低速側(cè)向風(fēng)效應(yīng)下的多點(diǎn)火方陣中火旋風(fēng)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)研究

1、低速側(cè)向風(fēng)效應(yīng)下的多點(diǎn)火方陣中火旋風(fēng)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)研究姚鵬,歐陽力,佟祥飛,江平*（沈陽航空航天大學(xué)安全工程學(xué)院,遼寧 沈陽，110136）摘要:本文基于等間距油盤方陣對(duì)在低速側(cè)向風(fēng)流場(chǎng)中多火源燃燒形成火旋風(fēng)的特點(diǎn)進(jìn)行了研究。由于熱量反饋和空氣卷吸受限二者彼此的競(jìng)爭作用，在低速風(fēng)下火旋風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)隨S/D增大呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律；火旋風(fēng)高度和平均熱釋放速率之間在不同的S/D區(qū)間內(nèi)存在不同系數(shù)的正相關(guān)關(guān)系。結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和理論知識(shí)證明側(cè)向風(fēng)導(dǎo)致的環(huán)量產(chǎn)生火旋風(fēng)形成必要條件：渦量。在靜止空氣環(huán)境中，速度環(huán)量積分為0，無法形成火旋風(fēng)。同時(shí)火旋風(fēng)出現(xiàn)的位置也同樣依賴于方陣中流場(chǎng)的分布特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：低速側(cè)向風(fēng)；

2、火旋風(fēng)高度；平均熱釋放速率；環(huán)量與渦量中圖分類號(hào)：X954 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A0 引言火旋風(fēng)是一種在森林與城市火災(zāi)中常見的特殊火現(xiàn)象1。由于氣流等因素的復(fù)雜相互作用形成的螺旋上升式火旋風(fēng)燃燒速度快，溫度高，難以撲滅，一旦出現(xiàn)在會(huì)在短時(shí)間內(nèi)造成重大人員財(cái)產(chǎn)損失；多火源燃燒指的是多個(gè)鄰近火源同時(shí)被點(diǎn)燃時(shí)的燃燒現(xiàn)象，描述的是群發(fā)性火災(zāi)燃燒如何向區(qū)域大火突變2。在實(shí)驗(yàn)室尺度下可以通過等間距的多點(diǎn)火方陣定量研究多火源燃燒?；趩位鹪茨Ｐ蛯?duì)火旋風(fēng)的研究已經(jīng)經(jīng)歷較長時(shí)間，相關(guān)的形成機(jī)理也得到一定發(fā)展，成果之一便是確定旋轉(zhuǎn)體、流體匯和摩* 江平擦力為火旋風(fēng)產(chǎn)生需要的三個(gè)基本條件2，其中又以旋轉(zhuǎn)體最為重要。由于多點(diǎn)

3、火方陣模型涉及了火源之間的相互作用問題，十分接近于諸于森林火災(zāi)和城市群發(fā)性火災(zāi)等實(shí)際火災(zāi)場(chǎng)景的發(fā)展過程，得到了不少學(xué)者的關(guān)注3-5。但是研究重點(diǎn)集中在火焰之間的相互作用，對(duì)于陣列中誘發(fā)火旋風(fēng)現(xiàn)象的具體研究很少6,7，在該情形下火旋風(fēng)產(chǎn)生、發(fā)展的影響因素的研究又更加少了。與之前火旋風(fēng)試驗(yàn)中人為制造的強(qiáng)迫剪切流場(chǎng)8相比，低速側(cè)向風(fēng)則是近似均勻地從多點(diǎn)火方陣的某一個(gè)側(cè)面吹入陣中，這種流場(chǎng)更加接近自然火災(zāi)場(chǎng)景中生成火旋風(fēng)的旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)。本文基于5×5多點(diǎn)火方陣實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停攸c(diǎn)探討了低速側(cè)向風(fēng)來流條件下，改變火方陣間距，通過計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)拍攝的火焰燃燒視頻進(jìn)行分析，計(jì)算火旋風(fēng)的各參數(shù)在不同條件下的變化

4、情況。同時(shí)結(jié)合已有的火旋風(fēng)形成機(jī)制和多火源燃燒相互作用機(jī)理1，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了一定的解釋。1 實(shí)驗(yàn)1.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境 實(shí)驗(yàn)是在安全工程學(xué)院消防綜合實(shí)驗(yàn)室內(nèi)規(guī)格為5.3m×5m×3.2m的玻璃-鋼架結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所內(nèi)完成的。該試驗(yàn)空間后方有一獨(dú)立排煙孔，在實(shí)驗(yàn)時(shí)保持密閉，實(shí)驗(yàn)后人為操縱實(shí)現(xiàn)快速排煙。除此之外，在關(guān)閉門之后認(rèn)為整個(gè)實(shí)驗(yàn)空間保持嚴(yán)格的密閉。 保持每次實(shí)驗(yàn)開始前場(chǎng)所內(nèi)溫度穩(wěn)定在25左右；相對(duì)濕度為69%。1.2 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)是用25個(gè)完全相同的鐵質(zhì)圓形油盤組成的5×5有序方陣作為基本裝置的。油盤的直徑D為0.05m,實(shí)驗(yàn)時(shí)相鄰油盤圓心距保持相等的間距S，排成5

5、×5的方陣擺放在鋪有一層絕熱板的水平地面上。這里的S是相鄰油盤圓心之間的距離，實(shí)驗(yàn)中的距離變化范圍S/D=2,3,4,5,6,7,8,9。將攝像機(jī)的曝光率調(diào)低以減弱非火焰光的干擾；保持?jǐn)z像機(jī)的位置與側(cè)向風(fēng)流速方向垂直，對(duì)燃燒的全過程予以拍攝。實(shí)驗(yàn)所用燃料為97%純度的正庚烷，通過量杯和精度達(dá)±0.1mg的電子天平確保每次實(shí)驗(yàn)給每個(gè)油盤所加油料的質(zhì)量偏差控制在1g以內(nèi)。為了創(chuàng)造出均勻的側(cè)向風(fēng)風(fēng)場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)使用了220V、0.75kw，風(fēng)量為9000的軸流風(fēng)機(jī)，自主設(shè)計(jì)制造了規(guī)格為2m×1m×0.5m的簡易風(fēng)道。在出風(fēng)口，用直徑為2cm,長為10cm的自制阻尼管

6、填充。通過阻尼管減緩軸流風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)場(chǎng)的渦旋性，并結(jié)合風(fēng)道緩和作用使得進(jìn)入方陣的風(fēng)速處處均勻；同時(shí)通過改變風(fēng)道與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的距離來控制進(jìn)入油盤方陣的風(fēng)速。使用風(fēng)速計(jì)對(duì)方陣中各處風(fēng)速的檢測(cè)表明,上述方法較好的滿足了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。 (a)油盤方陣 （b）攝像機(jī) （c）電子天平 （d）風(fēng)道與阻尼管圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic of experimental configuration1.3 實(shí)驗(yàn)視頻處理本實(shí)驗(yàn)主要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是通過處理攝像機(jī)視頻內(nèi)容得到的?；鹦L(fēng)的出現(xiàn)次數(shù)n、持續(xù)時(shí)間均可以通過視頻直接觀察得出，主要問題在于火焰高度值h的提取。雖然也可以通過確立標(biāo)尺直接觀察，但是考慮到攝像機(jī)與

7、方陣所在平面不一定完全平行，這種方式有較大偏差。實(shí)驗(yàn)處理首先用KM player以所有幀形式對(duì)視頻進(jìn)行截圖，實(shí)驗(yàn)小組編寫了一組MATLAB程序，可以將用Photoshop CS5處理截圖后得到的每一幀火旋風(fēng)區(qū)域圖像轉(zhuǎn)換為二值圖并自動(dòng)疊加生成火焰脈動(dòng)間歇率圖譜。疊加后的二值圖黑色區(qū)域是背景，分成層次的非黑色區(qū)域顯示的是火焰在該區(qū)域出現(xiàn)的頻率，亮度越高表示頻率越大?；鹧娓叨热》呛谏珔^(qū)域的最低點(diǎn)到最高點(diǎn)的像素值的50%，再參照已知的油盤直徑將像素值轉(zhuǎn)化為長度值。圖2 火旋風(fēng)截圖Fig.2 Screenshot of fire whirl圖3 二值圖 Fig.3 Binary image圖4 多張二值

8、圖疊加的火焰脈動(dòng)間歇率Fig.4 The intermittent rate of flame pulsation with superimposed binary images2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析2.1 火旋風(fēng)高度如圖4所示，在V1風(fēng)速下火旋風(fēng)高度呈現(xiàn)出在這樣的規(guī)律：在S/D處于36之間時(shí)h處于第一個(gè)階段，相互差別不大；S/D處于79時(shí)處于第二個(gè)階段。但是這兩個(gè)階段之間圖4 V1風(fēng)速下火旋風(fēng)高度Fig.4 The height of fire whirl under V1 wind speed 差別較大?？紤]到在S/D位于12時(shí)火焰融合且沒有火旋風(fēng)出現(xiàn)，在S/D處于第一階段時(shí)，由于相互間隔適中

9、，火旋風(fēng)既能得到周圍油盤所能提供的熱量反饋從而加快液面蒸發(fā)速度；同時(shí)恰當(dāng)?shù)木嚯x也使火旋風(fēng)獲得足夠的氧氣，不會(huì)因?yàn)槿毖醵谄浒l(fā)展過程當(dāng)中“夭折”從而螺旋式上升。在第二階段雖然理論上有更充足的氧氣供應(yīng)，但由于S增大，油盤間的熱量反饋迅速減弱，蒸發(fā)量無法跟上燃燒速率，火旋風(fēng)無法繼續(xù)發(fā)展。表1 火旋風(fēng)實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditions for fire whirl序列1100V12.485.422153V1111.251.994.3632020642014V1118.721.633.56525001.272.7962516V1100.422.

10、084.567256V286.422.134.66830000.781.7193017V1107.401.834.0110307V268.001.864.06113513V168.411.513.29124011V175.331.373.0013459V187.521.332.90注：（1）實(shí)驗(yàn)3,4;5,6,7;8,9,10各自為對(duì)比實(shí)驗(yàn)組;（2）由于風(fēng)速影響,個(gè)別油盤燃燒時(shí)間很長,對(duì)結(jié)果影響很大,所以燃燒時(shí)間統(tǒng)計(jì)時(shí)以大面積火焰熄滅為終止時(shí)間;（3）由于風(fēng)速計(jì)精度軸流風(fēng)機(jī)成風(fēng)的特點(diǎn)等原因,測(cè)量出的風(fēng)速并不穩(wěn)定,所以沒有給出精確值.但是進(jìn)入方陣的風(fēng)速是近似均勻的,V1的范圍在0.10.4m/s

11、;V2的范圍在0.81.4m/s.2.2 火源質(zhì)量損失速率和熱釋放速率質(zhì)量損失速率和熱釋放速率是衡量火旋風(fēng)對(duì)多火源燃燒影響程度的重要參量。計(jì)算公式為： (1) (2)為單位面積質(zhì)量損失速率, ;為燃料質(zhì)量, ;為火焰燃燒時(shí)間，；為燃燒區(qū)油盤總面積，；為平均熱釋放速率，；為燃料熱值，97%純度的正庚烷熱值為44.6。圖5 V1風(fēng)速下平均熱釋放速率Fig.5 Average heat release under V1 wind speed 隨著S/D增大，同樣由于熱反饋與氧氣量的原因熱釋放速率整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。表1中風(fēng)速為V2時(shí)的值和風(fēng)速為V1時(shí)的值差別不大；但風(fēng)速為0時(shí)其值同比明顯較低。這說明外

12、加風(fēng)場(chǎng)使得火焰面對(duì)液面的輻射增大，加快了液體燃料的燃燒速率，這與魏濤等9針對(duì)單個(gè)油盤的模擬結(jié)果吻合。并推測(cè)風(fēng)速在一定區(qū)域內(nèi)對(duì)熱釋放速率的影響是穩(wěn)定的，只有風(fēng)速達(dá)到另一個(gè)數(shù)量級(jí)才會(huì)由明顯的變化。2.3 風(fēng)對(duì)火旋風(fēng)形成的影響2.3.1 低風(fēng)速情形在風(fēng)速為V1情形下火旋風(fēng)出現(xiàn)頻次如圖6所示，在S/D為3時(shí)僅在初期出現(xiàn)3次，后期由于間距過小，火焰融合。隨后當(dāng)S/D逐漸增大時(shí)，由于周圍的熱反饋充足，氧氣供應(yīng)逐漸增多，n逐漸增加到一個(gè)極大值；隨后S增大，熱量反饋不足，n再次下降。圖6 V1風(fēng)速下火旋風(fēng)出現(xiàn)頻次Fig.6 Fire whirl occurrence frequency under V1 wi

13、nd speed 2.3.2 無風(fēng)和高風(fēng)速情形表1中序列3、5、8的火旋風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)分別為2、0、0，其中序列3中出現(xiàn)的2次都是在因人為走動(dòng)空氣尚未靜止的點(diǎn)火初期，后期一直未出現(xiàn)。這表明在風(fēng)速為零的靜止空氣環(huán)境中是不能形成火旋風(fēng)的。在風(fēng)速顯著增大至V2的實(shí)驗(yàn)7、10中，與相同S、風(fēng)速為V1的情形相比，火旋風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)、高度以及熱釋放速率都大為下降。形成火旋風(fēng)的位置也明顯不同（圖2）。流體匯和摩擦力在多火源燃燒中是較為容易實(shí)現(xiàn)的條件。由以上三種情形的對(duì)比可以證明火旋風(fēng)形成的一個(gè)重要素-旋轉(zhuǎn)體是由外加風(fēng)場(chǎng)所提供的。外加風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速V在空間坐標(biāo)系下可以分解為、，分別為火旋風(fēng)的螺旋式上升旋轉(zhuǎn)提供了切向速度、向

14、心速度和上升速度；由流體力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，整個(gè)方陣的流場(chǎng)對(duì)火旋風(fēng)的渦量（vorticity）形成起到至關(guān)重要的作用。正是在不同情形下陣中流場(chǎng)不同，火旋風(fēng)出現(xiàn)的位置和形態(tài)才會(huì)千變?nèi)f化。圖7 V1風(fēng)速下出現(xiàn)在方陣正中間的火旋風(fēng)Fig.7 Fire whirl appeared in the middle of the square under V1 wind speed 圖8 0風(fēng)速下的穩(wěn)定燃燒情形Fig.8 Stable combustion conditions under zero wind speed 如圖7中以環(huán)形閉曲線L為研究對(duì)象。該火旋風(fēng)位置出現(xiàn)在5×5陣中央，說明周圍火焰對(duì)

15、中央油盤的外加環(huán)量恰在此處。圖9 火旋風(fēng)矢量圖Fig.9 Fire whirl vector如示意圖8中的流場(chǎng)速度方向和圖7中L閉合曲線逆時(shí)針繞行，與規(guī)定的積分正方向相同，則速度環(huán)量： (3)速度分解后為、；分解為、。 (4)當(dāng)火旋風(fēng)產(chǎn)生時(shí)，流體微團(tuán)本身發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，所以認(rèn)為在該種情形下是有旋流動(dòng)。在有旋流動(dòng)中，速度環(huán)量與渦量存在聯(lián)系。對(duì)封閉曲線L包裹的平面區(qū)域S用兩組坐標(biāo)的平行線分割成一系列微元。求每一塊微元面積的速度環(huán)量并求和，得到區(qū)域總速度環(huán)量。 （5）繞整個(gè)封閉曲線的速度環(huán)量為： (6）推廣到三維空間中的封閉曲線L上，計(jì)算的速度環(huán)量仍等于二倍角速度乘圍線所包的面積，但這面積應(yīng)取其在與渦線

16、相垂直的平面上的投影值10。沿一塊有限大的曲面S的圍線L的環(huán)量仍等于S面上各點(diǎn)的二倍角速度與面積dS點(diǎn)積。即： (7)在風(fēng)速為0的情況下，流動(dòng)為無旋的，速度垂直于閉合積分曲線。存在位函數(shù) ，那么上式中的、都可以用 的偏導(dǎo)數(shù)表達(dá)： （8） (9)說明在無旋流動(dòng)中，沿著任意一條封閉曲線的速度環(huán)量均等于零。所以火焰只有傾斜趨勢(shì)，無法形成火旋風(fēng)，同時(shí)由于油盤間距過大火焰無法融合（圖8）。3 結(jié)論對(duì)D=0.05cm的5×5油盤方陣在低速側(cè)向風(fēng)條件下，通過改變油盤間距S研究火旋風(fēng)的相關(guān)特征量的實(shí)驗(yàn)，得到以下主要結(jié)論：（1）在低速風(fēng)下火旋風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)隨S/D增大呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律；在高速風(fēng)下同比

17、火旋風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)大大減少。（2）火旋風(fēng)高度和平均熱釋放速率之間存在正相關(guān)關(guān)系。由于熱量反饋和空氣卷吸受限二者彼此的競(jìng)爭作用，在S/D處于一定范圍內(nèi)的區(qū)域時(shí)基本保持不變，但是區(qū)域彼此之間相差很大。（3）風(fēng)是形成火旋風(fēng)的必要條件。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，完全靜止的空氣環(huán)境中是不能產(chǎn)生火旋風(fēng)的。結(jié)合流體力學(xué)，從實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和理論分析證明風(fēng)為火旋風(fēng)渦量的形成提供了必要條件：在靜止空氣環(huán)境中，速度環(huán)量積分為0；在有風(fēng)環(huán)境中，該積分必不為0。同時(shí)火旋風(fēng)出現(xiàn)在什么位置也同樣依賴于方陣中流場(chǎng)的分布特點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1雷佼，范維澄，劉乃安.火旋風(fēng)燃燒動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)與理論研究D,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥，20122劉瓊，劉乃安.多火源燃燒動(dòng)

18、力學(xué)機(jī)制與規(guī)律研究D,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥，20103Putnam AA,Speich CF.A model study of the interaction of multiple turbulent diffusion flamesJ.Proceedings of the Combustion Institute,1963,9:867-877.4Baldwin R. Flame merging in multiple firesJ.Combustion and Flame,1968,12(4):318-3245NA Liu,Q Liu,Jesse S.Lozano,L Shu,L Zha

19、ng,J Zhu,ZH Deng,Kohyu Satoh.Global burning rate of square fire arrays:Experimental correlation and interpretationJ.Proceeding of the Combustion Institute 32(2009) 2519-2526.6Satoh K, Liu N, Yang KT. Experiments analysis of interaction among multiple fires in equidistant fire arraysA.Proceedings of

20、the ASME Summer Heat Transfer ConferenceC,2005(1):709 712.7Liu NA, Liu Q, Deng ZH, Kohyu S, Zhu JP. Burn out time data analysis on interaction effects among multiple fires in fire arraysJ.Proceedings of the Combustion Institute 2007,31:2589 2597.8Emmons HW, Ying SJ, The fire whirl. Symposium on Comb

21、ustion,1967.11(1):475-4889魏濤,李松陽,廖光煊.外加環(huán)量作用下池火火旋風(fēng)的數(shù)值模擬.中國工程熱物理學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議論文.燃燒學(xué)C，編號(hào)：09415610 E.約翰芬納莫爾,約瑟夫B.弗朗茲尼.流體力學(xué)及其工程應(yīng)用M.錢翼稷等，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005Experimental study on fire whirl in multiple point fire arrays under the effects of low lateral windYAO Peng,OUYANG Li,TONG Xiangfei,JIANG Ping*（School of Safe

22、ty Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China ） Abstract: A study of the fire whirls features 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 air entrainment limitation,fire whirl occurrence sho