橫向風下浮力擴散火焰不穩(wěn)定性及振蕩頻率研究.pdf

1、橫向風下火災火焰存在或應用于室外環(huán)境、工業(yè)爐、鍋爐、煙囪、隧道、發(fā)動機燃燒器內等環(huán)境中。然而，存在于這些環(huán)境中的橫向風下火焰振蕩現(xiàn)象則具有增強火災火勢，擴大火災蔓延程度，破壞工業(yè)設備結構，產生噪聲等危害?；鹧嬲袷幀F(xiàn)象作為火災火焰不可缺少的特征，一方面會造成危害，另一方面又起著區(qū)別火災與周邊光噪聲的作用被應用于圖像視頻探測領域?；馂幕鹧婢哂袇^(qū)別于燈光、陽光等非災害光源的振蕩頻率范圍，因此，圖像視頻探測可以通過捕捉這種特有的振蕩頻率來實現(xiàn)火

2、災的初期探測與報警。然而橫向風下火焰振蕩現(xiàn)象有別于無風情況，這會影響火災圖像視頻探測的準確性。所以，對橫向風下火焰振蕩頻率的研究不僅能更好避免其帶來的危害，還能為有風環(huán)境下火災圖像視頻探測參數(shù)修正提供理論依據(jù)，具有重大意義。
　　本文以橫向風下火焰振蕩頻率在火災和工業(yè)應用中的危害以及對火災探測的應用價值為前提背景，針對丙烷浮力擴散火焰，建立了橫向風下火焰振蕩頻率理論模型;同時利用自主設計的橫向風下浮力擴散燃燒實驗平臺，研究了橫向風

3、、燃燒器直徑等邊界條件對火焰振蕩頻率的影響及其相互關系，揭示了橫向風對火焰振蕩的影響機制。
　　在理論研究方面，本文引入表征動量通量比的拖曳系數(shù)Cw,D，耦合了橫向風和浮力對火焰振蕩頻率的影響，同時也引入了表征橫向風下平均火焰軸線速率和初始火焰軸線速率之比的減速系數(shù)KE，耦合了橫向風下卷吸作用對火焰振蕩頻率的影響，最終建立Richardson數(shù)中特征長度分別為燃燒器直徑(Ri(D))和火焰長度（Ri(Lf））兩種形式時對應的浮力擴

4、散火焰振蕩頻率表達公式。
　　在實驗研究方面，本文設計無風以及1.2、1.7、2.2和2.6m/s四種橫向風速，0.05、0.075、0.106、0.13和0.15m五種燃燒器直徑以及四種燃料體積流量。實驗平臺可同時測取和控制火焰溫度、火焰圖像、丙烷燃料體積流量和火焰輻射通量，并可實時監(jiān)測橫向風速的變化。通過相關數(shù)據(jù)分析處理，實驗可獲得火焰圖像、火焰溫度、火焰長度、火焰寬度、火焰傾斜角度以及火焰振蕩頻率等特征參量，為橫向風下浮力擴

5、散火焰振蕩頻率理論預測提供實驗驗證。
　　結合理論模型和實驗結果，本文從火焰形態(tài)、火焰溫度、火焰長度和火焰頻率等方面對實驗結果進行分析。首先結合無風環(huán)境下火焰振蕩發(fā)生機制，火焰形態(tài)方面的研究結果表明，橫向風下浮力擴散火焰振蕩現(xiàn)象由瑞利-泰勒不穩(wěn)定性（Rayleigh-Taylorinstability）和開爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性(Kelvin-Helmholtzinstability)共同誘導形成，火焰振蕩幅度較無風環(huán)境時小，火焰

6、振蕩特性變得更加復雜。隨后分析得出，火焰輻射能力和火焰溫度都隨著橫向風速的增加先降低后有所升高。在本文所研究的橫向風速范圍內，根據(jù)實驗結果分析得出，火焰長度主要受燃燒器直徑的影響，橫向風速對其影響不大。然后分別對Ri(D)形式和Ri(Lf）形式的火焰振蕩頻率理論預測與實驗結果進行吻合性分析和差異性對比，得出兩種形式的火焰振蕩頻率都隨著動量通量比倒數(shù)1/R的增大而減小，并且Ri(D)形式火焰振蕩頻率表達公式更具有實際物理意義，且實驗和理論