火旋风是一种典型的森林和城市极端火行为。它是由浮力火羽流与周围旋转流场耦合作用诱发的旋转扩散火焰。与普通浮力火焰相比,火旋风具有更大的燃烧速率,火焰高度,火焰温度和流动速度。此外,火旋风会诱发远距离飞火,造成火灾的非连续性蔓延。因此,火旋风是大尺度火灾形成的重要机制,也是火蔓延加速的关键原因。深刻揭示火旋风的燃烧动力学机制与规律,能够为发展森林和城市火灾防控技术提供科学依据。热释放速率（火源强度）和外加环量（旋转流场强度）是决定火旋风行为的两大关键参数。森林与城市开放空间的火场、风场和地形条件复杂多变,造成旋转流场强度的变化范围很大。相应地,真实火旋风的燃烧行为非常复杂,如弱旋转条件下的锥形火旋风和强旋转条件下的柱形火旋风。传统研究集中于弱旋转锥形火旋风准稳态燃烧特性,而强旋转柱形火旋风研究工作非常匮乏。本文采用实验研究和理论分析相结合的方法,研究了柱形火旋风的形成条件和火焰特性,揭示了柱形火旋风的形成判据和形成机制,获得了流场结构、火焰高度和直径随热释放速率和外加环量的变化规律。主要包括以下三个方面的内容:分析了柱形火旋风的形成机制,构建了柱形火旋风的形成预测模型。实现了热释放速率和外加环量的解耦,揭示了湍流火旋风多种火焰模式的演变规律。分析出涡旋破碎不稳定性很可能是柱形火旋风的形成机制。基于强旋转条件下浮力扩散火焰的基本控制方程,结合相似分析建立了柱形火旋风临界形成的预测模型:对于层流和湍流柱形火旋风,临界无量纲外加环量分别是无量纲热释放速率的1/4次方和1/3次方。揭示了柱形火旋风速度场的演变规律。构建了适用于旋转纱幕式火旋风实验平台的立体粒子图像测速系统（SPIV系统）,揭示了火旋风中轴面速度场随外加环量的演变规律。发现了柱形火旋风羽流区的双胞涡（TCV）和中心回流区（CRZ）结构,证实了柱形火旋风羽流区存在涡旋破碎结构。发现了火旋风特定高度的中心轴向速度和平均火焰高度存在同步变化:对于锥形火旋风,两者均随外加环量的增加而增大;对于柱形火旋风,两者均随外加环量的增加而减小。揭示了湍流柱形火旋风的火焰高度和直径随热释放速率和外加环量的演变规律。随着外加环量增加,湍流柱形火旋风平均火焰高度不断减小,但总是大于相同热释放速率下的自由浮力火焰平均火焰高度。通过积分积分求解动量和混合物分数控制方程,建立了湍流柱形火旋风平均火焰高度的半物理模型。该模型耦合了热释放速率和外加环量两个关键参数,并与实验数据符合较好。结果表明,涡旋破碎引发的湍流程度增加是柱形火旋风火焰高度减小的重要机制。