环境风作用下固体可燃物火灾复杂扩散燃烧行为的基础问题研究

Ambient wind flow will pose complex effects on the pyrolysis and ignition, diffusion flame and combustion characteristics, as well as the flame spread over solid combustible. These fire dynamics behaviors under the forced convection boundary conditions in a wind differ remarkably from those under the natural convection boundary layer condition in no wind that the current classic theory and models are not applicable. This research is to reveal the complex interaction mechanism of combustion, heat and mass transfer and fluid dynamics, as to develop new models for solid combustible fire behaviors in a wind, including: (1) to reveal the pyrolysis and ignition behavior of solid combustible under the forced convection boundary conditions in a wind; (2) to develop new models for scaling of turbulence and its combustion characteristics of diffusion flame in a wind; (3) to reveal the complex heat and mass transfer mechanism in flame spread behavior over solid combustible in a wind. This research, focusing the effect of wind, will be a supplementary over classic solid combustible fire dynamics theory that can advance the interdisciplinary research and development of fire and combustion science, and at the same time contribute to the fire protection in wind condition practically. So, the proposed research has significance for its novelity and contribution to both fire and combustion science.

环境风将对固体可燃物火灾的热解与着火、扩散火焰燃烧特征及火蔓延行为产生复杂影响，环境风强迫对流作用下的上述火灾动力学行为，与无风自然对流边界条件下的行为特征存在显著差异，现有经典理论及模型不再适用。本项目拟研究揭示环境风作用下固体可燃物火灾扩散燃烧与传热、传质及流动的复杂耦合动力学行为，及其对热解与着火、火焰湍流与燃烧特征及火蔓延行为的影响机制，并建立其表征模型：. （1）揭示环境风强迫对流边界层内固体可燃物表面热解及着火行为；. （2）建立环境风作用下火灾扩散火焰湍流特征尺度演化与燃烧特征模型；. （3）建立环境风作用下固体可燃物表面火焰火蔓延行为模型。. 本研究将针对环境风条件，补充和完善现有固体可燃物火灾动力学理论，有助于进一步促进火灾科学和燃烧学的深入交叉与发展，推动现实有风条件下火灾动力学前沿问题取得突破，具有重要创新性和理论意义。

本项目针对环境风作用下固体可燃物火灾复杂扩散燃烧行为，形成了一系列的科学成果与突破，揭示了环境风作用下固体可燃物火灾的热解与着火、扩散火焰燃烧特征及火蔓延动力学行为机制。具体包括：.(1) 揭示了环境风作用下典型固体可燃物表面热解及着火行为机理，阐明了临界表面温度、临界质损速率和着火延迟时间随气流速度的演化规律，提出了针对环境风作用下的热解着火模型，揭示了时变热流下固体可燃物热解着火过程的控制机理，基于Da数揭示了着火延迟时间随压力和氧气浓度的演化规律和变化机理。.(2) 揭示了环境风作用下扩散火焰行为演化规律与燃烧特征，研究了不同尺度以及不同燃料深度扩散火焰燃烧速率随风速的非线性演化规律，建立了扩散火焰湍流边界层特征长度理论预测模型。阐明了扩散火焰辐射特性和火焰卷吸速率随环境风速的演化规律。.(3) 揭示了环境风作用下固体可燃物火焰前锋复杂传热传质机制、火蔓延行为特征及临界吹熄机制。量化了气相热输入与固相热损失的耦合效应，建立了耦合尺度、浮力效应与强迫对流效应的火蔓延速度模型，揭示了燃料侧向扩散与空气卷吸的竞争机制，阐明了固体可燃物火灾熄火主控机制，建立了环境风作用下极限氧浓度关系模型。. 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和会议发表论文96篇，包括燃烧领域权威期刊Combust. Flame 21篇、Proc. Combust. Inst.15篇。获中国职业安全健康协会科学技术奖一等奖、教育部高等学校科学研究优秀成果奖自然科学二等奖，作8次大会或邀请报告，培养博士生18人，硕士生12人，入站博士后6人。项目负责人胡隆华研究员受邀担任国际火灾安全科学学会副主席，第38届国际燃烧会议火灾研究主题共同主席，隧道及地下空间技术领域权威期刊Tunnelling and Underground Space Technology副主编。入选国家“万人计划”领军人才、连续入选Elsevier中国高被引学者，并于2020年当选国际燃烧学会会士。