都是尾气造成的么?也有地表覆盖物导热能力和蓄热能力的贡献,以及水分散热的贡献。
上述的理论应用在着火理论上,就是“风干物燥,小心火烛”的理论依据了。通常调节木材蓄热能力(密度和比热)的主要成分是水(即湿度),如果风干物燥,那么蓄热能力降低,导致表面升温加速,达到点火温度的时间缩短,就需要防止“火烛”的危险了。正常情况下,可以从容扑灭的火灾,在风干物燥的情况下,往往容易失控。容易麻痹的,是人的意识,不会撒谎的,是着火理论中的传热过程。面对气候变化造成的“风干物燥”,我们怎能不当心呢?
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