火旋风的燃烧与流动耦合作用机制与动力学规律基础研究

火旋风(Fire Whirlwind)是森林与城市大火中浮力火羽流与周围环境流场耦合作用所诱发的一种高度组织化的剧烈燃烧现象，是人类应对城市与森林大火时所面临的重要威胁之一。由于涉及流动与燃烧的物理化学复杂耦合作用机制，近50年来针对火旋风开展的研究工作总体上还属初步，还远不能对火旋风的机理与规律赋予完备解释，系统性的实验研究尤为缺乏。本项目将构建中尺度火旋风模拟实验系统，通过实验模拟、量纲分析、理论建模和数值分析，系统研究在不同燃料、环境流场和多火焰分布形式等参数条件下火旋风的速度分布、温度分布、火焰高度、热流分布和燃烧速率等动力学特性变化规律，着重比较揭示火旋风和火羽流在流场结构、热场结构、动力学行为和理论模型上的异同点，建立流动-燃烧耦合型火旋风动力学理论模型。项目可为火旋风灾害的预报和扑救提供可靠的科学依据，具有重要的基础科学意义和应用价值。

项目系统探索了火旋风的燃烧速率、火焰高度、速度分布和温度分布等动力学特性，以及这些动力学特性随火源尺寸、外加环量等参数条件的变化规律。通过项目研究，系统建立了火旋风燃烧速率和火焰高度等动力学特征量的理论模型或尺度化模型。初步研究了火旋风火焰的大尺度不稳定性—倾斜火焰转动和旋转进动特征，探讨了火旋风大尺度不稳定性的物理机制。系统比较揭示火旋风和普通浮力火羽流在流场结构、热场结构、动力学行为和理论模型上的异同点，在单一火旋风的稳态燃烧动力学机制与规律研究、多火焰相互作用诱发火旋风的物理机制与规律研究和火旋风的三维非稳态不稳定性研究等三个主要方面取得了重要进展。.在国内外期刊和会议发表（包括被录用）论文22篇，其中国际期刊论文11篇；SCI收录论文9篇，SCI Top期刊论文5篇，EI收录论文13篇，重要国际学术会议特邀报告4次，其他口头报告7次。完成博士学位论文2篇，硕士学位论文2篇。在国际燃烧领域顶级期刊《Proceedings of the Combustion Institute》发表论文4篇（位居同期国际火灾研究领域首位），《Combustion and Flame》发表论文1篇。获第六届吴仲华奖励基金优秀青年学者奖（2013年度）、第九届亚澳火灾科学技术大会杰出论文奖（2012年度）和第四届梁希林业科学技术奖二等奖（排名第7）（2011年度）。项目成果获国际火灾安全科学学会（IAFSS）Newsletter封面文章报道。刘乃安研究员应邀担任国际尺度模拟委员会委员(中国首位)，国际火灾科学学会会刊Fire Safety Journal副主编(中国首位)，国际期刊Fire Science Reviews编委，Fire Technology编委(中国首位)，Eurasian Journal of Forest Science编委(中国首位)，国际火灾科学学会通讯副主编(中国首位)。应邀担任第35届国际燃烧会议 “Fire Research”主题共同主席 (自1928年首届会议以来中国大陆第四位任国际燃烧会议主题共同主席)，第九届亚澳火灾科学技术大会程序委员会主席、大会组委会执行主席，2012国际火灾研究机构主任论坛年会组委会主席，第11届国际火灾科学大会(2014)森林火灾主题主席，第7届国际尺度模拟会议执委。陈海翔担任国际期刊Fire Technology编委。