多火源燃燒動力學(xué)機(jī)制與規(guī)律研究.pdf

1、群發(fā)性火災(zāi)，是非連續(xù)分布的可燃性材料同時燃燒而形成的火災(zāi)場景，易發(fā)展成城市或森林大規(guī)模區(qū)域火災(zāi)。多火源燃燒是群發(fā)性火災(zāi)向區(qū)域火災(zāi)發(fā)展過程中的基本現(xiàn)象?；鹪撮g兩種相互作用機(jī)制(cc)空氣卷吸受限效應(yīng)與輻射熱反饋增強(qiáng)效應(yīng)相互競爭，共同影響多火源燃燒行為。多火源燃燒易于誘發(fā)火焰融合、火旋風(fēng)和飛火等特殊火災(zāi)現(xiàn)象，加劇火蔓延過程。由于火源之間包含復(fù)雜相互作用機(jī)制與行為，對單一火源燃燒的科學(xué)認(rèn)識(機(jī)理、規(guī)律和模型)無法直接推演到多火源燃燒。對于既定

2、的火源條件，多火源之間的相互作用主要受燃燒區(qū)域燃料空間分布特征(火源間距和火源數(shù)目)的影響。
　　 不同于以往的多火源準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒模擬實驗，本文設(shè)計了等間距火方陣實驗平臺模擬大量火源自由燃燒的火災(zāi)場景，研究目標(biāo)是提出有效的分析方法來描述多火源自由燃燒特性，定量刻畫火源相互作用強(qiáng)度；在此基礎(chǔ)上建立能夠描述大量火源、間距在大范圍內(nèi)變化的多火源燃燒模型，從而揭示多火焰燃燒特征變化的規(guī)律與動力學(xué)控制機(jī)理。研究內(nèi)容包括兩大部分：1)從個體微

3、觀的角度來描述多火源相互作用強(qiáng)度，分析燃燒區(qū)域內(nèi)各火源燃燒行為的差異；2)從全局宏觀的角度研究多火源燃燒特征變化規(guī)律，認(rèn)識燃燒區(qū)域總體燃燒行為，揭示多火源燃燒動力學(xué)控制機(jī)制。
　　 在基本表征量方面，以往常規(guī)的燃燒特征量測量手段與燃燒現(xiàn)象分析方法很難用于研究大量多火源燃燒。為此，本文提出利用燃燼時間對多火源燃燒行為進(jìn)行描述。從物理意義來說，燃燼時間表征了時間平均意義上的燃燒速率；從測量手段來說，即使是大量火源，燃燼時間也容易從實

4、驗錄像中完整獲取。
　　 基于燃燼時間表征平均燃燒速率，我們建立了較Baldwin所建判據(jù)適用范圍更寬的多火焰融合臨界判據(jù)，并基于自由燃燒火源平均燃燒速率建立了不依賴于火方陣尺寸和火點位置的火焰融合臨界條件和火源是否參與火焰融合臨界判據(jù)，進(jìn)而發(fā)展出在乎均意義上定量分析多火焰相互作用強(qiáng)弱的理論方法。通過燃燼時間計算火源所受周圍其它火源的綜合影響，然后根據(jù)綜合影響與火源對之間相互作用的關(guān)系定量計算火源間相互作用，結(jié)果表明多火源燃燒時

5、火源所受作用主要來自于臨近火源。本文還根據(jù)燃燼時間定量描述了外加剪切流對多火源燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)剪切流影響能分成三個區(qū)域，這三個區(qū)域隨火源間距、剪切流速度和陣列大小的變化而收縮或延展。我們還初步揭示了火方陣中火旋風(fēng)的產(chǎn)生頻率的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)受剪切流影響，燃燒區(qū)域流場紊亂，渦旋形成幾率增加，陣列中火旋風(fēng)誘發(fā)頻繁，維持時間變長。
　　 在此基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步基于全局分析觀點研究了自由擴(kuò)散多火源的總體燃燒速率變化規(guī)律。本文從整體全局的角度出

6、發(fā)，提出全局平均燃燒速率和燃料面比率的概念，系統(tǒng)揭示了熱輻射反饋增強(qiáng)效應(yīng)和空氣卷吸受限效應(yīng)對多火焰相互作用的復(fù)雜影響機(jī)制與規(guī)律，闡釋了多火源總體燃燒速率隨火源間距和火方陣尺寸的理論變化關(guān)系，獲得了總體燃燒速率隨燃料載荷的總體變化圖譜，建立了描述多火源總體燃燒行為隨火源間距和陣列大小變化規(guī)律的全局宏觀模型。結(jié)果表明，給定陣列大小，全局平均燃燒速率隨燃料面比率的變化能分為三個區(qū)域：高速增長區(qū)、線性區(qū)和衰減區(qū)，這是因為不同條件下空氣卷吸受限效