坡度条件下线性火源火焰贴地行为及热流分布研究

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火灾在蔓延过程中,时常会受到环境风及坡度条件的影响,从而引发火蔓延加速的现象,增加了火灾扑救难度并威胁到消防员的生命安全。环境风及坡度条件都会促使火焰往下游倾斜并附着于地表,导致火焰接触到下游未发生燃烧的可燃物,增加可燃物接收到的热通量,并将其引燃,进一步增大火势。对于不同坡度条件下的火灾研究,前人大多使用单一火源探究不同坡度对火焰燃烧动力学特征参数的影响。在实际火灾场景中,坡地火灾的燃烧会受到环境风的影响,并时常涉及多个火源同时燃烧。然而,目前关于环境风及斜坡耦合作用下的火焰燃烧行为的研究,或是坡度条件下多火源燃烧行为的研究都较为匮乏。本文利用可变角度实验台,采用丙烷作为燃料,开展了环境风和斜坡耦合作用下火焰燃烧行为及斜坡双火源燃烧行为的实验研究。对于环境风及斜坡作用下的火焰燃烧行为,研究了在环境风及坡度条件耦合作用下火焰形态的演化及下游总热流分布。研究发现火焰贴地长度随环境风速及斜坡角度的增大而增大,并且在小角度(0°-20°)情况下环境风速对火焰贴地长度影响较大,在大角度(30°-50°)时影响较小;发现在大多数工况下热流随着下游距离的增加先增大后减小。基于环境风速、空气卷吸以及羽流浮力的物理机制分析,提出了环境风作用下斜坡上火焰形态的理论模型,并在火焰贴地长度的基础上构建了总热流分布模型。对于斜坡双火源燃烧行为,利用对称功率的双火源,研究了坡度条件下双火源燃烧的火焰形态及下游总热流分布随火源间距及坡度的演变规律。阐明了下游火焰贴地长度随燃烧器间距增加而减小,随斜坡角度及热释放速率的增加而增大;以及总热流随着下游距离的非单调变化规律。观察发现当斜坡角度从0°逐渐增大到40°时,下游火焰呈现出了三种状态,即往上游倾斜、保持竖直、往下游倾斜。在斜坡单个火源火焰贴地长度模型的基础上建立了斜坡双火源燃烧时下游火焰贴地长度的预测模型,并结合下游火焰贴地长度及斜坡角度,提出了下游总热流分布模型。
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