竖通道内部非受迫旋转火焰动力学特性研究

Vertical shaft is a typical scene which will cause unforced internal fire whirls easily. However, the basic mechanical properties of this kind of internal fire whirls and the influence of boundary condition on internal fire whirls are not still understood well. So, it is difficult to model internal fire whirls and find its analytic solution. In this research project, the internal fire whirls is first divided into three regions and the force will be analysed seperately. Based on different leading force in every region, momentum equation of internal fire whirls will be build. Then, the formula and analytical solution for maximum radial and tangential velocity of internal fire whirls will be derived. In addition, based on the experiment and numerical simulation results, boundary condition will be coupled into the model involving flame shape and flame height. Moreover, scaling law which could be applied to unforced internal fire whirls will be established and the scale effects on the force characteristics in three regions will be dissected.This research will provide not only basic theories for future research on unforced internal fire whirls in confined space, but also new ideas for fire whirls utilization and disaster response.

竖通道型空间是易引发非受迫旋转火焰的典型场景。但是，此类非受迫旋转火焰的基本动力学特性以及空间边界条件对旋转火焰的形成与维持过程的影响关系一直未被很好的理解。这就限制了竖通道空间内非受迫旋转火焰模型方程的建立及其解析解的求取。本项目首次将竖通道内的非受迫旋转火焰人为地划分为三个典型区域，并分别进行受力分析。根据各区域内浮力与Coriolis力的主导程度推导适用于旋转火焰热流体的动量方程，进而确定最大轴向速度与周向速度之间的函数关系式及方程的解析解。另外,结合不同尺度的实验与数值模拟结果,构建耦合竖通道空间边界条件参数的旋转火焰形状与高度数学模型。同时，确定了适用于竖通道内非受迫旋转火焰研究的缩比准则并且分析了尺度效应对于旋转火焰分区受力特性的影响。本项目成果不仅为受限空间内的非受迫旋转火焰的研究提供了新的理论基础，同时也为旋转火焰的利用与灾害应对等方面的研究提供了新的思路并开辟新途径。

非受迫旋转火焰是易发生在竖通道型空间内的一种典型火焰形式。由于其特殊性和复杂性，国际上对于旋转火焰研究成果还相对较少，本项目在很大程度上丰富了对于旋转火焰特性的研究工作。本项目首次提出了旋转火焰在稳定阶段沿纵向高度上分区受力观点，从此观点出发对旋转火焰进行了理论推导，得到了竖通道内非受迫旋转火焰分区域受力动量方程，并通过不同尺度条件下的竖通道内非受迫旋转火焰实验和数值模拟验证了所提出的观点的正确性及尺度的影响，而且首次确定了非受迫旋转火焰热流场中最大轴向速度与周向速度之间的关系，为此类特殊形式火焰的理论框架构建提供了新的研究思路。同时，基于旋转火焰分区受力思想对旋转火焰的相关特性进行了研究，通过对普通非受限池火公式修正的方式得到了适用于竖通道内非受迫旋转火焰羽流温度的计算公式，建立了普通池火与旋转火焰之间的联系，还通过对受力方向分解的方式确定了科氏力是保持旋转火焰稳定的主导力，而浮力作为一种上升力，其作用更多地表现在引发旋转火焰方面。对此类竖通道内非受迫旋转火焰的火焰高度进行了理论推导，结合实验结果得到了典型边界条件下的火焰高度计算公式。此外，对通道本身结构和侧开缝形式等边界条件影响下的旋转火焰热流场特性进行了研究，在得到典型边界条件影响下的旋转火焰热流场特性变化的基础上，重点分析了通道结构高度、侧开缝开口形式及开缝宽度和高度等边界条件对旋转火焰分区受力过程所产生的影响。本项目还在验证了数值模拟对于竖通道内旋转火焰热流场准确性的基础上对采用不同亚格子模型所得的模拟结果及其差异进行了分析，从亚格子本身计算机理出发对典型亚格子模型对于旋转火焰这种特殊流场的模拟适用性及造成结果偏差的原因进行了简要的阐述，为今后旋转火焰热流场数值模拟技术的改进奠定了基础。本项目按计划对各项研究内容开展了理论推导、不同尺度的实验和数值模拟工作，按期完成了研究工作，经费严格按照预算执行，主要研究成果绝大部分均已经形成文章等发表在国内外期刊和会议上，相应成果均已对本项目的资助进行了标注并表示了感谢。目前本项目已发表(含录用)期刊文章13篇，其中被SCI收录3篇，EI 9篇；发表会议论文5篇，其中被EI收录2篇；出版著作1部；协助培养研究生并顺利毕业2名，其中博士研究生1名，硕士研究生1名。