固體燃料火焰延燒最快的方式為下列何者？

本題考點

固體可燃物的火焰延燒方向性,考的是火焰傳播方向與預熱區的相對關係。

正解理由

火焰是高溫低密度氣體,浮力使火焰與熱煙持續往上竄,上方尚未燃燒的材料同時承受火羽流的對流加熱與火焰的輻射加熱,預熱最充分、表面最早裂解出可燃氣體並達到燃燒下限,因此火焰陣面沿表面向上推進最快,屬於同向流火焰傳播;向下與水平則為逆向流傳播,火焰被浮力帶離未燃面,只剩有限的輻射與固體傳導可供預熱,速度低上一至數個數量級,故選 A。

逐項排除

1. (A)

   正確:向上延燒兼具對流與輻射預熱,又有煙囪效應助長,是最快的方向,理由如上。

2. (B)

   錯誤:向下延燒時火焰往上離開未燃區,預熱最弱,是三個方向中最慢者,實驗上常僅為每分鐘公釐等級。

3. (C)

   錯誤:水平延燒時火焰僅部分貼附材料表面,預熱效果介於向上與向下之間,並非最快。

4. (D)

   錯誤:延燒速度受浮力與預熱條件支配,方向性極為明顯,不可能與方向無關。

記憶點

火焰傳播依火焰流動方向與傳播方向的相對關係分為兩型:同向流傳播(火焰與傳播方向一致,如向上延燒)與逆向流傳播(火焰逆著傳播方向,如向下與水平延燒)。決定速度的關鍵是預熱區長度——火焰把未燃表面加熱到熱分解溫度所影響的距離。向上延燒時,火羽流貼著壁面上竄,預熱區可長達數十公分甚至數公尺,且隨火焰變高而加速,呈現自我加速的正回饋;向下延燒的預熱區只有數公釐,幾乎完全靠輻射與固體內部傳導,速度因此穩定而緩慢。實驗上厚質壓克力板向下延燒約每分鐘公釐等級,垂直向上延燒卻可達每秒數公分以上,差距輕易超過兩個數量級。

把材料傾斜也會改變速度:傾角愈接近垂直向上,火焰愈貼附表面,延燒愈快;向下傾斜則火焰離開表面,速度下降。這解釋了幾個經典火場現象——建築外牆保溫材與帷幕牆的立面延燒為何一發不可收拾、垂直電纜束為何比水平電纜架延燒更快、窗口噴出火焰為何會沿外牆向上層竄燒形成上下層延燒。

對照記憶:向上延燒受對流主導,向下與水平延燒受輻射主導;通風、材料厚度、熱慣性(密度乘比熱乘熱傳導係數)則共同影響絕對速度,薄材料因熱慣性小而比厚材料更快被點燃。

幾何配置也會放大方向效應:兩片可燃面相互平行且間距狹窄時,彼此的輻射會互相回饋,使夾縫內的溫度遠高於單面燃燒,堆疊紙箱、貨架走道與書櫃間隙的火勢因而特別猛烈;若這個狹縫又是垂直的,便同時具備輻射回饋與煙囪效應,延燒速度可再往上跳一級。

延伸考點:同一組概念會以「火焰傳播速度的影響因素」「外牆立面火災」「電纜火災」「森林火災上坡延燒為何較快」等形式出題,上坡延燒之所以快,原理與向上延燒完全相同,都是火焰貼近未燃燃料造成的預熱強化。