火旋风火焰辐射特性和流体动力学规律基础研究

Frequently observed in wildland and urban fires, fire whirl, a special fire phenomenon with intense rotation and strong burning intensity, is induced by the complicated interaction between the fire and the ambient rotational circulation, which brings difficulty to the firefighting work for the wildland and urban areas. So far, the research works mainly addressed the flame temperature, flame height, burning rate and the correlation among the above parameters with ambient circulation. However, the radiation characteristics and fluid dynamics of fire whirl flame have received little study. This work will build a medium-scale and a small-scale fire whirl experimental systems. By using experimental measurements, dimensional analysis and theoretical study, the dynamic characteristics, including the variation of flame emissivity, soot volume fraction profile, flame surface emissive power distribution, velocity field structure, flame wander motion and air entrainment mechanism, will be systematically studied under different pool diameter, fuel type, burning rate and rotational circulation. Then we can reveal the radiation characteristics and fluid dynamics of fire whirl, and develop the relevant dynamic models. This work can help us clearly understand this special natural phenomenon and provide reliable theoretical basis for its prevention and suppression. Therefore, this work has an important scientific significance.

火旋风是森林与城市火灾中一种由火羽流和周围旋转环量相互耦合作用而诱发的具有强烈旋转和燃烧强度的特殊火现象，是森林与城市消防安全工作面临的重要难题。迄今为止，研究工作主要局限于火旋风火焰温度、火焰高度、燃烧速率以及各参量与旋转环量的关系等方面，缺乏火旋风火焰辐射特性和流动规律的研究。本项目将构建中尺度和小尺度火旋风模拟实验系统，利用实验模拟、量纲分析和理论研究，系统研究不同火源尺寸、燃料种类、燃烧速率、旋转环量等参数条件下，火旋风火焰的发射率变化规律、炭黑体积分数分布、火焰表面辐射功率分布，火焰三维流场结构、火焰漂移规律和空气卷吸机制等动力学变化规律，深入揭示火旋风火焰的辐射特性和流体动力学规律，建立相应的火旋风动力学模型，全面科学地认识火旋风这种燃烧与流动相互耦合作用的特殊火现象。项目可为火旋风灾害的预防和扑救提供可靠的理论依据，具有重要的科学意义和应用价值。

火旋风常见于森林火灾、城市火灾、油罐火灾以及火山喷发等情况，其快速的火焰旋转、剧烈的火强度、飘忽不定的蔓延速度和方向，常给人们的生命安全尤其是消防员的安全带来巨大的威胁，是消防安全工作面临的重要难题。因此开展火旋风动力学规律研究具有重要的科学意义。.本项目利用实验研究和理论分析相结合的手段，针对火旋风火焰辐射特性和火焰流动规律两个关键问题，开展了相关研究工作，其主要工作和成果如下：.利用火焰透过率方法估算了不同火源尺寸不同火焰高度条件下火旋风火焰的发射率，分析了火旋风火焰发射率随火焰直径的变化规律，获得了火焰发射率与火焰直径的半经验关系；理论分析了火旋风火焰内辐射气体和炭黑的发射率，估算了火旋风火焰炭黑体积分数，获得了火旋风火焰炭黑体积分数在高度上的分布规律。.借助空气幕式火旋风实验平台利用热电偶阵列开展了火旋风温度测量实验，分析了火旋风火焰径向温度分布规律，利用双热电偶方法修正了火焰中轴线上的温度数据，并获得了火旋风火焰表面温度分布规律；分析了火旋风火焰表面的辐射功率随高度的变化情况，构建了火旋风火焰分层辐射预测模型。.借助两个相对的半圆柱壳体火旋风实验装置利用粒子图像测速方法获得了不同工况下火旋风火焰的速度分布规律，以此刻画了火旋风火焰的流场结构；利用粒子图像测速方法和视频图像处理方法追踪了小尺度和中尺度火旋风火焰在水平方向上的漂移运动，计算了火焰漂移造成的火焰在水平方向上的漂移概率，分析了火旋风火焰漂移频率与环量的线性关系。.结合火旋风火焰轴向速度分布规律，估算了不同高度处小尺度火旋风火焰的质量流量，获得了连续火焰区内火旋风火焰质量流量随高度的变化规律，分析了火旋风火焰空气卷吸对质量流量的影响。.综上，项目组深入分析了火旋风火焰的辐射特性和流体动力学规律，并建立了相应的动力学模型，项目成果可为火旋风灾害的预防和扑救提供可靠的理论依据，具有重要的科学价值。.