橫向風(fēng)下浮力擴(kuò)散火焰不穩(wěn)定性及振蕩頻率研究.pdf

1、橫向風(fēng)下火災(zāi)火焰存在或應(yīng)用于室外環(huán)境、工業(yè)爐、鍋爐、煙囪、隧道、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器內(nèi)等環(huán)境中。然而，存在于這些環(huán)境中的橫向風(fēng)下火焰振蕩現(xiàn)象則具有增強(qiáng)火災(zāi)火勢(shì)，擴(kuò)大火災(zāi)蔓延程度，破壞工業(yè)設(shè)備結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生噪聲等危害?；鹧嬲袷幀F(xiàn)象作為火災(zāi)火焰不可缺少的特征，一方面會(huì)造成危害，另一方面又起著區(qū)別火災(zāi)與周邊光噪聲的作用被應(yīng)用于圖像視頻探測(cè)領(lǐng)域?；馂?zāi)火焰具有區(qū)別于燈光、陽(yáng)光等非災(zāi)害光源的振蕩頻率范圍，因此，圖像視頻探測(cè)可以通過(guò)捕捉這種特有的振蕩頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)火

2、災(zāi)的初期探測(cè)與報(bào)警。然而橫向風(fēng)下火焰振蕩現(xiàn)象有別于無(wú)風(fēng)情況，這會(huì)影響火災(zāi)圖像視頻探測(cè)的準(zhǔn)確性。所以，對(duì)橫向風(fēng)下火焰振蕩頻率的研究不僅能更好避免其帶來(lái)的危害，還能為有風(fēng)環(huán)境下火災(zāi)圖像視頻探測(cè)參數(shù)修正提供理論依據(jù)，具有重大意義。
　　本文以橫向風(fēng)下火焰振蕩頻率在火災(zāi)和工業(yè)應(yīng)用中的危害以及對(duì)火災(zāi)探測(cè)的應(yīng)用價(jià)值為前提背景，針對(duì)丙烷浮力擴(kuò)散火焰，建立了橫向風(fēng)下火焰振蕩頻率理論模型;同時(shí)利用自主設(shè)計(jì)的橫向風(fēng)下浮力擴(kuò)散燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了橫向風(fēng)

3、、燃燒器直徑等邊界條件對(duì)火焰振蕩頻率的影響及其相互關(guān)系，揭示了橫向風(fēng)對(duì)火焰振蕩的影響機(jī)制。
　　在理論研究方面，本文引入表征動(dòng)量通量比的拖曳系數(shù)Cw,D，耦合了橫向風(fēng)和浮力對(duì)火焰振蕩頻率的影響，同時(shí)也引入了表征橫向風(fēng)下平均火焰軸線速率和初始火焰軸線速率之比的減速系數(shù)KE，耦合了橫向風(fēng)下卷吸作用對(duì)火焰振蕩頻率的影響，最終建立Richardson數(shù)中特征長(zhǎng)度分別為燃燒器直徑(Ri(D))和火焰長(zhǎng)度（Ri(Lf））兩種形式時(shí)對(duì)應(yīng)的浮力擴(kuò)

4、散火焰振蕩頻率表達(dá)公式。
　　在實(shí)驗(yàn)研究方面，本文設(shè)計(jì)無(wú)風(fēng)以及1.2、1.7、2.2和2.6m/s四種橫向風(fēng)速，0.05、0.075、0.106、0.13和0.15m五種燃燒器直徑以及四種燃料體積流量。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可同時(shí)測(cè)取和控制火焰溫度、火焰圖像、丙烷燃料體積流量和火焰輻射通量，并可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橫向風(fēng)速的變化。通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)分析處理，實(shí)驗(yàn)可獲得火焰圖像、火焰溫度、火焰長(zhǎng)度、火焰寬度、火焰傾斜角度以及火焰振蕩頻率等特征參量，為橫向風(fēng)下浮力擴(kuò)

5、散火焰振蕩頻率理論預(yù)測(cè)提供實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　結(jié)合理論模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文從火焰形態(tài)、火焰溫度、火焰長(zhǎng)度和火焰頻率等方面對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。首先結(jié)合無(wú)風(fēng)環(huán)境下火焰振蕩發(fā)生機(jī)制，火焰形態(tài)方面的研究結(jié)果表明，橫向風(fēng)下浮力擴(kuò)散火焰振蕩現(xiàn)象由瑞利-泰勒不穩(wěn)定性（Rayleigh-Taylorinstability）和開(kāi)爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性(Kelvin-Helmholtzinstability)共同誘導(dǎo)形成，火焰振蕩幅度較無(wú)風(fēng)環(huán)境時(shí)小，火焰

6、振蕩特性變得更加復(fù)雜。隨后分析得出，火焰輻射能力和火焰溫度都隨著橫向風(fēng)速的增加先降低后有所升高。在本文所研究的橫向風(fēng)速范圍內(nèi)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出，火焰長(zhǎng)度主要受燃燒器直徑的影響，橫向風(fēng)速對(duì)其影響不大。然后分別對(duì)Ri(D)形式和Ri(Lf）形式的火焰振蕩頻率理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行吻合性分析和差異性對(duì)比，得出兩種形式的火焰振蕩頻率都隨著動(dòng)量通量比倒數(shù)1/R的增大而減小，并且Ri(D)形式火焰振蕩頻率表達(dá)公式更具有實(shí)際物理意義，且實(shí)驗(yàn)和理論