【摘要】：火旋風(fēng)是一種特殊的火行為,常見于森林與城市火災(zāi)中,給生命和財產(chǎn)帶來損壞。本質(zhì)上,它是一般火羽流與周圍環(huán)境渦量非線性相互作用產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)火焰。與一般池火相比,火旋風(fēng)的危險性主要表現(xiàn)為火源燃燒速率、火焰高度、上升速度、溫度和地面邊界層卷吸的增加,從而導(dǎo)致其輻射引燃和誘發(fā)長距離飛火能力增強(qiáng),使得火勢跳躍式地加速蔓延。實際火場中渦量的產(chǎn)生和作用于火羽流的機(jī)制非常復(fù)雜,這導(dǎo)致火旋風(fēng)的出現(xiàn)具有突發(fā)性,難以及時預(yù)測。為此,本文利用四面墻-狹縫-火源裝置產(chǎn)生穩(wěn)定的火旋風(fēng),并研究其燃燒規(guī)律,包括燃燒速率、火焰高度,火羽流特征和火焰輻射特性。另外,設(shè)計比例模型實驗研究線火源與橫向風(fēng)相互作用,初步揭示移動式火旋風(fēng)的產(chǎn)生條件與機(jī)制和火焰移動機(jī)制。 首先,分析了拖拽力和火焰?zhèn)葴u結(jié)構(gòu),并建立了燃燒速率和火焰高度半經(jīng)驗公式。分析表明,旋轉(zhuǎn)渦旋作用于燃料面會產(chǎn)生一個向上的拖拽力,其在火旋風(fēng)形成和衰減時起著重要作用。地面邊界層處火焰呈現(xiàn)雙渦旋結(jié)構(gòu),而邊界層上方火焰?zhèn)葴u很大程度上被抑制。分析表明旋轉(zhuǎn)環(huán)量使得火焰與燃料接觸面積和燃料面實際面積都增加,從而導(dǎo)致燃燒速率增加。分析證實,火旋風(fēng)火焰高度用無旋轉(zhuǎn)火焰高度(即一般池火火焰高度)進(jìn)行無量綱化之后,僅是無量綱旋轉(zhuǎn)環(huán)量的函數(shù),因此建立了新的火焰高度公式,對燃燒速率和旋轉(zhuǎn)環(huán)量成功解耦。 其次,分析了火羽流特征,并建立了中心線上升速度、徑向溫度分布和質(zhì)量流率半經(jīng)驗公式。以經(jīng)典羽流理論和量綱分析為指導(dǎo),對火旋風(fēng)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明,旋轉(zhuǎn)環(huán)量抑制了火旋風(fēng)軸向動量在徑向方向上的耗散,即旋轉(zhuǎn)環(huán)量越大,則上升速度越大�；鹦L(fēng)火焰體內(nèi)富燃料核對連續(xù)火焰區(qū)的徑向溫度分布有重要影響,且火焰體可用圓柱與圓錐的結(jié)合體描述。旋轉(zhuǎn)環(huán)量抑制了火羽流半徑,減小其隨高度的增長率�；鹦L(fēng)火焰可劃分為下部的層流化火焰區(qū)和上部的湍流區(qū)。旋轉(zhuǎn)環(huán)量改變了地面邊界層處徑向流入速度型線和增加徑向流入速度,從而增強(qiáng)底部的空氣卷吸。旋轉(zhuǎn)環(huán)量對火焰高度的純空氣動力作用由下部火焰區(qū)燃料-空氣混合大幅度減慢所主導(dǎo)。 然后,分析了火旋風(fēng)火焰輻射特性,并建立輻射熱流密度半經(jīng)驗公式和熱輻射模型。實驗測量了火旋風(fēng)輻射熱流密度在軸向和徑向的分布。通過量綱分析獲得無量綱熱流密度和無量綱距離,可以很好地擬合輻射熱流密度數(shù)據(jù)。依據(jù)實驗數(shù)據(jù),計算火旋風(fēng)的輻射份數(shù)為42%,是一般池火的1.4倍。輻射熱反饋份數(shù)隨著油盤直徑增大而增加,類似于一般池火。通過質(zhì)量和能量守恒方程,獲得了火焰溫度與過量卷吸份數(shù)和輻射份數(shù)耦合關(guān)系；與一般池火相比,火旋風(fēng)的過量卷吸份數(shù)較小,使得其火焰溫度較高。依據(jù)氣體輻射容積效應(yīng),分析了火旋風(fēng)火焰表面輻射力隨垂直高度的變化,以建立修正的固體火焰模型,可很好地預(yù)測輻射熱流密度。 最后,分析了線性火源與橫向風(fēng)相互作用產(chǎn)生火旋風(fēng)的條件與機(jī)制,以及火焰移動機(jī)制。移動式火旋風(fēng)因2010年巴西荒原火災(zāi)而聞名。實驗分析表明,線火源產(chǎn)生火旋風(fēng)的三個基本條件為線性火源不能離地面過高、且與橫向風(fēng)之間有一個合適范圍的攻角、以及風(fēng)速應(yīng)在某一臨界范圍內(nèi)；通過分析渦量線的輸運(yùn)和彎曲,可推測出火旋風(fēng)的集中渦產(chǎn)生機(jī)制為火羽流與地面渦量有效地耦合。通過假定火旋風(fēng)火焰為剛體旋轉(zhuǎn),提出一種可能的機(jī)制以解釋火焰移動,即拖拽力、升力和地面摩擦力共同控制著火焰移動行為。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：X932

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 陳長坤,姚斌,范維澄;建筑物內(nèi)火旋風(fēng)中心飄移的探討與研究[J];中國工程科學(xué);2003年10期

2 武紅梅;周允基;郜冶;;單側(cè)縫豎形槽道內(nèi)的火旋風(fēng)中心區(qū)域特性[J];哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報;2010年03期

3 武紅梅;何紅葉;霍巖;;方形豎槽道內(nèi)受浮力驅(qū)動旋轉(zhuǎn)火焰及熱流場特性[J];科技導(dǎo)報;2012年16期

4 蘇石川;王亮;聶宇宏;顧祥;;某船舶機(jī)艙火災(zāi)數(shù)值模擬中的火旋風(fēng)及其危害性分析[J];中國造船;2009年03期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 雷佼;火旋風(fēng)燃燒動力學(xué)的實驗與理論研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2012年

，

本文編號：2292290