横向风下浮力扩散火焰不稳定性及振荡频率研究

摘要

横向风下火灾火焰存在或应用于室外环境、工业炉、锅炉、烟囱、隧道、发动机燃烧器内等环境中。然而，存在于这些环境中的横向风下火焰振荡现象则具有增强火灾火势，扩大火灾蔓延程度，破坏工业设备结构，产生噪声等危害。火焰振荡现象作为火灾火焰不可缺少的特征，一方面会造成危害，另一方面又起着区别火灾与周边光噪声的作用被应用于图像视频探测领域。火灾火焰具有区别于灯光、阳光等非灾害光源的振荡频率范围，因此，图像视频探测可以通过捕捉这种特有的振荡频率来实现火灾的初期探测与报警。然而横向风下火焰振荡现象有别于无风情况，这会影响火灾图像视频探测的准确性。所以，对横向风下火焰振荡频率的研究不仅能更好避免其带来的危害，还能为有风环境下火灾图像视频探测参数修正提供理论依据，具有重大意义。
　　本文以横向风下火焰振荡频率在火灾和工业应用中的危害以及对火灾探测的应用价值为前提背景，针对丙烷浮力扩散火焰，建立了横向风下火焰振荡频率理论模型;同时利用自主设计的横向风下浮力扩散燃烧实验平台，研究了横向风、燃烧器直径等边界条件对火焰振荡频率的影响及其相互关系，揭示了横向风对火焰振荡的影响机制。
　　在理论研究方面，本文引入表征动量通量比的拖曳系数Cw,D，耦合了横向风和浮力对火焰振荡频率的影响，同时也引入了表征横向风下平均火焰轴线速率和初始火焰轴线速率之比的减速系数KE，耦合了横向风下卷吸作用对火焰振荡频率的影响，最终建立Richardson数中特征长度分别为燃烧器直径(Ri(D))和火焰长度（Ri(Lf））两种形式时对应的浮力扩散火焰振荡频率表达公式。
　　在实验研究方面，本文设计无风以及1.2、1.7、2.2和2.6m/s四种横向风速，0.05、0.075、0.106、0.13和0.15m五种燃烧器直径以及四种燃料体积流量。实验平台可同时测取和控制火焰温度、火焰图像、丙烷燃料体积流量和火焰辐射通量，并可实时监测横向风速的变化。通过相关数据分析处理，实验可获得火焰图像、火焰温度、火焰长度、火焰宽度、火焰倾斜角度以及火焰振荡频率等特征参量，为横向风下浮力扩散火焰振荡频率理论预测提供实验验证。
　　结合理论模型和实验结果，本文从火焰形态、火焰温度、火焰长度和火焰频率等方面对实验结果进行分析。首先结合无风环境下火焰振荡发生机制，火焰形态方面的研究结果表明，横向风下浮力扩散火焰振荡现象由瑞利-泰勒不稳定性（Rayleigh-Taylorinstability）和开尔文-亥姆霍兹不稳定性(Kelvin-Helmholtzinstability)共同诱导形成，火焰振荡幅度较无风环境时小，火焰振荡特性变得更加复杂。随后分析得出，火焰辐射能力和火焰温度都随着横向风速的增加先降低后有所升高。在本文所研究的横向风速范围内，根据实验结果分析得出，火焰长度主要受燃烧器直径的影响，横向风速对其影响不大。然后分别对Ri(D)形式和Ri(Lf）形式的火焰振荡频率理论预测与实验结果进行吻合性分析和差异性对比，得出两种形式的火焰振荡频率都随着动量通量比倒数1/R的增大而减小，并且Ri(D)形式火焰振荡频率表达公式更具有实际物理意义，且实验和理论的吻合性更佳。最后对火焰振荡频率进行无量纲分析，结果表明Strouhal数St与Froude数Fr-0.5具有很好的线性关系。

目录

声明

摘要

全文符号

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 横向风下火焰不稳定性的危害

1．1．2 横向风下火焰不稳定性的应用价值

1．2 研究现状

1．2．1 火焰不稳定性模型

1．2．2 无风环境下火焰振荡频率

1．2．3 横向风下浮力扩散火焰特性

1．2．4 火焰振荡频率分析方法

1．3 研究目标与内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．3．3 技术路线

1．4 文章结构安排

第2章 横向风下浮力扩散火焰振荡频率理论分析

2．1 横向风下火焰振荡发生机制

2．2 横向风下火焰振荡频率动力学分析

2．2．1 水平拖曳力

2．2．2 火焰轴线速率

2．2．3 火焰振荡频率

2．3 卷吸作用对火焰振荡频率影响

2．4 火焰振荡频率无量纲分析

2．5 本章小结

第3章 横向风下浮力扩散燃烧实验设计

3．1 横向风下浮力扩散火焰燃烧实验平台

3．1．1 实验装置

3．1．2 信息采集系统

3．2 数据分析方法

3．2．1 火焰形态

3．2．2 火焰尺寸

3．2．3 火焰温度

3．2．4 火焰振荡频率

3．3 实验工况设计

3．4 本章小结

第4章 横向风下浮力扩散燃烧实验结果分析

4．1 火焰形态分析

4．2 火焰温度分析

4．3 火焰长度分析

4．4 火焰振荡频率分析

4．4．1 形状系数KG和减速系数KE

4．4．2 Ri(D)形式火焰振荡频率

4．4．3 Ri(Lf)形式火焰振荡频率

4．5 Ri(D)形式和Ri(Lf)形式火焰振荡频率结果对比

4．6 火焰振荡频率无量纲分析

4．7 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果