线火源诱发火旋风的物理条件与动力学机制研究

A special fire behavior with considerable rotational speed named fire whirl, can be induced by a line fire under reasonable conditions in actual fires (e.g. the fire whirl during the wildland fire of Brazil in 2010), which can significantly increase fire spread speed and combustion intensity. Because of the limited knowledge upon such fire whirls, this project will construct a bench-scale experimental system which can model such typical fire whirls. By experimental simulation, dimensional analysis, theoretical analysis and modeling method, the critical coupling condition to create the fire whirl will be systematically studied including the line fire (fire source shape and burning rate), background wind (speed and direction), and terrain (ground surface slope). The dynamical mechanism of fire whirl formation and development will be explored under the critical coupling condition. The critical criterion of fire whirl formation will be established coupling the line fire and environmental conditions. The relationship will be established between the flame height and occurrence frequency of fire whirl under the critical coupling condition, and the radiant heat flux distribution will be determined. The influence of wind speed on the fire whirl occurrence frequency, as well as the coupling influence of the occurrence frequency and flame height on the burning rate, will be discussed in particular. The correlations will be established to predict the flame height of fire whirl and the radiant heat flux, respectively. This project will provide the scientific basis for preventing and suppressing the fire whirl disaster in wildland-urban interface fire (including wildland fire and urban fire).

实际火灾中，线性火蔓延在一定条件下可诱发具有强旋转运动的火旋风（如2010年巴西荒原火灾产生的火旋风），显著增强火蔓延速度和燃烧强度。但迄今尚未系统揭示线火源诱发火旋风的物理机制与燃烧规律。项目将构建线火源（模拟线性火蔓延）诱发火旋风的缩放尺度实验系统，通过实验模拟、量纲分析、理论分析与建模，系统研究线火源（火源形态与燃烧速率）、来流风（风速与风向）和地形（地面坡度）等物理条件耦合诱发火旋风的临界条件，揭示临界耦合物理条件诱发火旋风涡旋的动力学机制，以建立线火源条件与环境条件耦合诱发火旋风的判据模型；研究临界耦合物理条件下火旋风火焰高度与发生频率的关系图谱和辐射热流分布规律，揭示风速影响火旋风发生频率的规律、燃烧速率与发生频率和火焰高度的耦合变化规律，以建立火旋风火焰高度估算模型和辐射热流预测模型。项目可为森林-城镇交界域火灾（含林火和城市火灾）中火旋风灾害的预报和扑救提供可靠的科学依据。

实际火灾中，线性火蔓延在一定条件下可诱发具有强旋转运动的火旋风（如2010年巴西荒原火灾产生的火旋风），显著增强火蔓延速度和燃烧强度。但迄今尚未系统揭示线火源诱发火旋风的物理机制与燃烧规律。本项目总结归纳了现实火场中火蔓延前锋的线性形态。.设计了线性火源诱发火旋风的模拟实验系统，研究了火旋风形成所需要的热释放速率、风速和风向的耦合物理条件，统计分析发现不同火焰高度的火旋风出现频率随风速先增加后减小，揭示了风速矢量的两个分量对火旋风出现频率有互相竞争作用。.设计了能模拟线性火源火羽流流动的线性热源装置、及其诱发旋转流动的模拟实验系统，研究了旋转流动形成所需要的线性热源形态、热释放速率、风速和风向的耦合物理条件，统计归类了旋转流动的运动行为，并观测到了一对旋转方向相反的涡旋对现象。.通过涡旋理论分析涡旋对的涡量来源与集中涡形成过程，揭示了线火源诱发火旋风涡旋的动力学机制：在风的作用下，涡线顺风移动，当遇到向上流动的线性燃烧火焰时，水平涡线被拉升为垂直涡线，并与燃烧火焰相互作用形成火旋风涡旋。.基于量纲分析和实验观测，研究了不同形态线性火源或热源诱发旋转流动的无量纲风速范围，绘制了临界判据相图；基于相似理论，分析了不同尺度的相同形态火源或热源实验的相同现象，建立了耦合热释放速率、风速和风向等物理条件的临界比例定律。.通过引入开放环境下风场中主涡旋的控制方程，基于类比方法改进了稳态火旋风的火焰高度模型，从而发展了线火源诱发的火旋风火焰高度模型；基于实验观测，发现火旋风的火焰长度与直径之比非常大，由此发展适用于预测火旋风热辐射的线源辐射模型；利用实验观测值验证了火焰高度模型和热辐射模型的正确性。.总之，本项目揭示了线性火源诱发火旋风的物理条件、动力学机制和旋转与燃烧耦合规律，建立了临界判据和比例定律、火焰高度和热辐射模型，可为森林-城镇交界域火灾中火旋风灾害的预报和扑救提供可靠的科学依据。