摘要
多火源燃烧常见于森林、城市交界、工业燃料储罐区、古建筑群等涉及环境风的开放性火灾场景中。在环境风的诱导下，多火源的燃烧强度将会显著增加，易蔓延发展成大规模的区域性火灾。深入研究环境风作用下的多火源燃烧特征及其动力学规律，可为区域性大火的预防监控和早期扑救工作提供理论依据和科学指导。本文通过实验和数值模拟并结合理论推导发展了侧向风作用下的交互火羽流表征模型。主要研究内容包括:(1)开展了侧向风作用下的双气体火燃烧实验。基于数学统计理论的Matlab视频图像处理方法建立了适用于无风和有风环境下的交互火焰融合概率模型。揭示了遮挡卷吸效应诱导上、下游火焰倾角随风速增加呈现非对称性变化。并基于动量守恒原理和受力分析，建立了侧向风作用下的交互火焰倾角模型。采用温度法和视频处理对比分析了火焰长度的演化特性，即随侧向风速增加，火焰长度呈现先减小后增加的变化趋势，进而发展了适用于不同火焰融合阶段的火焰长度关系模型。提出了基于火焰融合和火焰贴地行为的三棱柱火焰模型计量顺风向下游区域水平目标接收到的热辐射。通过与前人的实验结果或经典模型对比，验证了上述模型的精度。 (2)实验研究了侧向风作用下的双油池火燃烧速率和热反馈演化机制。首先，揭示了在叠加热反馈作用下的双池火火焰的交互作用、火焰高度以及火焰倾角的演化特征。然后，结合火焰形态结构研究，系统研究了双火源的燃烧速率随侧向风速和火源间距的变化关系。总体而言，随风速的增加，上游火源的燃烧速率可分为三个区域:快速增长区、衰减区和缓慢增长并趋于稳定区。由于双油池火之间存在交互遮挡卷吸和热反馈的双重作用，下游燃烧速率随侧向风速增加呈现更为复杂的变化关系，且受到油盘尺度效应影响。发现当双火源发生融合时，上游火源的部分火焰主体覆盖于下游火源，使得下游火源接受到的热反馈增强，最终导致下游火的燃烧速率相对较大。这种现象随着融合程度的增加愈加明显。揭示了随着间距的增加，侧向风作用下的双火源相互作用呈现了交互遮挡卷吸受限主导到热反馈增强主导到单重遮挡卷吸受限主导的变化过程。系统揭示了三种热反馈（对流热反馈、辐射热反馈和传导热反馈）占比随风速和火焰融合状态的变化情况，揭示了双火源热反馈随风速增加主控机制由辐射主导向对流主导的过程。进一步地，基于滞留层理论，发展了不融合情况下的上游和下游火源燃烧速率演化模型。 (3)模拟研究了侧向风作用下的双交互火焰附近的流动特性。在无风环境下，随着火源间距的增大，火焰相互作用逐渐减弱。相应的速度矢量场形状经历了三个阶段的演化:一个整体的圆形、两个相互作用的圆形和两个独立的圆形。在有风环境下，受瑞利一泰勒不稳定性的影响，火源下游产生反向旋涡对。揭示了在反向旋涡对和遮挡卷吸效应的影响下，火源下游中心线的纵向气流速度发生衰减。发现在火焰和环境气流耦合作用下，局部流速增强甚至超过自由流流速。量化揭示了侧向风速相对较小时，双火源下游存在湍流强度剧烈的逆流区域。此外，发现随着风速的增加，交互火焰遮挡卷吸效应呈现出先增加后减小的非单调变化趋势。
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