低速侧向风效应下的多点火方阵中火旋风现象实验研究

1、低速侧向风效应下的多点火方阵中火旋风现象实验研究姚鹏，欧阳力，佟祥飞，江平*（沈阳航空航天大学安全工程学院，辽宁 沈阳，110136）摘要：本文基于等间距油盘方阵对在低速侧向风流场中多火源燃烧形成火旋风的特点进行了研究。由于热量反馈和空气卷吸受限二者彼此的竞争作用，在低速风下火旋风出现次数随S/D增大呈现先增大后减小的规律；火旋风高度和平均热释放速率之间在不同的S/D区间内存在不同系数的正相关关系。结合实验观测和理论知识证明侧向风导致的环量产生火旋风形成必要条件：涡量。在静止空气环境中，速度环量积分为0,无法形成火旋风。同时火旋风出现的位置也同样依赖于方阵中流场的分布特点。关键词：低速侧向风；

2、火旋风高度；平均热释放速率；环量与涡量 中图分类号：X954文献标识码：A0引言擦力为火旋风产生需要的三个基本条件2，其火旋风是一种在森林与城市火灾中常见的特殊火现象。由于气流等因素的复杂相互作用形成的螺旋上升式火旋风燃烧速度快, 温度高，难以扑灭，一旦出现在会在短时间内造成重大人员财产损失；多火源燃烧指的 是多个邻近火源同时被点燃时的燃烧现象，描述的是群发性火灾燃烧如何向区域大火突变2。在实验室尺度下可以通过等间距的多点 中又以旋转体最为重要。由于多点火方阵模 型涉及了火源之间的相互作用问题，十分接 近于诸于森林火灾和城市群发性火灾等实际 火灾场景的发展过程，得到了不少学者的关 注3-5。但

3、是研究重点集中在火焰之间的相互 作用，对于阵列中诱发火旋风现象的具体研 究很少6,7，在该情形下火旋风产生、发展的 影响因素的研究又更加少了。火方阵定量研究多火源燃烧。与之前火旋风试验中人为制造的强迫剪基于单火源模型对火旋风的研究已经经切流场相比，低速侧向风则是近似均匀地从历较长时间，相关的形成机理也得到一定发 展，成果之一便是确定旋转体、流体汇和摩 多点火方阵的某一个侧面吹入阵中，这种流 场更加接近自然火灾场景中生成火旋风的旋江平转流场。本文基于5X 5多点火方阵实验模型, 重点探讨了低速侧向风来流条件下，改变火方阵间距，通过计算机对实验拍摄的火焰燃烧视频进行分析，计算火旋风的各参数在不差控

4、制在1g以内。为了创造出均匀的侧向风风场，实验使同条件下的变化情况。同时结合已有的火旋用了 220V、0.75kw，风量为 9000m3/min 的风形成机制和多火源燃烧相互作用机理1，对轴流风机，自主设计制造了规格为 2论1论实验结果进行了一定的解释。0.5m的简易风道。在出风口，用直径为 2cm,1 实验长为10cm的自制阻尼管填充。通过阻尼管减缓轴流风机输出风 场的涡旋性，并结合风道1.1实验环境缓和作用使得进入方阵的风速处处均匀；同实验是在安全工程学院消防综合实验室时通过改变风道与实验平台的距离来控制进内规格为5.3m X 5mx 3.2m的玻璃-钢架结构入油盘方阵的风速。使用风速计对

5、方阵中各的实验场所内完成的。该试验空间后方有处风速的检测表明,上述方法较好的满足了独立排烟孔，在实验时保持密闭，实验后人预期设计要求。为操纵实现快速排烟。除此之外，在关闭门之后认为整个实验空间保持严格的密闭。保持每次实验开始前场所内温度稳定在25 r左右；相对湿度为69%(a)油盘方阵1.2实验装置(b)摄像机实验是用25个完全相同的铁质圆形油盘组成的5X5有序方阵作为基本装置的。油盘(C )电子天平_ - IdMJa的直径D为0.05m,实验时相邻油盘圆心距保(d)风道与阻尼管持相等的间距S,排成5X 5的方阵摆放在铺图1实验装置有一层绝热板的水平地面上。这里的S是相Fig.1 Schema

6、tic of exp erime ntal con figuratio n邻油盘圆心之间的距离，实验中的距离变化1.3实验视频处理本实验主要实验数据是通过处理摄像机范围S/D=2,3,4,5,6,7,8,9。将摄像机的曝光率调低以减弱非火焰光的干扰；保持摄像机视频内容得到的。火旋风的出现次数n、持续的位置与侧向风流速方向垂直，对燃烧的全时间均可以通过视频直接观察得出，主要问过程予以拍摄。实验所用燃料为97%屯度的正题在于火焰高度值h的提取。虽然也可以通庚烷，通过量杯和精度达 0.1mg的电子天平过确立标尺直接观察，但是考虑到摄像机与确保每次实验给每个油盘所加油料的质量偏方阵所在平面不一定完全平

7、行，这种方式有较大偏差。实验处理首先用KM player以所有帧形式对视频进行截图，实验小组编写了一组 MATLAB?序，可以将用 Photoshop CS5lit处理截图后得到的每一帧火旋风区域图像转501-换为二值图并自动叠加生成火焰脉动间歇率图谱。叠加后的二值图黑色区域是背景，分成层次的非黑色区域显示的是火焰在该区域101 =出现的频率，亮度越高表示频率越大。火焰高度取非黑色区域的最低点到最高点的像素值的50%再参照已知的油盘直径将像素值转-5005CTGC15&图4多张二值图叠加的火焰脉动间歇率化为长度值。Fig.4 The intermittent rate of flame puI

8、sation with sup erim posed binary images2实验结果与分析2.1火旋风高度如图4所示，在V1风速下火旋风高度呈现出在这样的规律：在S/D处于36之间时h处于第一个阶段，相互差别不大；S/D处于图2火旋风截图79时处于第二个阶段。但是这两个阶段之间120Fig.2 Scree nshot of fire whirl110)mE度高风旋火603456789S/D,D=5cm图4 V1风速下火旋风高度Fig.4 The height of fire whirl under V1 windspeed图3二值图Fig.3 Bi nary image差别较大。考虑到在

9、S/D位于12时火焰融方阵的风速是近似均匀的，V1的范围在0.10.4m/s;V2合且没有火旋风出现，在S/D处于第一阶段的范围在0.81.4m/s.时，由于相互间隔适中，火旋风既能得到周2.2火源质量损失速率和热释放速率围油盘所能提供的热量反馈从而加快液面蒸质量损失速率和热释放速率是衡量火旋发速度；同时恰当的距离也使火旋风获得足风对多火源燃烧影响程度的重要参量。计算够的氧气，不会因为缺氧而在其发展过程当公式为:中“夭折”从而螺旋式上升。在第二阶段虽然理论上有更充足的氧气供应，但由于 S增(1)大，油盘间的热量反馈迅速减弱，蒸发量无法跟上燃烧速率，火旋风无法继续发展。表1火旋风实验工况m为单位

10、面积质kg/(m2 $); iW为燃料质量,失速率，kg ; At为火焰燃烧时间，s ； A为燃烧区油盘总面积，m2序列S/cmnv/m sh/cmm71o2dd为平均热释放速率，1100V12.485.422153V1111.251.994.36MJ/kg ，97% 纯度32020642014V1118.721.633.5644.6MJ/kg。525001.272.795.562516V1100.422.084.567256V286.422.134.665-830000.781.7193017V1107.401.834.01W 4.510307V268.001.864

11、.06速 4113513V168.411.513.29124011V175.331.373.00热3.5-13459V187.521.332.90Table 1 Exp erime ntal con diti ons for fire whirlkw ； AHc为燃料热值,3的正庚烷热值为(2)由于风速影响，个别油盘燃烧时间很长，对结果影注：( 1)实验3,4;5,6,7;8,9,10 各自为对比实验组;2.5 23456789S/D,D=5cm响很大，所以燃烧时间统计时以大面积火焰熄灭为终图5 V1风速下平均热释放速率止时间；(3)由于风速计精度轴流风机成风的特点等原因，测Fig.5 Ave

12、rage heat release un der V1 wind sp eed随着S/D增大，同样由于热反馈与氧气量岀的风速并不稳定,所以没有给岀精确值.但是进入量的原因热释放速率整体呈现下降趋势。 表1中风速为V2时的值和风速为V1时的值差别不大；但风速为0时其Q值同比明显较低。这说明外加风场使得火焰面对液面的辐射增是在因人为走动空气尚未静止的点火初期, 后期一直未出现。这表明在风速为零的静止大，加快了液体燃料的燃烧速率，这与魏涛 等9针对单个油盘的模拟结果吻合。并推测风 空气环境中是不能形成火旋风的。在风速显著增大至 V2的实验7、10中,速在一定区域内对热释放速率的影响是稳定 与相同S、

13、风速为V1的情形相比，火旋风出的，只有风速达到另一个数量级才会由明显现次数、高度以及热释放速率都大为下降。的变化。2.3风对火旋风形成的影响流体汇和摩擦力在多火源燃烧中是较为2.3.1低风速情形容易实现的条件。由以上三种情形的对比可在风速为V1情形下火旋风出现频次如图以证明火旋风形成的一个重要素-旋转体所示，在S/D为3时仅在初期出现3次，后是由外加风场所提供的。外加风场风速 V在期由于间距过小，火焰融合。随后当S/D逐空间坐标系下可以分解为u、V、w，分别为渐增大时，由于周围的热反馈充足，氧气供火旋风的螺旋式上升旋转提供了切向速度、应逐渐增多，n逐渐增加到一个极大值；随后向心速度和上升速度；

14、由流体力学的相关知S增大，热量反馈不足，n再次下降。识，整个方阵的流场对火旋风的涡量18(vorticity )形成起到至关重要的作用。正是16在不同情形下阵中流场不同，火旋风出现的14位置和形态才会千变万化。n数次现出风旋火2 *3456789S/D,D=5cm图6 V1风速下火旋风出现频次Fig.6 Fire whirl occurrence freque ncy un der V1wind sp eed2.3.2无风和高风速情形表1中序列3、5、8的火旋风出现次数图7 V1风速下出现在方阵正中间的火旋风Fig.7 Fire whirl appeared in the middle of

15、the分别为2、0、0,其中序列3中出现的2次都square un der V1 wind sp eed形成火旋风的位置也明显不同(图 2)。lL(udx + vdy+wdz)当火旋风产生时，流体微团本身发生了旋转,所以认为在该种情形下是有旋流动。在有旋流动中，速度环量与涡量存在联系。对封闭曲线L包裹的平面区域S用两组坐标的平行线分割成一系列微元。求每一块微元面积的图8 0风速下的稳定燃烧情形速度环量并求和，得到区域总速度环量。dF = JLV dsFig.8 Stable combustio n con diti ons un der zerowind sp eed=(u+ 竺竺)dx+(v

16、 +空dx +色 向ex 2exdy 2如图7中以环形闭曲线L为研究对象。该火旋风位置出现在5X 5阵中央，说明周围_(u+dy+)dx-(v + dycyex 2cy2)dy火焰对中央油盘的外加环量恰在此处。=(空-竺)dxdy =2国 zdxdy ex cy(5)图9火旋风矢量图Fig.9 Fire whirl vector绕整个封闭曲线的速度环量为:rLV记s =X + vdy)-J (竺-旦)dS s ex cy(6推广到三维空间中的封闭曲线 L上，计算的速度环量仍等于二倍角速度乘围线所包的面如示意图8中的流场速度方向和图7中L闭积，但这面积应取其在与涡线相垂直的平面 上的投影值10。

17、沿一块有限大的曲面S的围合曲线逆时针绕行，与规定的积分正方向相线L的环量仍等于S面上各点的二倍角速度同，则速度环量:与面积dS点积。即:J V dL = J V cosdL (3)速度分解后为u、v、w ; dL分解为dx、dy、JL2才记8 = JJ rotV 记8 (7)SSdz。在风速为0的情况下，流动为无旋的，速呈现先增大后减小的规律；在高速风下同比度垂直于闭合积分曲线。存在位函数，那么火旋风出现次数大大减少。上式中的u、v、w都可以用 的偏导数表达:(2)火旋风高度和平均热释放速率之间存在u=心兰dxdycz正相关关系。由于热量反馈和空气卷吸受限二者彼此的竞争作用，在S/D处于一定范

18、围pCp了（二 dx+dy + dz） I? IJ-.J-.*J-.炳cz内的区域时基本保持不变，但是区域彼此之间相差很大。（9）(3)风是形成火旋风的必要条件。实验证实,说明在无旋流动中，沿着任意一条封闭曲线完全静止的空气环境中是不能产生火旋风的速度环量均等于零。所以火焰只有倾斜趋的。结合流体力学，从实验观测和理论分析势，无法形成火旋风,同时由于油盘间距过证明风为火旋风涡量的形成提供了必要条大火焰无法融合(图8）。件：在静止空气环境中，速度环量积分为0；3 结论在有风环境中，该积分必不为0。同时火旋风出现在什么位置也同样依赖于方阵中流场的对D=0.05cm的5X 5油盘方阵在低速侧分布特点。

19、向风条件下，通过改变油盘间距 S研究火旋风的相关特征量的实验，得到以下主要结论:(1)在低速风下火旋风出现次数随 S/D增大参考文献1雷佼，范维澄，刘乃安.火旋风燃烧动力学的实验与理论研究D,中国科学技术大学，合肥, 2012 2刘琼，刘乃安.多火源燃烧动力学机制与规律研究D,中国科学技术大学，合肥，20103 Putnam AA,S peich CF.A model study of the in teracti on of mult ip le turbule nt diffusi on flamesJ. Proceedi ngs of the Combustion In stitute,

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21、te 32(2009) 2519-2526.6 Satoh K, Liu N, Yang KT. Experiments analysis of interaction among multiple fires in equidistant fire arraysA.Proceedings of the ASME Summer Heat Transfer ConferenceC,2005(1):709 712.7 Liu NA, Liu Q, Deng ZH, Kohyu S, Zhu JP. Burn out time data analysis on interaction effects

22、 among multiple fires in fire arraysJ.Proceedings of the Combustion Institute 2007,31:2589 2597.8 Emmons HW, Ying SJ, The fire whirl. Symposium on Combustion,1967.11(1):475-4889 魏涛,李松阳,廖光煊. 外加环量作用下池火火旋风的数值模拟 .中国工程热物理学会学术会议论文.燃烧学C，编号：09415610 E.约翰芬纳莫尔，约瑟夫B.弗朗兹尼.流体力学及其工程应用M.钱翼稷等，译.北京：机械工业出版社， 2005Expe

23、rimental study on fire whirl in multiple point fire arrays underthe effects of low lateral windYAO Peng,OUYANG Li,TONG Xiangfei,JIANG Ping*School of Safety Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,Chin)aAbstract: A study of the fire whirl fesatures for square fire arrays consisting of multiple equidistant fires under the effects of low lateral wind is presented. Due to the competition between heart feedback and