室内火灾旋转火焰燃烧特性实验研究

●崔晓星

(宁波市消防支队，浙江 宁波 315000)

0 引言

旋转火焰是燃料燃烧所形成的火焰的一种特殊存在方式。在火焰运动过程中，它不仅具有水平方向的旋转速度，且还具有向上运动的羽流速度[1－2]。国外对于旋转火焰的研究工作始于20世纪60年代，绝大部分研究工作着眼于森林火灾中的大型旋转火焰现象，也即人们通常所说的火旋风现象[3－4]。对旋转火焰的研究仍局限于小型旋转火焰的重现及对火焰本身的模拟，且对周围条件的假设过于理想化[5－7]。实际中，旋转火焰在火灾中的行为与单纯的产生旋转的火焰有很大区别，与传统意义上的火旋风也大不相同，因此科学地认识这些行为对性能化防火分析与设计具有重要意义。

1 实验装置及条件设置

1.1 实验系统及燃烧源设置

实验选取煤油作为燃料。实验的主要装置是SNHZ－01实验系统，该系统主要由火灾实验箱、火灾数据检测系统和上位机等部分组成。火灾实验箱呈长方体，其外部尺寸为长0.68m、宽0.42m、高 0.42m。顶棚处开设天窗，开口面积可变。燃烧池位于箱内地板中心点上方20mm处，下有金属托盘，如图1所示。温度检测系统主要由热电偶和多路火灾信号检测仪组成，热电偶排布情况见图1。热通量测量系统主要由两个连接火灾多路信号检测仪的辐射热流计和计算器组成。为了检测箱内地板处的辐射热流量，在地板上距离短边0.20m处设置一个热流计(见图1)。质量损失测量系统由电子天平和电子打印机组成。根据实验需要设置一定的时间间隔，实时测量燃料质量的变化数据，用以计算质量损失速率。

实验过程中，热电偶、辐射热流计分别实时测量实验箱内各测试点的温度、地板处的辐射热通量等参数，并通过火灾信号检测仪同步记录到与之相连的上位机内，保证测得的温度值与辐射热通量值在时间上同步;电子天平置于燃料托盘下，根据设置的时间间隔测量出燃料的质量变化，由电子打印机输出相关数据，手工输入到上位机内以便进行差值计算，因此温度变化与质量损失速率之间的同步性需要人为控制。

图1 实验箱内实验器件布置情况

1.2 房间结构

房间结构采用两种形式:一是轴对称双门式房间结构，如图2(a)所示。房间的前后宽墙上各设一高、宽均可调节的全敞开门，分别位于前后墙的左右两端，这样的轴对称结构使气流从火焰的两侧切向卷入，更有利于形成旋转火焰。二是单侧双门式房间结构，如图2(b)所示。该结构改变了卷吸气流进入燃烧区域的方向从而阻止火焰的旋转，继而形成了相似条件下的非旋转火焰。在对比实验中，两种房间结构形式的顶棚通风口面积、燃料盘大小以及门宽、门高均相同，即通风因子完全一致，以研究旋转火焰与非旋转火焰对室内火灾发展过程的不同影响。

2 结果与讨论

2.1 实验现象描述

图2 双门式房间结构示意图

燃料在最初引燃时，燃烧面积较小，随着火焰对油品的加热作用，液面温度不断升高，火焰很快蔓延至整个燃料表面。一段时间后，火羽开始发展，在整个房间上部形成了热烟气层，同时通过天花板上的通风口流出房间。随后火羽变得不稳定并开始旋转，火焰根部变细，燃烧强化，火焰由于旋转而显著变长，所以通过天花板通风口可以看到火焰;一旦火焰高度超过墙，旋涡中心就开始被破坏。一段时间以后，旋转火焰变得不稳定，旋转中心发生飘移，整个火焰柱在自旋同时沿燃料盘边缘移动;然后火焰的旋转减弱，高度降低，变成普通的独立式池火。然后自行重复循环，形成新的旋转火焰，循环一直重复直到池中燃料燃尽。

在一个浮力火焰或火羽中，浮力促成了火焰区域内部流体的垂直加速度，也就形成了初始的非零涡度。由于离心力湍流稳定性的特征，非零涡度的形成导致了燃料和卷入空气的紊流搅拌速度的降低，反应物低强度的混合要求更大的火焰表面和更长的火焰长度，因此形成了旋转火焰显著增长的现象。

2.2 旋转与非旋转火焰火灾参数比较

在如图2结构的实验箱中分别模拟旋转和非旋转火焰。在对比实验中，两房间的顶棚通风口面积取841cm2，占地板面积的30%;选取中等尺寸，即面积为100cm2的燃料盘;门宽14.8cm、高22.5cm。在其他条件相同的前提下，通过改变卷吸气流的进入方向来研究火焰的旋转本身对室内火灾各参数的影响。

2.2.1 烟气层温度

由图3和表1可以看出，由于旋转火焰的作用，室内火灾热烟气层温度的均值以及峰值均有了较大幅度的提高，且峰值出现时间提前，燃烧时间缩短了近200s。其中，温度峰值提高了21.61%，而均值则提高了36.12%。

2.2.2 烟气层升温速率

由图4和表2可以看出，由于旋转火焰的作用，室内火灾热烟气层升温速率明显加快，升温段时间变短，升温速率的均值以及峰值均有了较大幅度的提高，且峰值出现时间提前。其中，峰值提高了28.32%，而均值则提高了103.13%。

图3 两种火焰热烟气层温度比较图

表1 火焰热烟气层温度比较

图4 两种火焰热烟气层升温速率比较图

表2 火焰热烟气层升温速率比较

2.2.3 燃烧速率

由图5和表3可以看出，由于旋转火焰的作用，燃料燃烧速率的均值以及峰值均有所提高，且峰值出现时间提前。其中，均值提高了66.67%，峰值则提高了33.33%，峰值出现时间却大幅提前，差值百分比为60%。

2.2.4 地面辐射热通量

由图6和表4可以看出，旋转火焰与非旋转火焰相比，地面辐射热通量的均值以及峰值均有了较大幅度的提高。温度峰值提高了68.75%，峰值出现时间提前了44%，而均值则提高了 70.83%。

图5 两种火焰燃烧速率比较图

表3 火焰燃烧速率比较

图6 两种火焰地面辐射热通量比较图

表4 火焰地面辐射热通量比较

上述实验的数据对比结果表明，火焰的旋转使燃料的燃烧速度和升温速率显著加快，房间上部热烟气的温度和地面的辐射热通量值都大幅升高，火灾危险性加大。从流体力学的角度解释，流体的旋转加大了火焰表面与新鲜空气接触的面积，加强了空气进入燃料表面上方的燃料密集区，这就加强了这一区域反应物的混合，也就加快了反应速率，进而引起了热烟气温度、升温速率和地面辐射热通量的增大，给火灾中人员的疏散和财产的保护带来了极大的困难。

3 结论

3.1 与以往对大型旋转火焰——火旋风的研究不同，本文对中型旋转火焰，即发生在房间尺寸的旋转火焰进行了研究。通过实验在小尺寸房间中重现了火焰的旋转现象;并在没有外部鼓风的情况下，实现了旋转火焰的自发产生。

3.2 运用小尺寸实验方法对室内火灾的旋转火焰现象进行了描述。观察到旋转火焰具有自旋、根部变细、焰柱增长和旋转中心飘移等特征;并直观展示了旋转火焰的形成、自旋、中心飘移和消失的周期运动全过程。

3.3 在通风因子相同的前提下，构建了轴对称双门式和同侧双门式两种房间结构，分别形成了旋转火焰与非旋转火焰，借此研究摒除其他条件的影响后火焰的旋转本身对各火灾参数的影响。实验的数据对比结果表明，火焰的旋转使燃料的燃烧速度和升温速率显著加快，房间上部热烟气的温度和地面的辐射热通量值都大幅升高，火灾危险性加大，给火灾中人员的疏散和财产的保护带来了极大的困难。

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