竖通道内多池火耦合非受迫旋转火焰特性与大涡模拟技术研究

Fire whirl as a kind of special fire behavior, famous for its complex properties and devastation. In view of the fact that current understand and grasp the mechanism characteristics of fire whirls are not profound enough, the researches focusing on the mechanism characteristics of unforced fire whirls formed by multiple coupled liquid fuel pool fires in the vertical channel type confined spaces will be conducted in this project. For the typical pool fires arrangement and boundary conditions of the vertical shaft, the mechanism of special vortex motion of unforced fire whirls coupled by multiple pool fires will be revealed by dynamic mechanical analysis on the flame shape and processing vortex flow at different height regions. The characteristics of heat release rates and heat radiations of fire whirls formed by multiple coupled pool fires will be enriched, and the quantitative analysis of typical parameter features will be conducted. Also, the relationship between unforced fire whirls formed by multiple coupled pool fires, free oil pool fires and fire whirls formed by one pool fire will be established. The applicability of subgrid-scale model for heat flow field of unforced fire whirls formed by multiple coupled pool fires in large eddy simulation will be determined, and the numerical simulation technology for the unforced fire whirls will be improved. The results of this project have important value for design of fire whirl suppression and fire protection, and even to development and utilization of fire whirl.

旋转火焰作为一种特殊形态火焰，以其复杂特性和巨大破坏力而著称。本项目针对目前对其特性机理的了解还不够深入的背景，重点对竖通道型受限空间内由多个独立的液体燃料池火相互作用、共同耦合而形成的非受迫旋转火焰机理特性开展研究。通过对典型多池火排列方式和竖通道开口边界条件下所形成的多池火耦合非受迫旋转火焰形态变化力学分析及其涡旋流动在高度上分区域处理等方式，深入揭示多池火耦合非受迫旋转火焰的特殊涡运动机理特性；在充实竖通道内多池火耦合非受迫旋转火焰热释放速率、热辐射强度等参数特性研究的同时，定量分析其旋转火焰典型参数特性规律，并建立其与自由燃烧油池火以及单一池火旋转火焰之间的联系；在确定适用于通道内液体燃料形成的多池火耦合旋转火焰热流场大涡模拟亚格子模型的基础上完善其数值模拟技术。本项目成果对旋转火焰的快速抑制和防火设计，甚至将其加以疏导利用都有重要的意义。

多池火耦合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。由于其特殊和复杂性，国际上相关研究还相对较少，本项目很大程度上丰富了此类旋转火焰特性的研究工作。通过本项目研究，完成了竖通道内多池火典型排列方式时形成的耦合旋转火焰形态变化特性分析，根据融合前后的火焰形态变化规律对多池火耦合旋转火焰整个燃烧过程进行了时域划分，确定了多池火各火焰融合并形成旋转火焰的主要影响边界条件及参数关系，并由多池火耦合旋转火焰的剧烈程度结果确定了等径或异径多池火耦合旋转火焰稳定生成的侧开缝宽度适宜条件以及池间距等临界阈值。基于多池火耦合旋转火焰特殊形态，在对其流场涡分布与涡形态等动力学机理特性分析基础上，基于分区处理思想推导了多池火耦合旋转火焰动量方程以及各池火液面间热辐射反馈等传热机制模型，揭示了多池火耦合旋转火焰这种既统一又相互独立的特殊形式火焰热流场的涡旋及力学机理特性。同时，基于常规池火经典羽流竖向分区处理思想，验证了多池火耦合旋转火焰羽流竖向分区规律，并获得了表征各区域对应数学模型参数值，还在量化池火燃烧化学反应对旋转火焰生成与热流场分布规律的影响程度基础上，确定了浮力引发旋转火焰的主要机制。本项目还以池火面积为纽带，建立了等面积单池与多池火之间的联系，在分析由单池火与多池火旋转火焰各典型参数之间存在的差异及其机理性原因基础上，以单池火相关数学模型为基础进行修正后得到了适用于多池火耦合旋转火焰各典型参数计算的数学模型，扩展了旋转火焰相关理论模型的应用范围。另外，本项目基于开源数值模拟软件，将多种亚格子模型代码植入后重新编译，比较分析了多种亚格子模型对于竖通道内多池火耦合旋转火焰热流场大涡模拟的适用性，在一定程度上了完善其数值模拟技术。本项目成果可在准确地构建相关理论体系的基础上，有效地指导并促进工程上对此类特殊形式燃烧与火焰的利用、防范、消防应对等新装置或新设备的研发。