热浮力旋转流特性解析解及其实用性研究

For its formidable whirling force and buoyancy, there will be faster burning rate, higher flame temperature and more losses during fire whirls than in other fire scenarios. To study the flow field of fire whirls is very important to keeping fire whirls from occurring, and is very significant to ensure construction of country economy and development of society. Based on the rich experimental data and simulation results, this project starts with theoretic research, studies the analytic solution of characteristic of thermal whirling flow field, and tests its practicability via pertinent experiments. The research topics include: (1) Study on the analytic method of characteristic thermal whirling flow field; (2) Re-process of experimental data; (3) Study on thermal whirling flow field modeling; (4) Design of experimental system and test with pertinent experiments. The achievements may not only afford theoretic reference for understanding the relational physics problems with whirling flow field, but also support more theoretic instructions for some engineering practices, such as avoiding fire, extinguishing fire, and so on, which has distinct scientific sense and wide application foreground.

火旋风因其强大的卷吸力和浮升力，而比普通火灾具有更快的燃烧速度、更高的火焰温度和更大的破坏力，研究火旋风形成的热浮力旋转流场，是控制火旋风发生发展的一个主要研究方向，对国民经济建设和社会发展具有重要意义。本申请项目基于已有的丰富实验数据和数值仿真结果，从理论研究出发，研究热浮力旋转流场特性的解析解，并对解的实用性开展针对性的实验验证。主要研究内容包括：(1)热浮力旋转流场特性解析方法研究；(2) 实验数据重处理；(3) 热浮力旋转流场数值模拟研究；(4) 验证实验系统设计与实验验证。本项目的研究成果不仅可以为加深热浮力旋转流相关物理问题的理解提供理论依据，而且可以为火灾防治等工程实践活动提供更有力的理论指导，具有明确的科学意义和广阔的应用前景。

火旋风因其强大的卷吸力和浮升力，而比普通火灾具有更快的燃烧速度、更高的火焰温度和更大的破坏力，研究火旋风形成的热浮力旋转流场，是控制火旋风发生发展的一个主要研究方向，对国民经济建设和社会发展具有重要意义。鉴于热浮力旋转流传统精确解对描述真实火旋风火焰旋转速度场具有局限性，因此本项目从理论研究出发，研究了热浮力旋转流场特性的解析解，并对解的实用性进行验证。首先，基于大量试验结果，重新构造了旋转涡量的形式，将火焰的旋转分为沿径向的运动和由浮力引起的向上运动，并假设这两部分运动各自独立变化互不影响。通过引入半经验系数，给出了旋转涡量沿火焰径向和周向旋转速度沿火焰纵向及径向衰减规律的级数近似解的表达式。其次，归纳了适用于热浮力旋转流场的数学模型，通过与试验结果进行对比，对模型的有效性进行了验证，以改善热浮力旋转流场数值模拟的实用性和有效性。再次，通过数值模拟方法，对几种典型条件下旋转火焰的轴向速度和周向速度进行了研究。得到了旋转火焰的周向速度沿火焰径向和高度的变化、旋转火焰轴向速度随高度和热释放速率的变化及旋转火焰轴向速度与周向速度的比值随火焰高度的变化等数值模拟结果。最后，根据试验及数值模拟计算的结果，通过引入并确定半经验系数的取值，进而得出了基于实验和数值计算结果的热浮力旋转流旋转涡量和周向旋转速度的级数近似解。本项目的研究成果不仅可以为加深热浮力旋转流相关物理问题的理解提供理论依据，而且在火灾防治和扑救等工程实践领域具有一定的实用价值。