外立面作用下的水平湍流浮力射流火焰特性研究

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火焰附壁现象多见于高层建筑火溢流中,它是火灾向其上层建筑蔓延的主要方式,由此引发的二次火灾给人类生命和财产安全带来了巨大的威胁。本文以高层建筑开口火溢流为背景,主要研究外立面作用下,水平湍流浮力射流火焰特性。包括外立面抑制火焰卷吸导致的火焰偏转现象、火焰长度以及温度场特性。我们以防火板模拟建筑外立面,设计了可控流速和开口尺寸的气体燃烧器产生水平湍流浮力射流火焰。使用热电偶阵列测量了火焰的温度场,发现无量纲的轴向温度近似随无量纲高度的-3/5次方衰减。水平湍流浮力射流火焰的偏转是由于外立面对火焰的卷吸限制导致的。将火焰流场演变分为两个阶段:(1)出口到流场水平动量衰减为零(等价点)的阶段;(2)火焰偏转或不偏转的阶段。火焰附壁与否很大程度上取决于等价点到出口的水平距离LE(表征外立面对火焰卷吸抑制的程度)和火焰长度。同种开口宽高比下,火焰的无量纲热释放速率越大,LE越大。外立面作用下的水平湍流浮力射流火焰长度变化主要受到两种效应的共同影响:(1)同样开口条件下,无量纲的出口热释放速率增大引发的火焰变长效应;(2)卷吸受限程度加剧引起的火焰长度增大效应。这两种效应此消彼长,无量纲的出口热释放速率越大,火焰卷吸的受限程度越弱,反之亦然。通过分析发现,湍流雷诺应力是导致流场水平动量衰减和火焰偏转的主要原因。由此,基于普朗特混合长度理论推导了雷诺应力的近似表达式结合动量控制方程,获得了无量纲的最大水平距离LE/B与修正弗洛德数Fr*的线性关系,从理论上解释了出口宽高比m(n=B/H,B是开口宽度;H是开口高度)越大,火焰越容易附壁的现象。基于外立面对火焰的卷吸限制程度,将火焰朝向外立面的贴附现象进一步细分为三种状态:(1)火焰附壁;(2)火焰偏转不附壁;(3)火焰既不附壁也不偏转。结合实验数据,我们发现不同开口及流速条件下,当2.03<Fr*<4.84时,火焰偏转不附壁;当4.84<Fr*<70.4时,火焰既不附壁也不偏转。且无量纲的火焰长度在这两种状态下均随修正弗洛德数线性增加。
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