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圖片來自pixabay.com

撰文 | 麻庭光（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)安全工程系講師）

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最近發(fā)生的四川木里山火，因消防隊員傷亡眾多而得到廣泛的報道。在通讀所有關(guān)于火場的描述之后，“爆燃”一詞凸顯了出來。這里，我來介紹一下“爆燃”發(fā)生的幾種火災(zāi)動力學(xué)原因。

爆燃是什么意思？

嚴(yán)格說來，爆燃就是快速燃燒（deflagration），但又達(dá)不到爆炸（detonation）的水平，是一種低速發(fā)生的煙氣爆炸（smoke explosion）現(xiàn)象。不過，相對于固體燃料的點(diǎn)火過程，又是非常快速了。

關(guān)于爆燃的成因，消防理論上有很多的解釋，比如室內(nèi)火災(zāi)的轟然現(xiàn)象、（地下室）室內(nèi)火災(zāi)的爆燃現(xiàn)象、（高層建筑）室內(nèi)火災(zāi)的吹炬效應(yīng)等，大多與室內(nèi)火災(zāi)中天花板附近熱羽流的非線性反饋有關(guān)。

《唐詩三百首》中有一首《題壁詩》：“一團(tuán)茅草亂蓬蓬，驀地?zé)祢嚨乜铡幩茲M爐煨榾柮，漫騰騰地暖烘烘?！鼻皟删湔f的是“爆燃”，后兩句說的是普通固體燃料常見點(diǎn)火過程。從二者對比，我們可以理解爆燃的突發(fā)性和全面性特征，與涼山木里大火的火行為存在很大的相似性。

然而，此次爆燃發(fā)生在開放空間，能夠讓消防隊員無知無覺，顯然不能用室內(nèi)火災(zāi)的模型來套用，這里我找到四種室外火災(zāi)的蔓延模式，或許幫助大家理解火場的艱巨性和火災(zāi)動力學(xué)的重要性。

需要說明的是，木里山火發(fā)生爆燃，在正式的調(diào)查報告公布之前，作為專業(yè)工作者我只能提供一些非正式的參考解釋，請以調(diào)查報告為準(zhǔn)。

大興安嶺大火，人們記住的是這樣一幅畫面：由于“火攜燃現(xiàn)象”（Brand Lofting），大量的未燃盡燃料在空中飛舞，高溫云層漂浮在未燃林區(qū)的上方。

如此形成的能量反饋機(jī)制，導(dǎo)致了未燃林區(qū)的加熱和熱解過程，釋放出的可燃物質(zhì)，在條件合適時，被突然點(diǎn)燃（或稱氣相爆炸現(xiàn)象）。這種由于熱解過程導(dǎo)致大量可燃?xì)怏w，發(fā)生的快速燃燒現(xiàn)象，如果發(fā)生在室內(nèi)，被稱作轟燃現(xiàn)象（Flashover），如果發(fā)生在室外，被稱作爆燃（deflagration），是高溫云層造成的，是大興安嶺大火中發(fā)生跳躍式火場蔓延的重要因素。

圖1. 大興安嶺大火中的典型蔓延模式

其次，是加州山火的焚風(fēng)模式。某些專家動不動列舉美國加州“天堂鎮(zhèn)”的山火為例，說明國內(nèi)山火和動員的相似性，這樣做是不妥的，他們不了解美國加州山火蔓延的特殊模式。

焚風(fēng)，是一種大氣現(xiàn)象，通?？諝馐桥瘽窕蛘呃涓傻模绻捎谀撤N地形或氣象條件導(dǎo)致了大氣流動是又暖又干燥，對下面燃料的干燥作用和蔓延效果不可忽視了。在學(xué)術(shù)上，這又被稱作是Foehn（來自德語）Winds，產(chǎn)生條件是大團(tuán)高壓空氣以160公里/小時的速度溢出山脈，伴隨著溫暖干燥的山風(fēng)向低壓區(qū)下降的過程帶來的由壓力梯度引起氣流，經(jīng)常會導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生。

焚風(fēng)在古代被稱作融風(fēng)或溫風(fēng)。前524年5月7日，魯國都城地區(qū)開始刮風(fēng)。梓慎說：“這是融風(fēng)，是火災(zāi)要來的征兆。七天之后，火災(zāi)就會發(fā)生了吧！”5月13日，魯國都城風(fēng)力強(qiáng)勁，不過并未起火，而宋 (距魯直線距離約180公里)、衛(wèi) (約180公里)、陳 (約280公里)、鄭 (約330公里)四國都城都發(fā)生了火災(zāi)。梓慎爬上大庭氏府庫房頂上瞭望了一陣，然后非常篤定地說：“就是宋、衛(wèi)、陳、鄭！”幾天后，四國報告火災(zāi)的通告就到達(dá)了魯國?？梢?，氣象條件對火災(zāi)發(fā)生的影響。另外，在公元154年，重慶地方官（但望）提出，“郡治江州，時有溫風(fēng)：遙縣客吏，多有疾病。地勢剛險，皆重屋累居。數(shù)有火害，又不相容”。也就是說，當(dāng)時重慶的地形也是經(jīng)常會有溫風(fēng)帶來的火災(zāi)。

圖2. 美國加州山火的焚風(fēng)蔓延模式。

才過去幾年，忙忙碌碌的人們已經(jīng)忘掉了道孚大火的悲劇，消防工作者沒有。

道孚大火是一場典型的因?yàn)榈匦螚l件的特殊性導(dǎo)致的重大災(zāi)情，在火災(zāi)動力學(xué)有重要的地位。我們把它稱作是壕溝效應(yīng)（trench effect），其地形特征是一條傾斜的溝槽，有利于引導(dǎo)熱煙氣的流動，在流動過程對環(huán)境燃料進(jìn)行預(yù)熱和熱解，然后形成爆發(fā)性的燃燒。這也是一種燃爆現(xiàn)象，是流體領(lǐng)域的 Coand? 效應(yīng)（空氣動力學(xué)中流體遇到坡面發(fā)生的吸附現(xiàn)象，主要用于飛機(jī)的機(jī)翼設(shè)計）與火災(zāi)領(lǐng)域的轟燃概念（充分預(yù)熱熱解后發(fā)生的爆發(fā)性燃燒現(xiàn)象）的耦合。

壕溝效應(yīng)通常發(fā)生在有坡度的上升壕溝（如地鐵的上下入口電梯）中，以英國倫敦發(fā)生的國王十字地鐵站火災(zāi)而聞名于世。當(dāng)時的英國牛津大學(xué)的學(xué)者 Susanne Simcox 使用最先進(jìn)的計算流體力學(xué)工具，模擬了火焰倒伏、預(yù)熱燃料、燃燒爆發(fā)的發(fā)展過程，是重大的火災(zāi)動力學(xué)發(fā)現(xiàn)。

其實(shí)，壕溝效應(yīng)就是所謂的風(fēng)助固體火災(zāi)蔓延模式的一種變化，風(fēng)是浮力形成的抽風(fēng)，而本應(yīng)水平蔓延的火勢現(xiàn)在發(fā)生在傾斜的平面上，讓火焰倒伏的預(yù)熱效果更強(qiáng)烈，產(chǎn)生的可燃?xì)怏w更多，因此火勢的發(fā)展更猛烈。最近（2019年3月14日）發(fā)生的開封高層建筑火災(zāi)，也是壕溝效應(yīng)的一個特殊場合下的應(yīng)用。

圖3. 地形特殊性導(dǎo)致的道孚悲歌體現(xiàn)了掌握火災(zāi)原理的重要性

現(xiàn)在，大家對道孚大火的原因基本認(rèn)可了，燃料是比較高的茅草，屬于輕薄的材料，容易點(diǎn)火。那么，涼山木里大火的燃料是什么，為什么也會發(fā)生輕易點(diǎn)火的局面？

上述的蔓延模式，分別有高溫云氣（大興安嶺大火）、氣象溫風(fēng)（加州山火）和斜坡地形（道孚大火）的貢獻(xiàn)，因此比較容易被察覺。

然而，此次關(guān)于山火的很多報道或分析卻沒有提到這些標(biāo)志性特征（Signature），相反，人們提到更多的是“地面植被和林下可燃物因長期堆積后發(fā)生氧化分解（也就是我們常說的陰燃現(xiàn)象），產(chǎn)生大量的揮發(fā)性可燃?xì)怏w，同時與腐爛的固體可燃物混合后”，在突發(fā)大風(fēng)的作用下發(fā)生的爆發(fā)性燃燒現(xiàn)象。也就是說，這是常見的陰燃轉(zhuǎn)明焰的典型燃燒過程，因?yàn)闅饬鞯氖Х€(wěn)而出現(xiàn)了爆發(fā)性的增長燃燒。這些地表雜質(zhì)被稱作達(dá)菲（Duffy，在土壤表面堆積的部分腐爛的有機(jī)質(zhì)），其消耗分解的過程主要是通過陰燃進(jìn)行，陰燃產(chǎn)生加熱持續(xù)時間長許多倍，加熱強(qiáng)度大，可以達(dá)到致死的表面溫度。陰燃的較長持續(xù)時間和對森林地表傳遞的較高熱流通量，是導(dǎo)致火場植物死亡的重要因素。

陰燃通常發(fā)生在多孔材料堆積的場合。因?yàn)榭扇疾牧蠜]有密集堆積，就會有氧氣滲入，氧氣與木材發(fā)生的氧化反應(yīng)，雖然生成的熱量不多，可是空氣是熱量的不良導(dǎo)體，所以氧化反應(yīng)的熱量也無法消耗掉，隨著時間的推移，逐步發(fā)展成沒有火焰的燃燒狀態(tài)。很多人燒過大灶，爐膛火焰熄滅之后，仍然有火紅的灰燼，這就是爐膛內(nèi)發(fā)生的陰燃，比自然界發(fā)生的陰燃要快速很多。

控制陰燃過程的兩個重要條件是氧氣供應(yīng)和熱量損失。達(dá)菲本身就是容易供應(yīng)氧氣的結(jié)構(gòu)，那么關(guān)鍵就是熱量損失了。最近隨著清明來臨，環(huán)境溫度逐步增加，因此自然界陰燃過程的熱損失越來越困難了（因?yàn)榄h(huán)境溫度增加了），所以這是大面積發(fā)生陰燃現(xiàn)象的關(guān)鍵性氣象條件。

如果陰燃過程發(fā)展到燃料堆的表面，氧氣的供應(yīng)突然增加，就會發(fā)生陰燃轉(zhuǎn)明焰現(xiàn)象，其中一個重要前提是供風(fēng)條件的改善，比如此次木里大火前有人提到山風(fēng)突然加大（有可能是被動響應(yīng)明火的結(jié)果，因?yàn)榇蠡鹁砦饋?，也會造成大風(fēng)，這種火致山風(fēng)，以1991年的加州灣區(qū)大火而廣為人知），對陰燃轉(zhuǎn)明焰過程起了很大的推動作用。

下圖是一張PU聚氨酯泡沫在外在熱輻射進(jìn)行加熱的條件下，從陰燃蔓延向有焰燃燒進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過程。只有當(dāng)燃燒波發(fā)展到固體表面，供氧條件突然改善，有可能發(fā)生明焰燃燒。如果外部再加上擾流，推動氧氣的供應(yīng)增加，則點(diǎn)火的效果更好。也就是說，供氧條件改善，會觸發(fā)氣相的燃燒反應(yīng)（有焰）。

圖4. 聚氨酯泡沫的陰燃過程（上圖是裸眼觀察結(jié)果，下圖是紅外線觀察的結(jié)果）

在香港電影《笑傲江湖》中，令狐沖經(jīng)常手持一種火媒，該火媒把熱量以陰燃的形式保存在類似雪茄的裝置中，需要火源之時，打開蓋子（增加與空氣的接觸面積），迎風(fēng)一晃，陰燃立即轉(zhuǎn)為明焰，就可以點(diǎn)火了。所以陰燃轉(zhuǎn)明焰的過程是我們老百姓的生活常識，一點(diǎn)也不神秘。

最后，這些達(dá)菲從何而來？一種解釋是，由于當(dāng)?shù)厥窃忌?無人區(qū)，因此從未開發(fā)利用過，累積的達(dá)菲超過30厘米。另一種解釋是，由于我國推行的封山育林政策，已經(jīng)幾十年沒有開采林木了，讓各地蓄積了大量的達(dá)菲。由于對森林養(yǎng)護(hù)的不同看法和觀念差異，我國基本放棄了對森林的開發(fā)和利用，人為導(dǎo)致了固體燃料的大量集聚。這需要讓我們反思森林保護(hù)政策的有效性和可持續(xù)性問題，在此不便深入展開。