浮力扩散火焰的湍流特性及湍流混合与燃烧耦合机制研究

Turbulent buoyant diffusion flame is the most basic combustion behavior in fires. The previous researches mainly focused on the variations of the mean global properties of buoyant diffusion flames, while the systematic experiments on the turbulent characteristics were still limited. Correspondingly, the understanding of buoyant diffusion flame is almost entirely based on the global concept of air entrainment and there is little understanding of the turbulent mixing and reaction processes following entrainment. This work will build fine experiment simulation systems and measurement systems for buoyant diffusion combustion of both gaseous and liquid fuels, to make systemic researches on the variations of the instantaneous fields of velocities and temperatures under different fire scales, fire powers and wind velocities, to reveal the variations of the turbulent characteristics and evolutions of the turbulent structures and finally to develop the dynamic models of buoyant diffusion flames based on the coupling between the turbulent mixing and combustion. This study could enrich the scientific understanding on the coupling mechanics between turbulent mixing and combustion in fires, validate and improve the numerical simulation models, and provide scientific basis for the accurate predictions of fire damages. Therefore, this study consists of important scientific significance and application value.

湍流浮力扩散火焰是火灾中最基本的燃烧形式之一。迄今为止，研究工作主要围绕湍流浮力扩散火焰平均宏观特性的变化规律展开，缺乏对浮力扩散火焰湍流特性的系统实验研究。相应地，目前对湍流浮力扩散火焰的理解几乎完全建立在全局性的空气卷吸概念基础上，而对于卷吸之后燃料与空气的湍流混合及反应过程缺乏了解。本项目将建立气体和液体燃料浮力扩散燃烧的精细实验模拟系统及实验测量系统，系统研究不同火源尺度、火源功率和外界风速等参数条件下湍流浮力扩散火焰瞬时速度场和温度场的变化规律，揭示火焰区湍流特性参数变化规律和湍流结构演化规律，最终建立耦合湍流混合与燃烧的湍流浮力扩散火焰动力学模型。本项目能够丰富对火灾中湍流混合与燃烧耦合机制的科学认识，验证和改进数值计算模型，并为火灾危害的精确预测提供科学指导，具有重要的基础科学价值和应用价值。

湍流浮力扩散火焰是火灾中最基本的燃烧形式之一。迄今为止，研究工作主要围绕湍流浮力扩散火焰平均宏观特性的变化规律展开，缺乏对浮力扩散火焰湍流特性的系统实验研究。本项目构建了适用于浮力扩散火焰速度场精细测量的三维激光粒子图像测速系统（SPIV），并使用超声波风速仪等对开放环境大尺度可控风场湍流特性进行了测量。通过开展系统精细实验和理论分析，1）提出了强浮力火羽流湍流粘性系数和湍流扩散系数等输运特性的尺度律，建立了基于湍流混合机制的浮力扩散火焰高度模型。该物理模型与经典的Zukoski模型一致，但是其系数具有确定的物理意义。2）利用三维火焰重构技术发现浮力扩散火焰的平均火焰高度、平均火焰表面积和平均火焰体积均可较好地拟合为热释放速率的幂函数。火焰平均表面积和体积与平均辐射热流之间存在较好的线性关系。火焰面元积分方法能够较为精确给出非轴对称火焰瞬时辐射热流分布。3）大尺度人工风洞具有较好的流畅均匀度，风场风谱符合Karman谱，湍流耗散率和湍流扩散率与风速和湍流度的关系符合经典湍流理论。4）弱旋转条件下浮力扩散火焰形成的弱甲烷火焰抬升高度随环量先增加而缓慢增加，然后在达到最大值后迅速减小。瞬时抬升火焰底部平均轴向速度小于最大层流火焰速度的两倍。该抬升火焰和三叉火焰具有相似的火焰前沿和速度场特征。5）强旋转条件下浮力扩散火焰产生的柱形火旋风羽流区形成了双胞涡结构和中心回流区，并且随着环量增大向下移动。中心线轴向速度和平均火焰高度随着环量变化的趋势一致。本研究完成了预定目标与任务，加深了对湍流浮力燃烧湍流流动与燃烧的耦合机理与规律的科学认识，成果可为大尺度火灾防控与应急管理提供科学依据，具有重要的科学意义和应用价值。