一种模拟环境风作用下线火源诱发火旋风的装置和方法与流程

本发明属于火灾安全技术领域，具体地说，是一种模拟环境风作用下线火源诱发火旋风的装置和方法，可以用来研究森林-城镇交界域火灾中火蔓延前锋产生火旋风现象的气象地形条件。

背景技术：

火旋风是一种常见于森林-城镇交界域火灾中的典型极端火行为，其显著特点是边旋转边燃烧、使得火场的火焰高度和温度显著增加、辐射增强，火蔓延速度跳跃式发展，导致火场突然失去控制，带来灾难性的后果。如，1923年日本关东大地震后火灾产生的火旋风导致附近广场中避难人群约38000人死亡。

线型燃烧形态是森林-城镇交界域火灾中常见现象，如森林或草原火蔓延前锋、连片木结构房屋火灾。

现有的火旋风实验模拟装置都是在受限空间内产生稳定的火旋风，以研究稳态火旋风的燃烧动力学规律与流动特性。如中国专利cn103542996a公开了一种六侧面火旋风实验装置；中国专利cn106017848a公开了一种火旋风模拟测量系统，用于测定不同工况条件下稳态火旋风的热释放速率及燃烧效率的变化规律；中国专利cn107842870a公开了一种可控参数的双狭缝蓝色火旋风发生装置。这些装置的一个共同核心点是采用了挡板和狭缝的方式在受限的局部空间内产生火旋风涡旋，且火源形状多为圆形池火，不同点在于改变挡板和狭缝的个数与尺寸以产生所期望的稳定火旋风。很明显，目前的火旋风实验模拟装置不能用于研究开敞空间火场中火旋风的诱发条件与机制，特别是不能预测或模拟实际野外火场中线火源诱发火旋风的过程。

技术实现要素：

由于现有火旋风装置只能产生和研究受限空间内稳态火旋风的燃烧规律和流动特性，不能用于研究开敞空间火场中火旋风的诱发条件与机制，特别是不能预测或模拟实际野外火场中线火源诱发火旋风的过程。

为了解决上述技术问题，本发明在环境风作用下线火源诱发火旋风的理论分析和数值模拟的基础上，提出了一种开敞空间内线火源诱发火旋风的实验模拟装置，可以系统研究线火源（火源形态与热释放速率）、来流风（风速与风向）和地形（地面坡度）等物理条件耦合诱发火旋风的临界条件。

为了实现上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种模拟环境风作用下线火源诱发火旋风的装置，包括风墙装置、线火源的热羽流模拟装置、示踪烟装置和激光装置，风墙装置由风机、调频器、蜂窝导流管堆、框架组成，线火源的热羽流模拟装置由调压器、电流表、电流互感器和镍铬电热丝以电线线路连接方式组成，示踪烟装置由发烟机和出烟管道组成，激光装置采用片光源激光器。

本发明的进一步改进，风墙装置调频器与风机相连，调频器频率可调范围是0-50hz，蜂窝导流管堆由长度不同的两种塑料管粘连组成，其中长度较短的塑料管设定为短塑料管分布在蜂窝板的中心区域，长度较长的塑料管设定为长塑料管分布在短塑料管的四周，风机和蜂窝导流管堆放置于可移动的框架内。

本发明的进一步改进，风机直径为0.9m，调频器频率可调范围是0-50hz，短塑料管的管径为1.6cm，长度为13cm，长塑料管的管径为1.6cm，长度为19cm的塑料管粘连组成，框架尺寸为1m×1m×1.3m，其中出风断面为1m×1m。

本发明的进一步改进，线火源的热羽流模拟装置中的镍铬电热丝固定在可改变倾斜角度的防火板上，调压器与镍铬电热丝串联，为电热丝提供稳定电源，并可读出电压，电流表和电流互感器串联，连接调压器和电热丝的电源线从电流互感器内部穿过。

本发明的进一步改进，镍铬电热丝是螺旋状的，直径为6.5mm，调压器的型号为stg-5000w，是数显式交流调压电源，电压可调节范围是0-300v，电流表的型号为in5135h-pr，测量范围是0-5a，电流互感器的型号为bh-0.66，电流比为1/5。

本发明的进一步改进，示踪烟装置由发烟机和出烟管道组成，其中，发烟机的功率为400w，出烟管道两端都与发烟机连接，管道直径为3.8cm，出烟管道的中心区域均匀分布有9个出烟孔，孔径为8mm，出烟孔之间的间距为10cm。

本发明的进一步改进，激光器型号为lwgl532-3-l，激光波长为532nm，输出功率为3w。

本发明还披露了一种模拟环境风作用下线火源诱发火旋风的方法，包括以下步骤：

步骤一、利用pyrosim软件建立网格空间来等效实验室；

步骤二、设置出风口和泄压口；

步骤三、通过无数小尺寸的方形热源组合成为线型热源来等效实际火源；

步骤四、设置观察流场的切片；

步骤五、利用firedynamicssimulator软件进行数值计算和smokeview软件对计算结果进行观察分析。

另外，本发明披露的一种模拟环境风作用下线火源诱发火旋风的方法，使用上述模拟环境风作用下线火源诱发火旋风的装置，包括以下具体步骤：

步骤一、环境风和坡度的模拟：利用风墙来模拟环境风，通过风机调频器定量控制风速的大小，通过调节防火板的倾斜角的方式模拟地形坡度，其中，水平放置的防火板对应0度的地形坡度；

步骤二、线火源的模拟：通过电加热方式，镍铬电热丝温度升高，产生线型热羽流，以模拟实际线型火源的火羽流的流动，电热丝形状能任意改变，模拟直线型火源或曲线型火源，电热丝的单位长度热释放速率主要通过调节调压器的输出电压来改变，其值是电压和电流的乘积再除以电热丝长度，电压值和电流值可直接由调压器和电流表读出，电热丝长度可通过卷尺测量得到；

步骤三、流场显示和观察：主要利用发烟机产生烟雾颗粒作为示踪粒子，再利用激光器产生的激光使流场显示地更加清楚便于实验观察和普通dv的清晰拍摄。

本发明的有益效果：相比现有火旋风实验装置，本发明主要有两点优势：一是可以系统研究开敞空间内线火源、来流风和地形等物理条件耦合诱发火旋风的临界条件；二是通过示踪烟装置和激光器的协同作用提高了流场显示的清晰度，特别是线型火羽流周围的空气流动情况。

附图说明

图1是环境风作用下直线火源诱发火旋风的实验模拟示意图。

图2是环境风作用下曲线火源诱发火旋风的实验模拟示意图。

图3是风墙装置结构图。

图4是风机频率与风速关系图。

图5是环境风作用下直线火源诱发火旋风的数值模拟效果图。

图6是环境风作用下曲线火源诱发火旋风的数值模拟效果图。

图7是风速、地面和上升火羽流相互作用产生火旋风的理论分析示意图

图中，1-风墙，2-调压器，3-电流表，4-电流互感器，5-镍铬电热丝，6-连接电线，7-防火板，8-发烟机，9-出烟管道，10-激光器，11-摄像机，101-风机，102-调频器，103-短塑料管，104-长塑料管，105-框架。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例：如图1-图3所示，一种模拟环境风作用下线火源诱发火旋风的装置由风墙1装置、线火源的热羽流模拟装置、示踪烟装置和激光装置组成。

风墙1装置：由风机101、调频器102、蜂窝导流管堆、框架105组成。风机101直径为0.9m，调频器102与风机101相连，调频器102频率可调范围是0-50hz。蜂窝导流管堆由管径为1.6cm，长度为13cm和19cm的塑料管粘连组成，其中长度为13cm的短塑料管103分布在蜂窝板的中心区域，长度为19cm的长塑料管104分布在短管的四周。风机101和蜂窝导流管堆放置于可移动的框架105，其尺寸为1m×1m×1.3m，其中出风断面为1m×1m。本发明设计的出风断面1m×1m的风墙1，可通过多个组合方式构成出风断面更大的风墙1。

线火源的热羽流模拟装置：由调压器2、电流表3、电流互感器4和镍铬电热丝5以电线线路连接方式组成，其中镍铬电热丝5固定在可改变倾斜角度的防火板7上。镍铬电热丝5是螺旋状的，直径为6.5mm；调压器2的型号为stg-5000w，是数显式交流调压电源，电压可调节范围是0-300v，它与镍铬电热丝5串联，为电热丝提供稳定电源，并可读出电压；电流表3和电流互感器4串联，连接调压器2和电热丝的电源线从电流互感器4内部穿过，可测出电路中的电流大小，电流表3的型号为in5135h-pr，测量范围是0-5a，电流互感器4的型号为bh-0.66，电流比为1/5，因此电流可测量范围变为0-25a。

示踪烟装置：主要由发烟机8和出烟管道9组成。发烟机8的功率为400w，是一般的舞台用烟雾机；出烟管道9两端都与发烟机8连接，管道直径为3.8cm，在出烟管道9中心区域均匀分布9个出烟孔，孔径为8mm，出烟孔之间的间距为10cm。

激光器10：型号为lwgl532-3-l，出射激光为片光源，激光波长为532nm，输出功率为3w。

根据基本涡量方程:

其中，是涡量矢量；v是体积；f是彻体力；ρ是当地气体密度；v是运动粘度。由上式可知，自然界中涡量的产生源为非保守力，流体斜压作用和粘性力；涡量线可在环境风作用下顺风移动；速度梯度可弯曲和拉升涡量线，如图7所示。

以直线火源诱发火旋风为例进行理论分析。当环境风吹过地面，由于粘性力的作用在近地面附近产生水平涡线或涡量，然后在风压作用下顺风移动，当与下游上升燃烧火羽流相遇时，在上升火羽流的作用下水平涡线发生弯曲转变为垂直涡线，并且涡量强度会因上升火羽流的拉伸作用增强。因此，环境风和地面相互作用在地面附近产生的水平涡量为火旋风旋转旋的涡源。

一种模拟环境风作用下线火源诱发火旋风的方法，包括以下步骤：一是利用pyrosim软件建立网格空间来等效实验室；二是设置出风口和泄压口；三是通过无数小尺寸的方形热源组合成为线型热源来等效实际火源；四是设置观察流场的切片；五是利用firedynamicssimulator软件进行数值计算和smokeview软件对计算结果进行观察分析。

具体地说，包括以下内容：

环境风和坡度的模拟：利用风墙来模拟环境风，可通过风机调频器定量控制风速的大小。图4给出了调频器频率与风速的对应关系，其中纵向距离是指风速测量点距离出风口的距离。可通过调节防火板的倾斜角的方式模拟地形坡度，水平放置的防火板对应0度的地形坡度。

线火源的模拟：通过电加热方式，镍铬电热丝温度升高，产生线型热羽流，以模拟实际线型火源的火羽流的流动。电热丝形状能任意改变，可以模拟直线型火源也可以模拟曲线型火源；电热丝的单位长度热释放速率主要通过调节调压器的输出电压来改变，其值是电压和电流的乘积再除以电热丝长度，电压值和电流值可直接由调压器和电流表读出，电热丝长度可通过卷尺测量得到。

流场显示和观察：主要利用发烟机产生烟雾颗粒作为示踪粒子，再利用激光器产生的激光使流场显示地更加清楚。发烟机产生的烟雾是由烟油和水混合形成，烟雾粒子平均粒径为5微米，有较好的流动跟随性，对流场的跟随性约为95%，作为气相场的示踪粒子较为合适。此外，激光器产生的激光波长为532纳米，烟雾粒子粒径远大于激光波长，因此烟雾粒子的前向散射极强，在更多的角度上出现散射的极大值和极小值，更加有利于实验观察和普通摄像机的清晰拍摄。

应用实例为环境风作用下线火源诱发火旋风的模拟，包括数值模拟和实验模拟两部分，模拟布置见图1至图3，模拟效果见图5和图6。在数值模拟中，参数设置如下：（a）热释放速率为0.92kw/m，线型热源的长度为1.5m，风速为0.18m/s，攻角θ为37°；（b）热释放速率为0.92kw/m，线型热源的长度为3.8m，风速为0.18m/s，攻角θ为45°。

实验模拟中，参数设置如下：（a）电压为281v，电流为4.9a，镍铬电热丝的长度为1.5m（即单位长度热释放速率为0.92kw/m），风机频率为2hz（即风速为0.18m/s），防火板水平放置，攻角θ为37°；（b）电压为230v，电流为7a，镍铬电热丝的长度为1.46m（即单位长度热释放速率为1.10kw/m），风机频率为2hz（即风速为0.19m/s），防火板水平放置，攻角θ为0°。

以上两组模拟和两组实验中都可以清楚地观察到旋转流，即表明火旋风涡旋的产生。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。