多火源火旋风相互作用的实验研究

王佳文，江　平，王　旭

(沈阳航空航天大学 安全工程学院，辽宁 沈阳 110136)

0　引言

火旋风是一种特殊的火焰行为，它是由燃烧产生的火羽流与周围环境涡量场相互作用而诱发的剧烈燃烧的旋转火焰。火旋风形成需具备3个条件，即有1个生成涡存在，并在生成涡内存在1个流体汇，并存在某种摩擦力或拖拽力为地表面的空气运动提供能量，以形成涡的底部边界层[1]。火旋风火焰不仅具有很大的轴向上升速度，还有较大的切向旋转速度，是类似于龙卷风的强对流燃烧现象[2]。火旋风常出现在森林、草原与城市建筑火灾、一些中小规模的人工焚烧和大面积可燃液体池火中[3-4]，如1923年发生在日本关东大地震震后的火灾中，在环境风作用下，L形状的被服厂着火诱发了火旋风，旋转火焰脱离被服厂袭击了在广场上避难人群，分钟内造成38 000人死亡；2010年巴西圣保罗州南部阿拉萨图巴地区麦田地发生火灾，长期干旱助长了火势，并在环境风的作用下向前移动，阻断了道路；2012年澳大利亚爱丽斯斯普林斯地区出现了一个高达30 m的火焰龙卷风，其持续时间长达40多分钟[5-10]。当火旋风发生后，其燃烧速率，火焰高度，火焰温度以及辐射强度都会显著增加，会加快甚至改变火灾转播和蔓延方式[11]。在实际多火点的火灾中，可能会出现由于多个火源相互影响从而使多个火旋风同时出现在火场中的情况。因此，开展对多火源火旋风的实验研究具有重要意义。

1　火旋风实验

1.1　实验方法

本文应用自主研发的四面边墙夹缝式多火源火旋风实验装置，研究实验室环境下以自然诱导方式形成的火旋风。采用直径为150，200，250 mm 3种尺寸的油盘，分别以80，100，120 mL的航空煤油作为燃料，在油盘中预先加入一定高度的水来保持液面上表面与油盘壁面基本持平。在实验中对3种尺寸的油盘进行排列组合，全过程共进行20次实验，实验工况中油盘直径大小和摆放位置如图1所示。实验时采用摄像机监测火旋风的诱发过程，捕捉火焰实时动态画面以获取火焰高度，并运用Zukoski火焰高度模型来计算其特征火焰的火焰高度；用电子天平记录油盘中剩余的燃料质量，在其上方放置防火板，并使防火板上方的油盘与天平中心重合，为后续计算质量燃烧速率提供数据；同时采用风速计来测量3个狭缝中心处的风速，以获得相应的外加环量。

图1　3油盘火旋风装置斜视图Fig.1　Oblique view of the device of the fire whirls of three oil pan

1.2　实验装置

实验装置具体包括4块规格为2 000 mm×500 mm×10 mm的防火玻璃、2块规格为2 000 mm×600 mm×2 mm的防火板、1块规格为2 000 mm×1 000 mm×2 mm的防火板、400 mm×400 mm×200 mm的电子天平支架、数个油盘垫板、自制的卡槽固定器以及电子天平和风速计。具体实验装置图和效果图如图2～3。

图2　3油盘火旋风实验效果Fig.2　Experimental renderings of the fire whirls of three oil pan

图3　3油盘火旋风实验装置尺寸Fig.3　Dimensions of the experiment device of the fire whirls of three oil pan

2　质量燃烧速率的计算及分析

2.1　质量燃烧速率计算

热释放速率是表征火灾危险性的一个非常重要的参数，它被定义为燃料的质量燃烧速率与有效燃烧热之积。m′为燃料的质量燃烧速率(g/s)，即单位时间内通过燃烧反应消耗的燃料质量。图4显示的是第015次实验中1号盘燃料质量随时间变化的曲线。

图4　油盘燃料质量随时间变化曲线Fig.4　The fuel quality of oil pan changes with time

图4显示了燃料燃烧过程中的质量变化趋势，取准稳态时间段的数据进行拟合运算，得到第015次实验1号盘的火旋风质量燃烧速率绝对值为m′=1.28 g/s，同理可得各个工况下的质量燃烧速率的绝对值，如表1所示。

2.2　质量燃烧速率分析

首先对3个油盘形成的火旋风内部进行分析，对比001，002，003次实验的3号油盘，如图5所示。可以发现在1，2号油盘直径不发生改变时，随着3号油盘直径的增加，其质量燃烧速率不断增加。同理对于005，006次实验的3号油盘，004，006次实验以及007，008次实验的1号油盘也可以发现，对于3油盘形成的火旋风，在其他2个油盘直径相同的时候，第3个直径大的油盘所形成火旋风的质量燃烧速率明显大于直径小的油盘，说明在3油盘形成的火旋风之间，当其他2个油盘直径相同时，另一油盘直径的增加对其形成火旋风的质量燃烧速率有增大的作用。

表1　实验工况、质量燃烧速率和风速记录

图5　质量燃烧速率与油盘号数关系Fig.5　Relation diagram of mass combustion rate and oil pan number

接着对比分析直径相同油盘个数不同时的质量燃烧速率差异，如图6所示。

图6　相同直径不同油盘个数之间的质量燃烧速率Fig.6　The mass combustion rate of the same diameters with different numbers of oil pans

对比3组数据发现随着油盘数量的增加，明显发现油盘的质量燃烧速率依次递增。说明火源个数对于质量燃烧速率是有相互作用的：火源个数越多，相互作用越明显。

为了对实验数据做进一步定量分析，引进单位面积的质量燃烧速率m″和速度环量Γ。

m″=m′/πr2

(1)

式中：m′为燃料的质量燃烧速率，g/s；r为油盘的半径，m。

本实验中火旋风的质量燃烧速率是燃烧准稳态阶段数据的拟合直线斜率，因此在结合燃烧录像视频和质量随时间变化曲线的基础上，确定了50～100 s的准稳态阶段，观察这段时间风速计的变化，每5 s统计一个数值之后取风速的平均值作为火旋风自诱导涡量场的风速。

本文将火旋风看成是半无限长的直线涡，根据“毕奥-萨伐”公式，速度环量如下。

Γ=2VP

(2)

式中：Γ为自诱导速度环量，m2/s；V为环境气流在装置入口处的风速，m/s；P为形成单个火旋风装置的周长，2.06 m；单位面积的质量燃烧速率和自诱导速度环量计算结果如表2所示。

表2　单位面积的质量燃烧速率和速度环量记录

火旋风的研究中，周魁斌等人建立了火旋风质量燃烧速率公式和火焰高度公式，成功解除了燃烧速率与旋转环量的耦合，并将结果与雷佼等人的进行比较，可以很好拟合实验数据。本文以周魁斌的无量纲质量燃烧速率与无量纲环量关系模型为参考进行多火源火旋风的质量燃烧速率半经验关系式的确定，分别用单油盘、双油盘和3油盘形成的火旋风质量燃烧速率的数据与雷佼、周魁斌的数据进行对比，数据分析见图7。

图7　质量燃烧速率半经验公式模型Fig.7　Model diagram of semi-empirical formula of mass combustion rate

如图7所示，本实验中3组实验数据均呈线性拟合，说明无量纲质量燃烧速率模型适用于本次实验，同时得出单油盘质量燃烧速率半经验公式，见式(3)。

lnm″*=-0.81+0.59lnΓ*

(3)

双油盘质量燃烧速率半经验公式，见式(4)。

lnm″*=-0.16+0.41lnΓ*

(4)

3油盘质量燃烧速率半经验公式，见式(5)。

lnm″*=0.42+0.2lnΓ*

(5)

与雷佼、周魁斌的公式对比发现，其半经验公式斜率均大于本实验3组质量燃烧速率半经验公式斜率，这是由实验所用燃料类型的不同造成的。对比式(3)，(4)，(5)可知，随着火源个数的增加，拟合线性的斜率也随之降低。这说明火旋风之间的相互作用对于质量燃烧速率有增强的作用。同时在进行线性模拟时，去掉了5个不符合准稳态阶段质量燃烧的数据。分别为第006次3号盘、007次2号盘、008次2号盘、008次3号盘和010次3号盘，其质量与时间变化曲线与单油盘明显不符，并且发现其油盘直径均为250 mm，如图8所示为燃料的质量随时间变化。

图8　燃料的质量随时间变化Fig.8　The change of fuel mass with time

将火焰形态演化过程由点燃到熄灭划分为4个阶段：酝酿阶段、生长阶段、准稳态阶段和衰减阶段。相比较于正常的单油盘火旋风燃烧过程，在准稳态阶段，其质量都会有一段迅速均匀的下降过程，接着在衰减阶段会有一次幅度很小的升高过程。在这5次实验过程中，衰减阶段被大大延长，并且出现天平显示的质量不断往复升高下降的现象。在这个阶段火旋风的形状也会出现改变，火焰直径会不断变化，出现不稳定的火焰形态，直到火旋风最终消失。

火旋风为火羽流与环境涡量场相互作用所产生。在单油盘火旋风形成后，拖拽力将围绕一个稳定值小幅度波动，这个阶段即为准稳态阶段。当燃料逐渐耗尽时，为旋转提供的动力减弱，则作用在液面上的拖拽力逐渐减弱，会使天平质量上升，即衰减阶段。但是在多火源火旋风中，当其中一个油盘燃料减少，进入衰减阶段时，由于其它火源的涡量和拖拽力相互作用，会使这一衰减阶段变得延长，质量不断往复，使其火焰形状发生改变。同时发现这5次实验中都是250 mm大直径油盘质量发生变化，说明在火旋风相互作用时，大直径火旋风更容易收到周围拖拽力和涡量的作用，直径小的火旋风反而会比较稳定。

3　火旋风火焰高度的计算及模型验证

平均火焰高度的定义有多种，Zukoski等引入间歇率的概念来定义火焰高度，平均火焰高度为间歇率为0.5时对应的H值。截取火焰稳定期连续火焰图像，通过等比例计算出火焰高度，并运用Origin软件计算其累积概率分布。累积概率为0.5时所对应的火焰高度即为该火旋风火焰的平均高度。

对D=250 mm的单油盘形成的火旋风火焰高度进行计算，结果如图9所示。当D=250 mm时火旋风的平均火焰高度约为1 384 mm。

图9　火焰高度的累积概率分布Fig.9　The cumulative probability distribution of flame height

同理运用累积概率计算得出各个实验状况下形成的火旋风火焰高度，结果如表3所示。

表3　各个实验工况下的火焰高度

首先对油盘尺寸进行分析，如图10所示。

图10　火焰高度与油盘号数关系Fig.10　Diagram of flame height with oil pan number

对比001，002，003次实验，1，2号位置油盘尺寸相同，3号位置油盘分别放置150，200，250 mm油盘，发现随着3号位置油盘尺寸增加，火焰高度有增加的趋势。同时对比005，006次实验3号位置油盘及007，008次实验1号位置油盘，也发现火焰高度有明显增加的趋势。说明多源火旋风之间，油盘直径的增大对其形成的火焰高度有增强的趋势。

同时对尺寸相同时油盘个数不同的火焰高度进行分析，如图11所示。

图11　相同直径不同油盘个数之间的火焰高度Fig.11　Flame height between different oil pan Numbers in the same diameter

通过对比008，009，010次、008，009，016次和001，013，014次实验的火焰高度数据，发现相同尺寸油盘，随油盘个数增加，火焰高度呈上升趋势，说明油盘个数对火焰高度有增强作用。

为了对数据做进一步的定量分析，引入速度环量，并对其无量纲化。由Thomas火焰高度公式对火焰高度数据进行处理，以周魁斌的无量纲火焰高度与无量纲环量关系模型为参考进行多火源火旋风的火焰高度半经验关系式的确定，分别用单油盘、双油盘和3油盘形成的火旋风火焰高度的数据与雷佼、周魁斌的数据进行对比，数据分析见图12。

图12　无量纲高度与无量纲环量半经验公式模型Fig.12　The model diagram of semi-empirical formula with dimensionless height and dimensionless circulation

如图12所示，本实验中3组实验数据均呈线性拟合，说明无量纲火焰高度模型适用于本次实验，同时得出单油盘火焰高度半经验公式，见式(6)。

lnH*=0.05+0.35lnΓ*

(6)

双油盘火焰高度半经验公式，见式(7)。

lnH*=0.95+0.04lnΓ*

(7)

3油盘火焰高度半经验公式，见式(8)。

lnH*=1.00+0.07lnΓ*

(8)

与雷佼、周魁斌的公式对比发现，其半经验公式斜率均大于本实验3组质量燃烧速率半经验公式斜率，这是由实验条件和燃料类型不同造成的。对比式(6)，(7)，(8)可知，随着火源个数的增加，拟合线性的斜率也随之降低。这说明火旋风之间的相互作用对于火焰高度有增强的作用。同时发现双油盘、3油盘的火焰高度半经验公式的斜率远远小于单油盘的斜率，这主要的原因是多火源火旋风之间涡量和拖拽力的相互作用会对火旋风的火焰高度带来影响，这还需要做进一步的理论分析。

4　结论与展望

1)单油盘火旋风的无量纲质量燃烧速率模型适用于本次实验，同时得出多火源火旋风质量燃烧速率的半经验公式，与实验数据有着较高的吻合度。且多源火旋风质量燃烧速率数据拟合直线的斜率小于相应的单火源火旋风数据拟合直线，扩展了理论模型的应用范围。

2)随着火源个数的增加，其质量燃烧速率的斜率越低。

3)在多源火旋风准稳态阶段会出现明显的相互增强现象，并且在衰减阶段会出现剧烈的燃烧现象，天平质量大幅度升降，并往复几次，相比于单油盘火旋风短暂的衰减期，衰减期的时间被大大加长。

4)在火旋风相互作用时，大直径火旋风更容易收到周围拖拽力和涡量的作用，直径小的火旋风反而会比较稳定。

5)多油盘的火焰高度半经验公式的斜率远远小于单油盘，这是由于多火源火旋风之间涡量与拖拽力的互相作用的影响，需要对火旋风之间涡量和拖拽力对火焰高度的作用做进一步的理论分析。

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