（工程热物理专业论文）磁场对旋转火焰特性影响及火旋风强度测量方法的研究.pdf

摘要 旋转火焰是火焰燃烧过程中存在的一种特殊火行为方式。它的燃烧特性是研究 实际火灾中火旋风的成因和发展规律的重要研究课题。因为在实际火灾过程中，它 的存在和发展有可能导致火旋风的发生。然而，由于火焰燃烧过程的复杂性，要想 了解火焰的燃烧特性，可以借助于磁场的作用来实现。因为在火焰的燃烧过程中火 焰内部的不完全燃烧，必然会在离解和氧化过程中产生大量带有电荷的极性分子， 这些带有电荷的极性分子在磁场的作用下，会改变其原来的运动轨迹，由原来的无 序运动而变为有序运动，这样就会影响到旋转火焰的燃烧规律。同时，由于地球磁 场的存在，地球磁场也必然会对实际火灾中火旋风的发生和发展规律产生一定程度 的影响，从而改变火旋风的燃烧特性。因此，研究磁场作用下旋转火焰燃烧的规律 性是了解实际旋转火焰燃烧的规律性和地球磁场对实际火灾中的火旋风燃烧特性影 响的重要手段。 在过去的几十年里，许多学者对旋转火焰的燃烧特性和实际火灾中的火旋风进 行了初步的研究，但是，人们对火旋风的成因和发展规律知之甚少；同时，有关地 球磁场对火旋风燃烧特性影响方面至今未作任何研究。鉴于此，本文以磁场作用下 的旋转火焰为研究对象，对磁场作用下的旋转火焰的燃烧特性和动力学特性进行研 究，从而揭示旋转火焰的燃烧特性和地球磁场对旋转火焰燃烧特性影响的规律性。 由于旋转火焰燃烧的特殊性，要想了解其各方面的燃烧特性是一项非常复杂的 基础工作。然而由于旋转磁场所引发的旋转火焰在燃烧规律上更符合实际火灾过程 旋转火焰的燃烧特性，因此本文在前人对旋转火焰研究的基础上，以旋转磁场引发 旋转火焰的规律为研究内容，研究旋转磁场引发旋转火焰的临界值，从而在某种程 度上了解旋转火焰的燃烧特性。通过研究得知，旋转磁场对引发火焰的旋转作用存 在一定的范围，即存在一个上临界值和一个下临界值。这是因为在火焰燃烧过程中 生成的带有电荷的极性分子在磁场的作用下会跟随磁场作非同步旋转，对火焰产生 一个旋转摩擦力的作用。当其足够大时，就会克服火焰原有的运动惯性，跟随磁场 以非同步作旋转运动从而形成旋转火焰，因此其存在一个下临界值：然而当磁场的 旋转速度足够大时，带有电荷的极性分子就不能跟上磁场的旋转变化，磁场就会失 去对带电粒子的旋转作用，因此其存在一个上临界值。再者，磁场方向的变化会影 响到磁场对带电粒子作用力的大小，会引起旋转磁场引发旋转火焰临界值的变化。 由于火焰的旋转特性是衡量火焰旋转强度的一个重要的参数，因此，了解磁场 作用下旋转火焰旋转强度的变化，是研究旋转火焰的动力学特性和地球磁场对旋转 火焰旋转强度影响的重要方面。通过研究可知，当磁场的强度低于某一个值时，磁 场对火焰的旋转会起到增强作用；而当磁场的强度大于该值时，磁场对火焰的旋转 就存在一定的抑制作用。当磁场作用的时间足够长时，就会使旋转火焰停止旋转而 变为不旋转火焰，使其燃烧强度下降。 旋转火焰的稳定性是影响其发展方向的一个重要参数。研究磁场作用下旋转火 焰的稳定性，可以使我们了解其存在的稳定性条件及地球磁场对其稳定性的影响程 度和发展趋势。 实际火灾中火旋风的测量方法是在实际火灾中发生火旋风时，了解其旋转强度 和运动规律的重要方法。它可以帮助我们了解火旋风的强度大小和运动路径，从而 有效地疏散人员和财产，以减小不必要的火灾损失，具有重要的意义。 a b s t r a c t f i r ew h i r li sa s p e c i a lt y p eo f f i r e i t sc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c si sa l li m p o r t a n tt o p i cf o r s t u d y i n gt h ec o n t r i b u t i n gf a c t o r sa n dd e v e l o p i n gr u l e so ff i r ew h i r lb e c a u s ei t se x i s ta n d d e v e l o p m e n t c a nc a u s et h eh a p p e n i n go f f i r ew h i r lw i n di nr e a lf i r e b u ts i n c et h ec o m p l e x i t y o f t h ec o m b u s t i o no f r u e w h i r l ，i f w ew a n t t ok n o wi t sc o m b u s t i o n c h a r a c t e r i s t i c s w ec a nh a v e t h ea i d so f a m a g n e t i cf i e l d t h i si sb e c a u s et h a tt h ec o m b u s t i o no f f u e li sn o tc o m p l e t ew i t h i n t h ef i r ea n d p m d u c e sm a n yc h a r g e dp a r t i c l e si nt h ep r o c e s so f p y r o l y s i sa n do x i d a t i o no f t h e f u e l t h em o t i o nw a yo f t h ec h a r g e d p a r t i c l e sw i l lb ec h a n g e db y t h ea c t i o no f m a g n e t i c f i e l d , t h e yw i l lm o v e i no r d e ra l t h o u g h t h e ym o v e d i nc h a o sb e f o r e a ss u c h , t h ec o m b u s t i o nr u l e s o ff i r ew h i r lw i l lb ea f f e c t e db yt h em a g n e t i cf i e l d m e a n w h i l e ，b e c a u s eo ft h ee x i s to ft h e e a r t h sm a g n e t i cf i e l d ，t h i sm a g n e t i cf i e l da l s oi n f l u e n c e st h eh a p p e n i n ga n d d e v e l o p i n gr u l e s o ff i r ew h i r lt os o m ee x t e n tm a d c h a n g e st h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f f i r ew h i r lw i n di n r e a lf i r e s h e n c e ，s t u d y i n gt h e c o m b u s t i n g r u l e so f f i r ew h i r li na m a g n e t i c f i e l di sa n i m p o r t a n t w a yt ok n o wt h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ff i r e w h i r la n dt h ee f f e c t so ft h ee a r t h s m a g n e t i cf i e l do n t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f i t i np a s t d e c a d e s ，m a n y s c h o l a r sh a v e p r e l i m i n a r i l ys t u d i e d t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o ff i r ew h i r la n df i r ew h i r lw i n di nr e a lf i r e s b u tb yn o w , t h ec o n t r i b u t i o nf a c t o r sa n d d e v e l o p m e n t r u l e so f f i r ew h i r l 眦n o tk n o w nt o om u c h ，m e a n w h i l e ，t h e r ei sn o s t u d yo n t h e c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ff i r ew h i r lw i n di n f l u e n c e db yt h ee a r t h sm a g n e t i cf i e l d b a s e d o nt h er e s u l t si nl i t e r a t u r e ，t h ep r e s e n tw o r k d e v e l o p st h ec o m b u s t i n gc l m r a c t e f i s t i c so f f i r e w h i r li n f l u e n c e db yam a g n e t i cf i e l df o rd i s c o v e r i n gt h ec o m b u s t i o na n dk i n e t i cr u l e si na m a g n e t i c f i e l d b e c a u s eo ft h es p e c i a l t yo ft h ec o m b u s t i o no ff i r ew h i r l ，i ti sav e r yc o m p l e xw o r kt o s t u d yi t sc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c si na 1 1 h e r ew es t u d yi t sr u l e si n f l u e n c e db yar o t a t i n g m a g n e t i c f i e l da n dk n o wt h ee f f e c t so f a r o t a t i n gm a g n e t i c f i e l do ni t si n d u c e df i r ew h i r ls oa s t ok n o wm o r ea b o u tt h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ff i r ew h i r l 1 1 l i si sb e c a u s et h ei n d u c e d f i r ew h i r li sm u c hi nk e e p i n gw i t ht h er e a lf i r e 讪w i n d s a f t e rt h es t u d y w ek n o wt h a tt h e r e e x i s t sas c o p eo f r o t a t i n gm a g n e t i cf i e l do nt h er o t a t i o no f t h ei n d u c e df i r ew h i r ls oc a l l e du p a n dl o wc r i t i c a lv a l u e s t h i si sb e c a u s et h a tt h e p o l a r i z e dm o l e c u l e sp r o d u c e di nt h e p r o c e s s o f t h ec o m b u s t i o nr o t a t ew i t ht h e r o t a t i n gm a g n e t i cf i e l di na s y n c h r o n ya n d h a sf r i c t i o nf o r c eo n t h ef i r e w h e nt h ef r i c t i o nf o r c ei sl a r g ee n o u g h ，t h ef i r ew i l lo v e r c o m ei t so r i g i r l a li n e r t i aa n d r o t a t e sw i t ht h er o t a t i n gm a g n e t i cf i e l di n a s y n c h r o n y b u tw h e nr o t a t i n gv e l o c i t yo ft h e m a g n e t i cf i e l di so v e rs o m eo n ev a l u e ，t h ec h a r g e dp a r t i c l e sc a n tf o l l o wt h ec h a n g eo ft h e r o t a t i n gm a g n e t i cf i e l d ，t h em a g n e t i cf i e l dw i l ll o s er o t a t i n ge f f e c t so nt h ec h a r g e d p a r t i c l e s , t h er o t a t i n gf i r ew i l ls t o pr o t a t i n gb e c a u s eo f f r i c f i o n m e a n w h i l e ，t h ec h a n g e o f m a g n e t i cf i e l d d i r e c t i o nc a na l s oc h a n g et h ef o r c eo nt h e f i r e , t h i sw i l lc a u s et h ec h a n g eo f t h er o t a t i n gc r i t i c a l v a l u eo f t h e m a g n e t i cf i e l d b e c a u s et h e r o t a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f f i r ew h r li sa j u d g e m e n tp a r a m e t e ro f i t sr o t a t i n g i n t e n s i t y ，t h ec h a n g eo f f i r ew h i r li n t e n s i t yi n f l u e n c e db yam a g n e t i cf i e l di s i m p o r t a n tf o r s t u d y i n g t h e m t a t i n g c h a r a c t e r i s t i c so f f i r ew h i r la n dt h ee f f e c t i v eo f e a r t h sm a g n e t i cf i e l do n i t sm m t i o n b yt h es t u d y , w ek n o wt h a tt h ea c t i o no f m a g n e t i cf i e l dc a ni n c r e a s e st h er o t a t i n g i n t e n s i t yo ff i r ew h i r lw h e nt h em a g n e t i cf i e l di n t e n s i t yi s l o w e rt h a ns o m eo n ev a l u e m = o 3 5 7 t ) b u t t h ea c t i o no f m a g n e t i cf i e l dc a na l s od e c r e a s e st h er o t a t i n gi n t e n s i t yo f f i r e w h i r lw h e nt h em a g n e t i cf i e l di n t e n s i t yi sl a r g e rt h a nt h i sv a l u e w h e nt h ea c t i n gt i m eo f m a g n e t i cf i e l d i s l o n ge n o u g h ，t h e f i r ew h i r lw i l l s t o pr o t a t i n g , a tt h es a m el i m e ，t h e c o m b u s t i o n i n t e n s i t yw i l ld e c r e a s e ，t o o m o r eo v e r , t h es t a b i l i t yo ff i r ew h i r li sai m p o r t a n tp a r a m e t e rt oa f f e c ti t sd e v e l o p i n g d i r e c t i o n i tc a nl e tu sk n o wt h es t a b i l i t yc o n d i t i o na n dt h ee f f e c t i v ed e g r e eo ft h ee a r t h s m a g n e t i c f i e l do nt h es t a b i l i t yo f f i r ew h i r la n di t sd e v e l o p i n gt r e n d t h em e a s u r e m e n tw a y so ff i r ew h i r lw i n di st h ei m p o r t a n tw a yt ok n o wi t sr o t a t i n g i n t e n s i t ya n dm o v i n gr u l e si nr e a lf i r e ，t h i sc a l lh e l pn st ok n o w i t sm o v i n gw a ys oa st o d i s p e r s et h ep o p u l a t i o na n dp m p a t yi nt i m ef o rd e c r e a s i n g t h el o s so far e a lf i r e i ti s m e a n i n g f u l i nr e a lf a e 致谢 在本文即将完成之际，首先要感谢我的导帅王清安教授在本论文全过程之中所 给予的精心指导。他以广博的知识指引着本文的完成。同时，他_ | l c 谨治学的态度和 创造性的思维，使我受益匪浅。 本文的完成得到了许多老师和同学的大力支持。感谢廖光煊教授为本文的完成 给予了很多的指点；感谢林其钊教授、刘乃安博士和周建军教授为本文的完成提供 的有益的建议；感谢杨立中副教授、朱霁平老师、路长老师和邓志华老师在完成本 文中的帮助；特别感谢黑龙江森林保护研究所的余晓钟研究员提供的大量的资料， 并通过与他的书信交流，使我对某些问题有了进一步的认识。 借此机会，深深地感谢我的妻子吴静女士和家人在完成本文中所给予的大力支 持和鼓励，他们在我的孪生儿子刚出生不久就日夜照料，使我能够有时问完成本文 的工作，并激励我不断进取。这些成了激励我不断前进的精神动力。 本文还得到了国家自然基金项目( 5 9 9 3 6 1 4 0 ) 的资助，在此一并表示感谢! 夏云春 2 0 0 2 年1 1 月于中园科大 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 旋转火焰是火焰燃烧过程中存在的一种特殊火行为方式。它的存在和发展，将 有可能导致森林火灾和室外火灾中火旋风的发生，给人们的生命和财产带来巨大的 损失。因此，开展对旋转火焰特性的研究，是一项非常重要的基础理论工作。它对 我们了解实际火灾过程中火旋风的发生和发展的规律性具有重要的理论指导意义。 我们研究火旋风的特性，关键是在于研究旋转火焰的燃烧机理和发生及发展的规律 性，以便我们对火旋风的形成和发展的规律性具有清楚的认识，从而尽可能地在实 际的森林火灾和室外火灾中避免其发生或发展，起到减灾和灭灾的效果。 就火旋风的形成条件来说，通常有两种情况：一种是完全由自然对流形成的火 旋风，我们通常称之谓静止火旋风；另种是由于强制对流所产生的火旋风，我们 通常称之谓动态火旋风。就实际火灾中的火旋风，按照其旋转轴线方向的不同，又 可分为垂直轴式火旋风和水平轴式火旋风。实际火灾中的垂直轴式火旋风和水平轴 式火旋风的照片如图1 1 所示口】。火旋风是森林火灾和室外火灾中的一种特殊现象。 a 垂直式火旋风b 水平式火旋风 图l - i 垂直轴式和水平轴式火旋风模型 它是火灾发生时，强烈的高温气流与外界环境空气存在的温度差而引起火焰内部气 体的密度差的不同而引起的。由于燃料的燃烧，使得火焰区及其附近区域空气的局 笫一章绪沦 部温度升高，气体的密度下降。而对于其周围的环境而占，气体的密度相对较大， 这样，在火焰区附近就会产生自然对流现象，这个自然对流就是一种上升气流，上 升气流受到外界条件的影响，可能产生一个沿火焰周向的切应力，在切应力的作用 下就会产生旋转，从而形成旋转火焰。对于旋转火焰来说，由于火焰的旋转会产生 一个离心力的作用，低密度的气体向旋转火焰的中心集中，而高密度的气体则向火 焰的外侧运动，使上升的热气流作用得以加强，在一定的条件下可能发生恶性循 环，最后使得较小的旋转火焰发展成为危害巨大的火旋风。 对于火旋风来说，在其形成的过程中，需要有一个角动量来产生一个切向旋转 的速度分量，并把环境中的空气切向地卷吸到火焰羽流中。这些由旋转角动量所驱 动的火行为使得火焰的燃烧条件和传播速度得以改变，从而极大地改变了火焰的卷 吸条件和燃料的燃烧条件，使得燃料的燃烧条件得到改善，燃烧更加剧烈。因此， 其危害性更大。 从图1 1 中可以看出，虽然两种火旋风存在的方式不同，但是它们的旋转方向 都有一个共同的特点沿逆时针方向旋转。从以前的研究者们对流体流动特性的 研究和我们在日常生活中流体流动方式的经验积累中来看，无论是液体或气体，在 没有受到外部扰动影响的情况下，在地球的北半球，流体的旋转方向大多呈逆时针 方向旋转；相反，在地球的南半球，流体的旋转方向大多呈顺时针方向旋转。这些 现象也可以从海洋的潮流运动和大气发生的龙卷风等现象中得到证实。因此，我们 可以断定，在地球上，由于其所处的位置不同，流体在流动的过程中，所受到地球 磁场影响作用力的大小和方向是不相同的，这样就会引起流体在流动过程中旋转方 向的不同。同时，对于实际火灾过程中发生的火旋风来说，由于火焰内部燃烧的不 完全性，会在火焰的内部产生大量带有电荷的极性分子和离子。由于地球磁场的存 在，地球磁场势必会对这些极性分子的运动产生一定程度的影响，从而改变火焰的 燃烧特性，对实际火灾过程的火旋风来说，会影响到它的旋转特性和燃烧的稳定 性。因此，为了研究地球磁场对实际火灾过程中的火旋风的影响程度，我们就提出 了磁场对旋转火焰特性影响的研究这一课题。 但是，火旋风是一种不太常见但危害性却十分巨大的一种潜在的火灾形式。这 种高速旋转的悬浮火焰羽流会增加森林火灾和室外火灾的危害性。对于火旋风现象 的研究，许多研究工作者花了几十年的时问来研究这种具有灾难性的火灾形式，得 到了一些重要的研究成果。但总的来说，出于全尺寸火旋风的研究受到许多因素的 2 第啦绪论 制约，例如安全性、经济性、可控制性和可行性等。然而，由于实验室所得到的旋 转火焰和实际火灾过程中的火旋风具有很大程度上的动力学相似性和燃烧特性的相 似性，因此，采用比例模型的研究方法，从旋转火焰的生成机理和发展规律着手， 通过一个旋转的磁场来产生一个旋转火焰，并通过研究磁场作用下旋转火焰的燃烧 特性和动力学特性，来研究实际火灾过程中的火旋风的发生和发展规律以及它受到 地球磁场影响的有关特性是其研究方法的一个重要特点。 1 2 前人的研究 有关对旋转火焰的发生和发展规律的研究，早在二十世纪六十年代就已开始 i t & 4 - 8 1 。在以前所进行的大量研究工作中，研究人员进行了大量的理论分析和实验模 拟，取得了一些重要的研究成果。这些研究成果对于我们了解在森林火灾和室夕 火 灾中出现的火旋风的形成和发展规律提供了一定的理论基础。对于旋转火焰早期的 研究，e m m o n s 和y i n g 【l 】作了一些理论上的分析和实验上的验证。他们将一个装有 丙酮的圆形小池放在一个能够旋转的圆柱形外罩的中心，然后点燃丙酮并使圆柱形 的外罩旋转起来，这样，火焰周围的空气由于受到圆柱形外罩旋转摩擦力的作用也 旋转起来，火焰由于这个强加的切向转动惯量而旋转起来，这样一来就形成了一个 旋转火焰，其所采用的实验模型如图1 2 所示。 图1 2 蛆迫旋转火焰模型 他们在实验中观察到，随着圆柱形外罩旋转速度的增加，旋转火焰由于受到气 流的拉伸作用，在其旋转轴的方向上长度也会增加，但火焰会随着旋转强度的增加 而变细，从而形成一个细长的火焰苗。从物理学的方面可以作如下解释“1 ：由于旋 粥一荦绪论 转火焰在燃烧的过程中，空气和燃烧产物所形成的混合气体在由于温度差所产生的 浮升力的作用下加速，产生了受限应力场，这个受限应力场作用于旋转火焰的羽流 中心，使火焰受到旋转拉伸作用而变得细长。同时，在他们的实验中，他们也得到 了旋转火焰的温度场随火焰旋转强度的变化关系。从他们的实验中可以得知，随着 旋转火焰旋转强度的增加，火焰的某些部位的温度会升高。 然而，对于e m m o n s 和y i n g i l l 所做的实验来说，他们虽然提供了旋转火焰的高 度和温度的分布与旋转火焰旋转强度的变化特性，但是，他们没有提供有关旋转火 焰的流体的速度场和压力场的特性随旋转火焰的旋转强度的变化特性关系的有关数 据，这也是他们实验的不足之处。在二十世纪八十年代，s o m a 和s a i t o n 也对旋转火 焰的特性进行了研究。在他们的实验中，得到了火焰中烟气的流动速度和角速度随 着旋转火焰的变化呈现递减规律性变化的结论。同时，在实验中，得到了旋转火焰 的涡核半径和火焰的强度随其旋转强度的变化关系。在九十年代中叶，s a t o h 和 y a n g t 7 捌也对旋转火焰的有关特性的变化作了数值模拟和实验研究。他们在研究的过 程中没有建立自己的研究模型。在他们的实验当中，他们采用了周围带有开口的四 个壁面且上端敞开的实验装置形成一个四角切园的进气模式，产生了自激状态的旋 转火焰。他们认为，自激状态的旋转火焰比强加一个转动惯量的旋转火焰更符合实 际森林火灾和室外火灾中的火旋风模型。在他们的实验中，得到了自激状态的旋转 火焰与e m m o n s 和y i n g 1 1 所利用强加转动惯量所产生的旋转火焰具有类似的特性。 在九十年代末，f r 锄c i n e l l 5 , 1 6 等人也对旋转火焰的有关特性进行了比较详细的数值分 析和实验研究。他们在实验和理论分析中所采用的模型同e r n m o n s 和y i n g 1 l 所采用 的模型相近似。f r a n c i n e l l l l6 】等人的实验结果与前人所得到的实验结论基本相同。但 是，从f r a n c i n e 1 5 , 1 6 等人的实验中也得到了一些与前人不相同的结果。在以前的实验 中，所得到的结论是旋转火焰的高度总是随着其旋转强度的增加而增加，而在他们 的实验当中，却发现了旋转火焰的高度在一定范围内随着旋转角速度的增加而下 降，在到达一定的值域后，再随着其旋转强度的增加而得到拉伸的作用而变得细 长，高度增加；其旋转火焰中心的温度变化趋势也是如此。同时，火焰总的体积会 随着旋转强度的增加而呈减小的趋势，而高温区增加，火焰燃烧得更加强烈。在九 十年代初期，n i w a k a y a m a l l 4 j x 寸f 散火焰在磁场中的变化特性作了初步的研究。在 实验中可以观察到，在均匀磁场的作用下，燃烧蜡烛火焰的高度和燃烧特性没有什 么变化。但是在非均匀磁场的作用下，蜡烛的火焰高度和燃烧特性发生了改变，其 4 第一常绪论 火焰的高度变小了，而且磁场的强度越强，蜡烛燃烧的火焰高度也越短，燃烧也越 强烈，燃烧的温度也越高。这说明了磁场的作用确实能够改变燃料的燃烧状况，从 而可以改变燃料燃烧过程的特性，使得燃烧更加剧烈。同时使得火焰产生偏移，这 主要是由于离子风效应。在九十年代末，a a d r e a d 17 1 等人对地球的旋转对管内层流 运动的特性进行了研究。从他的研究成果中可以看出，由于地球旋转所产生的科氏 力对流体的流动会产生一定的作用，这主要与流体的e k 数有关。由于e k 数反映了 流体流动过程中的粘性力和科氏力相对大小的关系。而在流体的流动过程中，在地 球上的不同位置，其所受到的科氏力的作用程度是不同的，这样就会引起流动方向 的改变，在流体的边界或某一个面上产生一个切向作用力，使流体产生旋转作用， 形成一个旋转的涡。而对于火焰来说，地球磁场的作用就有可能形成旋转火焰，而 在实际的森林火灾和室外火灾中，就有可能发展成为危害性巨大的火旋风。 总结前人的研究，虽然他们在通过实验和理论上的分析，得到了旋转火焰的部 分燃烧特性即火焰的温度和高度在一定范围内随着火焰旋转角速度的增加而增加， 同时通过实验得到了磁场的作用会增加火焰的燃烧强度。但是，他们没有从理论上 对磁场对火焰燃烧特性的影响程度进行分析，也没有研究磁场对火焰旋转强度和稳 定性的影响特性进行分析。因此，他们的研究存在一定的局限性。 1 3 本论文的研究内容和方法 从前人对流体流动过程中的分析来看，对于旋转火焰来说，引起其产生旋转的 作用力主要包括以下几个方面： 1 流体的粘性力。这主要是流体在流动的过程中，由于流体间存在的速度梯度的 摩擦而产生的； 2 流体的斜压性。这主要是由于流体在流动过程中其密度的变化而引起的，其在 流体的内部形成密度差作用于流体； 3 流体在流动的过程中受到地球磁场所产生的科氏力这种非保守力的作用，从 而使流体在流动过程中改变运动方向而产生旋转作用； 4 地形的影响。这主要是流体在流动的过程中要绕过障碍物，在障碍物的尾部 尾迹流形成的压力梯度使流体存在一个切向力的作用而形成涡流。 从涡流形成的条件来看，在其形成过程中，必须存在一个切向力的作用，这个 切向力作用于流体，产生一个切向的力矩，从而引起流体的切向运动而形成涡。对 第一乖绪论 于火焰来说，就会产生一个旋转火焰。然而，就旋转火焰来说，在其自然对流的情 况下，摩擦力相对其它两利，情况所产生的作用力来说相对较小。旋转火焰涡量产生 的主要原因是出于流体的斜压性和地球旋转所产生的科氏力所引起的【1 8 2 0 。 总结旋转火焰的有关特性，我们可以看到，在地球上的不同位置，由于地球磁 场的强度是不相同的，其磁场对旋转火焰作用的程度也就不相同。因此，为了解磁 场对旋转火焰的发生和发展规律性的影响，我们就提出了本研究课题。即磁场对旋 转火焰特性影响的研究。通过本课题的研究，我们可以模化森林火灾和室外火灾中 所发生的火旋风的有关成因特性和发展规律。利用磁场周期性的变化来模化地磁场 的有关特性，探索地磁场对森林火灾和室外火灾中火旋风的形成条件和发展规律的 影u 向程度，从而更进一步地了解森林火灾和室外火灾中火旋风的形成条件和发展规 律性。使我们对森林火灾和室外火灾中的火旋风的形成机理有更进一步的了解，从 而在实际火灾中，对影响火旋风的成因发展条件加以控制，以避免火旋风的发生和 发展。 对于旋转火焰来说，由于其火焰燃烧方面的特殊性，在燃料的燃烧过程中，火 焰内部燃烧的不完全性，会产生大量的烟尘粒子，这些烟尘粒子是带有电荷的离子 或离子团所组成。它们在磁场的作用下会改变旋转火焰的燃烧特性，使得旋转火焰 的燃烧状态发生改变，燃烧更加强烈，从而会直接影响到火旋风的发生和发展。根 据以上的理论和实验研究结果，我们可以推断，无论是磁场或电场都会对旋转火焰 的发生和发展产生一定程度的影响，会改变旋转火焰的燃烧特性和火焰的结构。从 旋转火焰产生的机理来泌，它是由旋转火焰和外界环境之问的温度差而引起的气体 的密度差而引发的。在燃料的燃烧过程中，火焰内部燃烧特性使得燃烧产物产生不 同程度的离解，使得部分的燃烧产物变成具有极性的离子或离子团。在磁场的作用 下，这些具有极性的离子或离子团的运动轨迹会产生一定程度的偏移，由原来的无 序运动而成为有序运动，在此运动过程中，火焰中带有正电荷的离子或离子团起主 要作用。这样就使得旋转火焰的燃烧条件得以改变，使这些未能完全燃烧的具有极 性的离子或离子团能尽快地和空气中的氧结合，使燃烧得以加剧，旋转火焰的燃烧 温度就会升高，这样一来，就会使旋转火焰的燃烧特性得以改变，旋转火焰的旋转 强度也会发生变化。因此，本研究课题作为一个有关旋转火焰问题的基础理论研 究，其研究内容主要包括以下几个部分： ( 1 ) 磁场强度对旋转火焰的特性参数的影响； 如一章绪论 ( 2 ) 旋转磁场对火焰作用引发火焰旋转的1 | f i j 界值及磁场方向的改变对火焰旋 转的临界值的影响： ( 3 ) 磁场对旋转火焰涡量的影响； ( 4 ) 磁场对旋转火焰稳定性的影n 吼 ( 5 ) 实际火灾中火旋风强度测量方法的研究。 在以上几个方面的研究中，首先，我们研究磁场对火焰特性参数的影响。因为 在旋转火焰的生成之中，其存在顺时针旋转和逆时针旋转两种不同的旋转方式，根 据有关文献的解释，这主要是受到科氏力和洛伦兹力的影响所导致的( 在地球的北 半球，常见的是逆时针旋转：而在南半球，则大多是顺时针旋转) 。在本实验中， 在火焰没有旋转的情况下，对磁场进行旋转，同时，改变磁场的强度和磁场的方 向。探讨旋转磁场引发旋转火焰的临界值，从而找出旋转火焰产生旋转的内在规律 性。其次，研究磁场强度的改变对旋转火焰的特性参数( 包括发热量、温度、压 力、等) 的影响。在这里，进行定量的分析，从而找出磁场的变化对旋转火焰内在 规律的影响程度，揭示其内在规律的本质。再者，研究磁场的变化对旋转火焰涡量 和稳定性的影响进行研究，尽可能地找出旋转火焰产生的内在原因和临界条件，从 而在森林大火发生时，预测火场产生旋转火焰的可能性以及如何避免火旋风的发生 和发展，为火灾消防人员提供参考，从而避免不必要的人员伤亡和财产损失。 一笙二翌堕堡 参考文献 【1 】h we m m o m a n ds j y m g , t h ef i r ew h i r l ，e l e v e n t hs y m p o s i u m ( i n t e r n a t i o n a l ) o nc o m b u s t i o n 1 9 6 7 ：4 7 5 4 8 8 【2 】b r m o r t o n ，t h ep h y s i c so f f i mw h i r l ，f i r er e s e a r c ha b s t r a c t sa n d r e v i e w s ，1 9 7 0 ，1 2 ( 1 ) ：l 1 9 ( 3 】d a h a i n e sa n dm c s m i t h ，t h r e et y p eo f h o r i z o n t a lv o r t i c e so b s e r v e di nw u d l a n dm a s sa n dc l o w n r i m s ，j o fc l i m a 把a n da p p l i e dm e t e o r o l o g y , 1 9 8 7 v 0 1 2 6 ：1 6 2 4 - 一1 6 3 7 f 4 】e a w i l l i a m s ，u r b a na n dv 忻l d l a n df i r e p h a n o m e o o l o g y , p r o g r e s s s c i e n c e , 1 9 8 2 8 ：3 1 7 _ 3 5 4 【5 】5 s s o m aa n dk s a i t o ，r e c o m t r u c t i o no f f i r ew h i r l su s 吨s c a l e m o d e l s , c o m b u s t i o na n df l a m e , 1 9 9 1 ， 8 6 ：2 6 9 - 2 8 4 【6 】th i r a n oa n dk s a i t o ，f i r es p r e a dp h e n o m e n a ：t h er o l eo fo b s e r v a t i o ni ne x p e r i m e n gp r o g r e s si n e n e r g ya n dc o m b u s t i o ns c i ，1 9 9 4 ，2 0 ：4 6 1 4 8 5 【7 1 k s a t o h a n d k t y a n g , e x p e r i m e n t a l o b s e r v a t i o n o f s w i r l i n g f i r e s ，a s m e h t d , 1 9 9 6 ，3 3 5 ：3 9 3 4 0 0 8 】k s a t o ha n dk zy a n g , s i m u l a t i o n so fs w i r l i n gf i r e sc o n t r o l l e db yc h a n n e l e ds e l f - g e n e r a t e d e n t r a i n m e n t f l o w s , f i r e s a f e t y s c i ，p r o c e e d i n g s o f t h e f i l t h i n t e r n a t i o n a l s y m p o s i u m ，1 9 9 7 ：2 0 1 之1 2 【9 】n a c h i g i e re tu i ，j e tf l a m e si nr o t a t i n gf l o wf i e l d s , c o m b u s t i o na n df l a m e , 1 9 7 0 , 1 4 ：1 7 l 一1 8 0 【10 1vt a n g i r a l a a n dj ed r i s e o l l ，t e m p e m t u r ew i t h i n n o n - p r e m i x e df l a m e s ：e f f e c t so f r a p i dm i x i n g d u o t o ps w i r l ，c o m b u s t i o ns c i a n dt e c h ，1 9 8 8 , 6 0 ：1 4 3 1 6 2 1 1 1 2 范维澄王清安张人杰霍然编著，火灾科学导论，湖北科技山版社，1 9 9 3 金晓钟程邦瑜。森林火灾过程中的火旋风特征，自然灾害学报，1 9 9 7 年5 月，6 卷2 期 3 4 4 1 f 】3 】l x i e , g s a g i y a m a e ta 1 ，i n v e s t i g a t i o no nt h ee f f e c to f e l e c t r i cf i e l d so ns o o tf o r m a t i o na n df l a m e s t r u c t u r eo fd i f f u s i o nf l a m e s , p r o c e e d i n g so ft h ef i r s ta s i a n - p a c i f i ci n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo n c o m b u s t i o na n de n e r g yu t i l i z a t i o n , b e i j i n g , o c t 1 9 9 0 ：6 1 6 6 1 4 】n i w a k a y a m a , m a g n e t i cp r o m o t i o n o f c o m b u s t i n ni nd i f f u s i o nf l a m e s ，c o m b u s t i o na n df l a m e , 1 9 9 3 9 3 ：2 0 7 - 2 1 4 1 5 】b f r a n c i n e ，s i m u k i n g f i r ew h i r l ，c o m b u s t t h e o r ym o d e l l i n g2 0 0 0 ，4 ：1 2 3 一1 3 8 【1 6 lb f r a n c i n e , t h e f l u i dm e c h a n i