多火源火旋風相互作用的實驗研究

王佳文，江　平，王　旭

(沈陽航空航天大學 安全工程學院，遼寧 沈陽 110136)

0　引言

火旋風是一種特殊的火焰行為，它是由燃燒產生的火羽流與周圍環境渦量場相互作用而誘發的劇烈燃燒的旋轉火焰。火旋風形成需具備3個條件，即有1個生成渦存在，并在生成渦內存在1個流體匯，并存在某種摩擦力或拖拽力為地表面的空氣運動提供能量，以形成渦的底部邊界層[1]。火旋風火焰不僅具有很大的軸向上升速度，還有較大的切向旋轉速度，是類似于龍卷風的強對流燃燒現象[2]。火旋風常出現在森林、草原與城市建筑火災、一些中小規模的人工焚燒和大面積可燃液體池火中[3-4]，如1923年發生在日本關東大地震震后的火災中，在環境風作用下，L形狀的被服廠著火誘發了火旋風，旋轉火焰脫離被服廠襲擊了在廣場上避難人群，分鐘內造成38 000人死亡；2010年巴西圣保羅州南部阿拉薩圖巴地區麥田地發生火災，長期干旱助長了火勢，并在環境風的作用下向前移動，阻斷了道路；2012年澳大利亞愛麗斯斯普林斯地區出現了一個高達30 m的火焰龍卷風，其持續時間長達40多分鐘[5-10]。當火旋風發生后，其燃燒速率，火焰高度，火焰溫度以及輻射強度都會顯著增加，會加快甚至改變火災轉播和蔓延方式[11]。在實際多火點的火災中，可能會出現由于多個火源相互影響從而使多個火旋風同時出現在火場中的情況。因此，開展對多火源火旋風的實驗研究具有重要意義。

1　火旋風實驗

1.1　實驗方法

本文應用自主研發的四面邊墻夾縫式多火源火旋風實驗裝置，研究實驗室環境下以自然誘導方式形成的火旋風。采用直徑為150，200，250 mm 3種尺寸的油盤，分別以80，100，120 mL的航空煤油作為燃料，在油盤中預先加入一定高度的水來保持液面上表面與油盤壁面基本持平。在實驗中對3種尺寸的油盤進行排列組合，全過程共進行20次實驗，實驗工況中油盤直徑大小和擺放位置如圖1所示。實驗時采用攝像機監測火旋風的誘發過程，捕捉火焰實時動態畫面以獲取火焰高度，并運用Zukoski火焰高度模型來計算其特征火焰的火焰高度；用電子天平記錄油盤中剩余的燃料質量，在其上方放置防火板，并使防火板上方的油盤與天平中心重合，為后續計算質量燃燒速率提供數據；同時采用風速計來測量3個狹縫中心處的風速，以獲得相應的外加環量。

圖1　3油盤火旋風裝置斜視圖Fig.1　Oblique view of the device of the fire whirls of three oil pan

1.2　實驗裝置

實驗裝置具體包括4塊規格為2 000 mm×500 mm×10 mm的防火玻璃、2塊規格為2 000 mm×600 mm×2 mm的防火板、1塊規格為2 000 mm×1 000 mm×2 mm的防火板、400 mm×400 mm×200 mm的電子天平支架、數個油盤墊板、自制的卡槽固定器以及電子天平和風速計。具體實驗裝置圖和效果圖如圖2～3。

圖2　3油盤火旋風實驗效果Fig.2　Experimental renderings of the fire whirls of three oil pan

圖3　3油盤火旋風實驗裝置尺寸Fig.3　Dimensions of the experiment device of the fire whirls of three oil pan

2　質量燃燒速率的計算及分析

2.1　質量燃燒速率計算

熱釋放速率是表征火災危險性的一個非常重要的參數，它被定義為燃料的質量燃燒速率與有效燃燒熱之積。m′為燃料的質量燃燒速率(g/s)，即單位時間內通過燃燒反應消耗的燃料質量。圖4顯示的是第015次實驗中1號盤燃料質量隨時間變化的曲線。

圖4　油盤燃料質量隨時間變化曲線Fig.4　The fuel quality of oil pan changes with time

圖4顯示了燃料燃燒過程中的質量變化趨勢，取準穩態時間段的數據進行擬合運算，得到第015次實驗1號盤的火旋風質量燃燒速率絕對值為m′=1.28 g/s，同理可得各個工況下的質量燃燒速率的絕對值，如表1所示。

2.2　質量燃燒速率分析

首先對3個油盤形成的火旋風內部進行分析，對比001，002，003次實驗的3號油盤，如圖5所示。可以發現在1，2號油盤直徑不發生改變時，隨著3號油盤直徑的增加，其質量燃燒速率不斷增加。同理對于005，006次實驗的3號油盤，004，006次實驗以及007，008次實驗的1號油盤也可以發現，對于3油盤形成的火旋風，在其他2個油盤直徑相同的時候，第3個直徑大的油盤所形成火旋風的質量燃燒速率明顯大于直徑小的油盤，說明在3油盤形成的火旋風之間，當其他2個油盤直徑相同時，另一油盤直徑的增加對其形成火旋風的質量燃燒速率有增大的作用。

表1　實驗工況、質量燃燒速率和風速記錄

圖5　質量燃燒速率與油盤號數關系Fig.5　Relation diagram of mass combustion rate and oil pan number

接著對比分析直徑相同油盤個數不同時的質量燃燒速率差異，如圖6所示。

圖6　相同直徑不同油盤個數之間的質量燃燒速率Fig.6　The mass combustion rate of the same diameters with different numbers of oil pans

對比3組數據發現隨著油盤數量的增加，明顯發現油盤的質量燃燒速率依次遞增。說明火源個數對于質量燃燒速率是有相互作用的：火源個數越多，相互作用越明顯。

為了對實驗數據做進一步定量分析，引進單位面積的質量燃燒速率m″和速度環量Γ。

m″=m′/πr2

(1)

式中：m′為燃料的質量燃燒速率，g/s；r為油盤的半徑，m。

本實驗中火旋風的質量燃燒速率是燃燒準穩態階段數據的擬合直線斜率，因此在結合燃燒錄像視頻和質量隨時間變化曲線的基礎上，確定了50～100 s的準穩態階段，觀察這段時間風速計的變化，每5 s統計一個數值之后取風速的平均值作為火旋風自誘導渦量場的風速。

本文將火旋風看成是半無限長的直線渦，根據“畢奧-薩伐”公式，速度環量如下。

Γ=2VP

(2)

式中：Γ為自誘導速度環量，m2/s；V為環境氣流在裝置入口處的風速，m/s；P為形成單個火旋風裝置的周長，2.06 m；單位面積的質量燃燒速率和自誘導速度環量計算結果如表2所示。

表2　單位面積的質量燃燒速率和速度環量記錄

火旋風的研究中，周魁斌等人建立了火旋風質量燃燒速率公式和火焰高度公式，成功解除了燃燒速率與旋轉環量的耦合，并將結果與雷佼等人的進行比較，可以很好擬合實驗數據。本文以周魁斌的無量綱質量燃燒速率與無量綱環量關系模型為參考進行多火源火旋風的質量燃燒速率半經驗關系式的確定，分別用單油盤、雙油盤和3油盤形成的火旋風質量燃燒速率的數據與雷佼、周魁斌的數據進行對比，數據分析見圖7。

圖7　質量燃燒速率半經驗公式模型Fig.7　Model diagram of semi-empirical formula of mass combustion rate

如圖7所示，本實驗中3組實驗數據均呈線性擬合，說明無量綱質量燃燒速率模型適用于本次實驗，同時得出單油盤質量燃燒速率半經驗公式，見式(3)。

lnm″*=-0.81+0.59lnΓ*

(3)

雙油盤質量燃燒速率半經驗公式，見式(4)。

lnm″*=-0.16+0.41lnΓ*

(4)

3油盤質量燃燒速率半經驗公式，見式(5)。

lnm″*=0.42+0.2lnΓ*

(5)

與雷佼、周魁斌的公式對比發現，其半經驗公式斜率均大于本實驗3組質量燃燒速率半經驗公式斜率，這是由實驗所用燃料類型的不同造成的。對比式(3)，(4)，(5)可知，隨著火源個數的增加，擬合線性的斜率也隨之降低。這說明火旋風之間的相互作用對于質量燃燒速率有增強的作用。同時在進行線性模擬時，去掉了5個不符合準穩態階段質量燃燒的數據。分別為第006次3號盤、007次2號盤、008次2號盤、008次3號盤和010次3號盤，其質量與時間變化曲線與單油盤明顯不符，并且發現其油盤直徑均為250 mm，如圖8所示為燃料的質量隨時間變化。

圖8　燃料的質量隨時間變化Fig.8　The change of fuel mass with time

將火焰形態演化過程由點燃到熄滅劃分為4個階段：醞釀階段、生長階段、準穩態階段和衰減階段。相比較于正常的單油盤火旋風燃燒過程，在準穩態階段，其質量都會有一段迅速均勻的下降過程，接著在衰減階段會有一次幅度很小的升高過程。在這5次實驗過程中，衰減階段被大大延長，并且出現天平顯示的質量不斷往復升高下降的現象。在這個階段火旋風的形狀也會出現改變，火焰直徑會不斷變化，出現不穩定的火焰形態，直到火旋風最終消失。

火旋風為火羽流與環境渦量場相互作用所產生。在單油盤火旋風形成后，拖拽力將圍繞一個穩定值小幅度波動，這個階段即為準穩態階段。當燃料逐漸耗盡時，為旋轉提供的動力減弱，則作用在液面上的拖拽力逐漸減弱，會使天平質量上升，即衰減階段。但是在多火源火旋風中，當其中一個油盤燃料減少，進入衰減階段時，由于其它火源的渦量和拖拽力相互作用，會使這一衰減階段變得延長，質量不斷往復，使其火焰形狀發生改變。同時發現這5次實驗中都是250 mm大直徑油盤質量發生變化，說明在火旋風相互作用時，大直徑火旋風更容易收到周圍拖拽力和渦量的作用，直徑小的火旋風反而會比較穩定。

3　火旋風火焰高度的計算及模型驗證

平均火焰高度的定義有多種，Zukoski等引入間歇率的概念來定義火焰高度，平均火焰高度為間歇率為0.5時對應的H值。截取火焰穩定期連續火焰圖像，通過等比例計算出火焰高度，并運用Origin軟件計算其累積概率分布。累積概率為0.5時所對應的火焰高度即為該火旋風火焰的平均高度。

對D=250 mm的單油盤形成的火旋風火焰高度進行計算，結果如圖9所示。當D=250 mm時火旋風的平均火焰高度約為1 384 mm。

圖9　火焰高度的累積概率分布Fig.9　The cumulative probability distribution of flame height

同理運用累積概率計算得出各個實驗狀況下形成的火旋風火焰高度，結果如表3所示。

表3　各個實驗工況下的火焰高度

首先對油盤尺寸進行分析，如圖10所示。

圖10　火焰高度與油盤號數關系Fig.10　Diagram of flame height with oil pan number

對比001，002，003次實驗，1，2號位置油盤尺寸相同，3號位置油盤分別放置150，200，250 mm油盤，發現隨著3號位置油盤尺寸增加，火焰高度有增加的趨勢。同時對比005，006次實驗3號位置油盤及007，008次實驗1號位置油盤，也發現火焰高度有明顯增加的趨勢。說明多源火旋風之間，油盤直徑的增大對其形成的火焰高度有增強的趨勢。

同時對尺寸相同時油盤個數不同的火焰高度進行分析，如圖11所示。

圖11　相同直徑不同油盤個數之間的火焰高度Fig.11　Flame height between different oil pan Numbers in the same diameter

通過對比008，009，010次、008，009，016次和001，013，014次實驗的火焰高度數據，發現相同尺寸油盤，隨油盤個數增加，火焰高度呈上升趨勢，說明油盤個數對火焰高度有增強作用。

為了對數據做進一步的定量分析，引入速度環量，并對其無量綱化。由Thomas火焰高度公式對火焰高度數據進行處理，以周魁斌的無量綱火焰高度與無量綱環量關系模型為參考進行多火源火旋風的火焰高度半經驗關系式的確定，分別用單油盤、雙油盤和3油盤形成的火旋風火焰高度的數據與雷佼、周魁斌的數據進行對比，數據分析見圖12。

圖12　無量綱高度與無量綱環量半經驗公式模型Fig.12　The model diagram of semi-empirical formula with dimensionless height and dimensionless circulation

如圖12所示，本實驗中3組實驗數據均呈線性擬合，說明無量綱火焰高度模型適用于本次實驗，同時得出單油盤火焰高度半經驗公式，見式(6)。

lnH*=0.05+0.35lnΓ*

(6)

雙油盤火焰高度半經驗公式，見式(7)。

lnH*=0.95+0.04lnΓ*

(7)

3油盤火焰高度半經驗公式，見式(8)。

lnH*=1.00+0.07lnΓ*

(8)

與雷佼、周魁斌的公式對比發現，其半經驗公式斜率均大于本實驗3組質量燃燒速率半經驗公式斜率，這是由實驗條件和燃料類型不同造成的。對比式(6)，(7)，(8)可知，隨著火源個數的增加，擬合線性的斜率也隨之降低。這說明火旋風之間的相互作用對于火焰高度有增強的作用。同時發現雙油盤、3油盤的火焰高度半經驗公式的斜率遠遠小于單油盤的斜率，這主要的原因是多火源火旋風之間渦量和拖拽力的相互作用會對火旋風的火焰高度帶來影響，這還需要做進一步的理論分析。

4　結論與展望

1)單油盤火旋風的無量綱質量燃燒速率模型適用于本次實驗，同時得出多火源火旋風質量燃燒速率的半經驗公式，與實驗數據有著較高的吻合度。且多源火旋風質量燃燒速率數據擬合直線的斜率小于相應的單火源火旋風數據擬合直線，擴展了理論模型的應用范圍。

2)隨著火源個數的增加，其質量燃燒速率的斜率越低。

3)在多源火旋風準穩態階段會出現明顯的相互增強現象，并且在衰減階段會出現劇烈的燃燒現象，天平質量大幅度升降，并往復幾次，相比于單油盤火旋風短暫的衰減期，衰減期的時間被大大加長。

4)在火旋風相互作用時，大直徑火旋風更容易收到周圍拖拽力和渦量的作用，直徑小的火旋風反而會比較穩定。

5)多油盤的火焰高度半經驗公式的斜率遠遠小于單油盤，這是由于多火源火旋風之間渦量與拖拽力的互相作用的影響，需要對火旋風之間渦量和拖拽力對火焰高度的作用做進一步的理論分析。

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