外界流场作用下射流火的动力学行为特征,一直是燃烧学及火灾学基础研究的重要对象。空气流动风场会对射流扩散火焰形态、燃烧特征等产生重要影响,其研究结果对于提高工业锅炉的燃烧效率、减少油田或化工厂废气燃烧污染物的排放、降低早期火灾探测的误报与漏报率等有重要意义。本文首先从唯象学角度,针对横向风条件下射流火,综合考虑浮力、剪切力、惯性力对湍流射流扩散火焰的耦合作用,建立横向和垂直方向的动量方程并求解得到火焰倾角公式,进一步利用火焰理查德森数对公式进行简化,建立了包含浮力-过渡-动量三种不同主控模式的全局火焰倾角模型。其次,自主研制了小尺寸风洞平台,以丙烷为燃料,针对横向风条件下3mm(动量主控)与8mm(浮力主控-过渡)两种不同喷嘴直径的射流扩散火焰形态与燃烧特性,开展了实验研究。燃料射流出口雷诺数(Re)310～3305,弗洛德数(Fr)0.351～756,风速范围0.5～4.0m/s,射流-横向风动量通量比(RM)0.077～13.188,热释放速率范围0.698～2.790kW。实验利用图像分析确定火焰长度、倾角等形态参量,基于比色测温法反演计算火焰温度及碳黑体积分数分布,利用可见火焰度与化学当量比火焰长度的关系确定火焰烟点状态。研究结果表明,随着RM值逐渐增大,火焰依次呈现三种典型形态。当RM值较小时,火焰主要存在于喷嘴出口平面以下,且集中于喷嘴背风侧的负压区,称为下洗现象;随着RM值的增大,火焰呈现出三区域结构,第一个区域指下洗区域,第三个区域指对称分布的狭长、亮黄色火焰。这两个区域中间的连接区为第二个区域;RM值继续增大,下洗区域逐渐减小并消失,呈现两区域结构。火焰长度随着横向风速的增大或者RM值的减小,先稍微增大后减小。无量纲火焰长度与射流Fr的关系为LF =18.8Fr0.239。基于本文中的实验结果,给出了火焰长度转捩点的临界风速与RM值。对于给定喷嘴直径,临界RM值趋向于定值。根据火焰倾角实验结果及理论分析,基于RM与Fr,提出了三种不同的倾角主控模式,确定了全局火焰倾角理论公式的适用范围:横向风/浮力主控模式(RM<0.01,Fr＜0.1),过渡模式(0.01<RM<10,0.1<Fr<103),和射流/动量主控模式(RM>10,103<Fr<105)。火焰温度和碳黑体积分数总体随着横向风速的增大或者RM值的减小逐渐降低。火焰辐射分数随横向风速的增大,8mm直径工况先稍微增大后降低;3 mm直径工况则是逐渐减小。最后,给出了横向风条件下,火焰达到烟点状态的临界风速与RM值。随着燃料流量的增大(射流Fr增大),临界风速与RM值都有增大的趋势。临界RM值与射流Fr.的关系为RM=0.170Fr0 345。烟点火焰长度与Fr的关系为LFsp=13.8Fr0.279。烟点条件下,8mm直径工况火焰为典型的三区域结构,而3mm工况火焰为典型的两区域结构。在实验范围内,当燃料流量大于某临界值后,无量纲火焰长度的烟点值与最大值之比趋于定值,且3 mm直径比值大于8 mm直径。烟点火焰辐射分数随着燃料流量的增大(射流Fr增大),8 mm直径逐渐上升,而3mm先升后降;并且8mm工况远大于3mm。两种喷嘴直径之所以出现不同的趋势,主要是因为不同RM值造成了不同的火焰流场和火焰碳黑运动轨迹。烟点火焰辐射分数与无量纲火焰长度之比与RM值的拟合结果为8 mm工况:XR,sp/LFsp=0.047RM-5.56×10-4,3mm 工况:XR,sp/LF,sp=—3.034RM+5.42×10-4。