火旋风的火焰与燃烧特性实验研究（陈璞） - 图文

第一章绪论律，并揭示了多火焰燃烧相互作用的基本受控机制，研究了火旋风对多火焰总体燃烧速率的影响。以下简单介绍已有研究工作的基本内容和结论。１．１．１实验研究由于火旋风的突发性和复杂性，要想得到实际发生的火旋风的数据资料非常困难。因此，模拟实验研究是探索火旋风特征的有效方式，可为理论分析与数值模拟的发展提供重要依据。上世纪６０年代，Ｅｍｍｏｎｓ和Ｙｉｎｇｔｌｌ】通过实验对火旋风进行了研究，被认为是最早对火旋风进行定量实验研究的工作。他们将４英寸直径的丙酮油盘放置于一个８英尺的圆形实验平台正中，实验平台外边界围着一个１０英尺高的纱窗圆筒，圆筒可通过电机控制进行旋转，从而诱发对称圆柱体状的火旋风于轴线上，改变圆筒的旋转速度可控制进入气流的角动量。他们测量了各种不同环量条件下火旋风固定高度处的径向温度分布，发现随着环量增大，火旋风的平均直径降低，平均温度升高。对此的物理解释是湍流混合被强烈抑制。但他们没有对火旋风的燃烧速率、火焰高度和热流分布等燃烧特性进行研究，也没有给出火旋风的速度场分布。随后，ＢｙｒａｍａｎｄＭａｒｔｉｎ（１９７０）ｔ１２】详细讨论火旋风产生的基本原因，总结了在实验室模型尺度产生火旋风的方法，并初步研究了火旋风的速度场分布特性和物理结构。他们提出，火旋风等热驱动涡的形成必须有三个必备条件，即存在一个生成涡（Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｅｄａｙ），在涡内存在一个流体汇（Ｆｌｕｉｄｓｉｎｋ），并具有某些摩擦力或拖拽力施加给水平表面的空气运动，以形成涡的底部边界。他们将火旋风简化为一种具有有限圆形截面的直线涡丝，并基于角动量守恒理论推导了火旋风切向速度和压力随径向的分布规律，但只给出了粗略的实验对比，也没有对涡核轴向速度进行分析。Ｓａｔｏｈ和Ｙａｎｇｔｌ３】通过四墙壁．狭缝火旋风模型实验研究了自发火旋风。他们将液体油盘放置于四面等宽墙壁环绕的长方体中，在四个墙角沿轴向各有一道宽缝，当火焰在长方体中间燃烧，大量气体受热上升，燃烧体内压强减小使得墙外空气源源不断地被卷入，空气流经狭缝时就形成剪切流并环绕火焰旋转。他们采用多种燃料进行研究发现火旋风的长度和燃烧热（取决于燃料种类、挥发性）有关，随着燃料挥发性降低，火旋风的长度减小。但没有对火旋风的流动与燃烧特性进行细致测量。自１９８０年代以来，Ｋｅｎｔｕｃｋｙ大学的Ｋ．Ｓａｉｔｏ研究组开始寻求相似理论和量纲分析方法在火旋风研究中的应用【协２们。他们研究了可能用于模化火旋风的无量纲数，并应用这些无量纲准则指导实验研究，代表性工作是对东京大地震后导致３８０００人死亡的火旋风的１／１００模拟实验（ＳｏｍａａｎｄＳａｉｔｏ，１９９１）¨州。由于是室外实验，实验测量相对粗糙。由于火旋风的基本燃烧物理机制和规律尚２第一章绪论不清楚，给选择无量纲控制参量带来困难，因此迄今尚未得到可用于火旋风模拟的可靠的无量纲参量集。特别地，包含最关键参量——Ｆｒｏｕｄｅ数和外部环量的无量纲关系尚未成功建立，因为这依赖于对火旋风燃烧随浮力和周围流场环量的变化规律的揭示。２００８年，Ｋ．Ｓａｉｔｏ研究组基于相当粗略的实验结果提出了一个包含外部环量的无量纲火焰高度表达式１２们，但可靠性尚须细致验证或修正。Ｂｙｒａｍ和Ｍａｒｔｉｎ［９】也用两个不同大小的相似圆筒进行火旋风实验，对比实验现象阐述了火旋风存在一定的相似性。１．１．２数值模拟数值模拟可以避免实验测量的各种弊端，直接对火旋风的温度场、流场等特征参量的深入的探索，并同时兼顾到化学反应、流体力学和传热传质等多个方面，在处理大尺度、非线性问题时有绝对优势，为实验研究和理论分析提供重要参考。目前随着计算机的飞速发展，各种燃烧的数学模型和数值计算方法相继出现，这些方法综合了燃烧学的基本概念、流体力学方法和燃烧室的工程设计，使得数值模拟成为研究燃烧理论的重要手段。ＧｏｓｔｉｎｔｓｅｖａｎｄＲｙｚｈｏｖ（１９９４）【２ｌ】首次采用二维粘性可压缩流体运动方程对火旋风进行了数值模拟，结果表明火旋风内部确实存在富燃料区域。Ｂａｔｔａｇｌｉａｅｔａｔ．［２２－２３］应用大涡模拟的方法，对圆筒火旋风进行了数值模拟，采用热微元模型模拟燃料和空气的扩散火焰研究了涡旋如何改变羽流动力学。其中旋转流场由外加的环量实现，通过改变环量的大小研究在不同强度的旋转流场中的火旋风结构。结果表明保持总热释放速率不变，圆筒从静止开始逐渐增大转速，火焰高度先递减到一个最小值然后逐渐增大，位于火旋风中轴线处的温度也有同样先减小后增大，同时局部热释放速率会增强而火焰区减小。Ｓｎｅｇｉｒｅｖ与Ｍａｒｓｄｅｎｔ２４】对房间大小的封闭空间内的火旋风的实验观察和模型研究，观察了涡核的周期性结构变化，分析发现火旋风的出现增加了平均燃烧速率。并建立ＣＦＤ模型观察火焰高度的变化。Ｆａｒｏｕｋ［２５１也用大涡模拟对四墙壁．狭缝模型形成的火旋风进行了数值模拟，同样采用热微元模型模拟燃料和空气的扩散火焰。在固定总发热率下通过改变狭缝的宽度研究其对火旋风的羽流动力学和燃烧的影响，并对燃烧产物的传输和混合进行分析。应该指出，这些数值模拟工作均没有与火旋风实验进行细致对比与验证。１．１．３理论分析研究燃烧现象需要将燃烧理论与湍流理论、多相流体力学、辐射传热学和第一章绪论复杂反应的化学动力学等学科交叉渗透，而火旋风作为一种特殊的燃烧现象，更包含复杂的旋涡现象及温度场与速度场的强烈耦合，具有多尺度、非线性等特点。通过对火旋风的理论分析，可以从本质上掌握火旋风的流场结构、形成机理等方面的规律，为火旋风的预防和扑救提供建设性指导。Ｍｕｒａｓｚｅｗ和Ｆｅｄｅｌｅｌ２６】假设火旋风为刚体旋转的火焰，研究涡核内的速度和温度分布，以及涡核与底部边界层和燃料传输的耦合，同时采用圆筒实验研究全尺寸火旋风的特性，通过改变环流速度观察其对火旋风流动机制特性的影响。他们基于涡核流体守恒方程建立了火旋风涡核的理论解析模型，详细推导了火旋风的速度分布（包括轴向速度）方程，但作了两个重要假设以简化分析过程：１）假设火旋风涡核的温度和气体密度是常数；２）假设轴向速度的径向分布符合帽形分布（Ｔｏｐｈａｔｐｒｏｆｉｌｅ）。这些假设和实验的结果是不相符的。例如，ＢｙｒａｍａｎｄＭａｒｔｉｎｌｌｚＪ指出在涡核内存在平滑的管状结构，并推测可能是未燃的燃料蒸汽，燃烧区则位于这个结构表面和涡核表面之间，因此温度和气体密度必定存在复杂的径向分布。帽形速度分布是在理想火羽流（Ｉｄｅａｌｐｌｕｍｅ）模拟中常用的形态分布，但研究表明高斯型分布（Ｇａｕｓｓｉａｎｐｒｏｆｉｌｅ）可能更加适合于实际火羽流（如ＨｅｓｋｅｓｔａｄＰｌｕｍｅ），而火旋风的速度场符合什么样的分布规律，迄今仍是未解决的问题。１．２研究目标和内容综合文献调研结果可以看到，由于火旋风在物理机制（流动一燃烧耦合）和动力学行为上的复杂性，科学界迄今对火旋风的科学认识还处于初步阶段，特别是缺乏对火旋风火焰与燃烧特性的实验研究。正如Ｂａｔｔａｇｌｉａｅｔａ１．【９Ｊ所评述的，至２０００年真正定量实验研究火旋风的论文不过三篇。火旋风的燃烧速率、火焰高度、温度分布、热流分布和热释放速率等随燃料和环境条件的变化规律有待揭示。本文的研究目标和内容是，开展火旋风模拟实验，通过实验模拟和理论分析，发展基于辐射误差修正的火旋风稳态火焰温度测量方法，系统研究在不同燃料尺度和环境流场等参数条件下火旋风的温度分布、环境流场、火焰高度、火焰结构、燃烧速率和热释放速率等动力学特性的变化规律，为建立稳态火旋风的相似理论和流动．燃烧耦合型火旋风动力学模型提供基础。１．３本文的章节安排４第一章绪论本文的章节安排为：第一章是绪论部分，主要阐述火旋风研究的背景和意义，总结回顾国内外的研究进展，归纳目前研究存在的问题，论述本文的研究目标和内容。第二章介绍火旋风模拟实验台的物理模型、结构设计和测量系统，并阐述火旋风的基本燃烧现象和特征，论证火旋风模拟实验的重复性。第三章针对火旋风模拟实验中的高温火焰温度测量进行辐射误差分析，通过在周－；灰ｔｊ点布设多根不同直径热电偶，基于不同热电偶测温误差的对比，分析几种多测量端温度误差修正方法，并通过两种粗细热电偶组合来检验不同修正方法的可靠性。第四章是论文在主体部分，重点通过与常规火羽流进行比较分析，系统论述火旋风的热释放速率、火焰高度、火焰温度、进风ＩＺｌ速度及火焰辐射等火焰与燃烧特性。第五章是论文的结论和展望。最后是本文的参考文献、致谢及作者在攻读硕士学位期间完成的学术论文和参与的科研项目。