鉴于有限开口空间内,火源引起的浮力作用使该空间内的流场发生变化,如出现热分层流和旋转热流体等。热分层流主要指由于密度不同而出现的一种分层流体,而旋转热流体是指在浮力和开口处引射进的气流场耦合作用下形成,其中有代表性的是火旋风(Fire whirl),包括旋转火焰及其羽流。它的高能量、强离心力和为平衡离心力而伴随的压强骤降,都是其主要特征。对于涡核尺寸在0.1～1 m量级的非受迫火旋风,目前所做的研究尚少,而这种尺度的火旋风在一般的建筑火灾中极有可能出现,且诸多问题还需要相关的实验和理论进行深入研究。对旋转热流体,本文通过实验、理论和数值相结合的方法着重研究了火旋风即旋转火焰的运动特征。首先,对2.0 m高的小尺寸方形竖槽道(33 cm×33 cm×200 cm)受限空间中产生的火旋风进行了实验研究,主要研究了该竖槽道内不同的侧开缝开口情况,如双侧开缝、单侧开缝、不同的侧开缝宽度、侧开缝底部有无遮挡、以及一定侧开缝宽度下不同侧开缝长度对旋转火焰的影响规律。研究表明,在一定的热源下,有一个临界侧开缝宽度能形成最剧烈火旋风,且当竖槽道底部的侧开缝长度仅为整个竖槽道高度的十分之一时,依然能形成火旋风。观察实验现象发现,有限开口空间内形成的旋转火焰特点,即火焰在纵向上大致可以分为三个区域,反映出不同区域的受力特点。其次,分析了一般浮力羽流的特性参数,着重分析了轴对称羽流中心轴线上的温度分布,并且发现了旋转火焰中心线上与外围热空气的温度差分布与McCaffrey实验得的出分布特征非常相似,是高度和平均热释放速率的函数。根据小尺寸方形竖槽道内的实验现象和总结的旋转火焰特点,由此建立了适用于旋转火焰的数学物理模型,给出了其动量方程,讨论了在不同区域旋转科氏力(Coriolis force)和浮力的关系。还讨论了小尺寸火旋风实验中,旋转火焰最大的轴向速度与周向速度间的关系。最后,对15.0 m高的大尺寸单侧缝方形竖槽道(2.0 m×2.0 m×15.0 m)形成的受限空问中产生的火旋风进行了实验研究,主要研究了该竖槽道底部不同开口情况对旋转火焰的影响规律,同时还进行了数值研究。实验得出,当竖槽道底部有三个侧面均打开时,无法形成火旋风；在一定侧开缝宽度和油盆直径下,竖槽道底部有三个小开口时形成的火旋风最剧烈。通过在数值方法中采用大涡模拟技术,研究了大尺寸单侧缝竖槽道内热流场情况,深入分析了产生旋转热流体的原因,以及旋转热流体所处流场的温度、密度、压强在不同高度处沿径向的变化趋势；在竖槽道底部不同开口情况下,研究了轴向速度和周向速度的分布规律,并对火旋风旋转中心在单侧缝边界条件下的偏移特性做了定量分析。本文分别从实验、理论分析以及数值模拟三方面,主要研究了有限开口空间内旋转热流体的主要运动特征。本文的研究结果可为火灾安全工程提供理论指导依据,对特定场所的性能化防火设计提供理论和参考。