不同火源-壁面间距火羽流非对称卷吸行为与特征参数分布模型研究

Fire plume is one of the most classic scientific problems of fire science, and its air entrainment property and characteristic parameters distribution are important basic contents of fire dynamics. Classical models of fire plumes were built only for free fire plumes and wall-attached fire plumes. However, in real fire scenarios, many fire plumes are affected by the wall with various separation distances. The changing of the separation distance between the fire plume and the wall would affect the air entrainment mechanisms and the distribution of the characteristic parameters of the fire plumes. So, the classic model is no more applicable for near wall fire plumes with various separation distances. We expect to study the air entrainment property and characteristic parameters distribution of near wall fire plumes at various distances: . (1) The asymmetric air entrainment properties of near wall fires at various distances will be revealed and proper characteristic lengths will be proposed. . (2) Models for the flame morphologic characteristics (flame tilt angle, flame lowest touching-wall point height, flame height) will be established. . (3) Distribution models for the wall heat flux and the wall temperature will be raised. . The unified theoretical models of this work for near wall fire plumes with various separation distances, which can describe the evolution behavior of the characteristic parameters of fire plumes changing from wall-attached fire plumes to free fire plumes, can be important supplements to the existing fire plume theories. The result of this work has scientific significance, and it also can be an essential reference for both building fire safety design and the related fire protection standards.

火羽流是火灾科学最经典科学问题之一，其卷吸特性和特征参数分布规律是火灾动力学的重要基础内容。现有火羽流经典理论模型均针对自由火羽流和贴壁火羽流建立，而现实中还存在不同火源-壁面间距的近壁火羽流，火源-壁面间距的改变会对火羽流卷吸特性及其特征参数的分布产生根本性影响，现有经典模型不再适用。本项目拟研究不同火源-壁面间距火羽流的卷吸特性和特征参数分布规律：. （1）揭示不同火源-壁面间距火羽流的非对称流场卷吸特性与特征长度；. （2）建立不同火源-壁面间距火羽流的火焰形态特征参数（火焰倾角、火焰触壁点高度、火焰高度）模型；. （3）建立不同火源-壁面间距火羽流的壁面热流和温度分布模型。.本项目针对不同火源-壁面间距，揭示火羽流由紧贴壁面转化到自由发展的演化过程，建立其特征参数统一理论模型，是对现有经典火羽流理论的重要补充，具有重要科学意义；对于建筑防火设计及相关标准的制定，也具有参考价值。

本项目针对不同火源-壁面间距火羽流的卷吸特性以及特征参数分布，形成了一系列的研究成果与突破，揭示了不同火源-壁面间距火羽流的非对称卷吸特性、火焰形态特征及壁面热流和温度分布规律，具体包括：. （1）揭示了自由、贴壁、墙角扩散火焰的卷吸行为规律，并提出了表征不同受限条件下火羽流卷吸的特征长度，研究了不同环境压强和火源长宽比自由燃烧水平射流火焰卷吸行为及其对火焰形态非线性演化的影响机制，揭示了自由燃烧线性火羽流诱导顶棚射流火焰卷吸及非对称扩展特性。. （2）揭示了室内常见可燃物瓦楞纸板（箱）燃烧特性与火蔓延行为规律，提出了上悬窗开口火焰由室内向室外溢出临界功率、外立面火焰高度及火焰厚度模型，建立了无风与有风环境不同火源-壁面间距条件下火焰吹熄与火焰触壁行为、火焰由部分贴壁到完全不贴壁的临界距离和火焰形态特征参数模型。. （3）揭示了无风与有风条件下不同火源-壁面间距扩散火焰温度以及壁面热流分布规律，建立了不同受限条件下（自由燃烧、狭长受限空间燃烧、贴壁与墙角燃烧）火羽流诱导顶棚射流的顶棚下方及顶棚与墙壁夹角内羽流流动行为、温度及热流分布模型。 . 项目圆满完成了预定的研究目标和成果指标：在国内外重要学术期刊发表论文24篇，包括燃烧领域顶级期刊Combustion and Flame 2篇、Proceedings of the Combustion Institute 7篇，能源领域顶级期刊Fuel 10篇，隧道及地下工程领域顶级期刊Tunnelling and Underground Space Technology 3篇，Process Safety and Environmental Protection 1篇，中文核心期刊《火灾科学》论文1篇。申请发明专利4项，其中授权发明专利1项。培养博士生4人，硕士生1人。项目负责人张晓磊副教授获中国职业安全健康协会科学技术奖一等奖、中国安全生产协会安全科技进步奖一等奖、2020年度博士后国际交流计划学术交流项目资助（参加第38届国际燃烧会议）、中国职业安全健康协会安全科学与工程学科优秀博士学位论文、中国科学技术大学2020年度“墨子杰出青年特资津贴”一等资助等，2021年入选第六届中国科协青年人才托举工程。