关于通过燃烧箱水平开口喷出的湍流火焰行为的实验研究：机理、概率及脉动特性

《Combustion and Flame》：Experimental study on turbulent ejected flame behavior through horizontal openings of combustion cabinets: Mechanism, probability, and pulsation characteristics

　　

陈振南|马秋菊|陈建华|吴德建|姚永珍|徐彤

中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京市100083

摘要

喷射火焰行为的参数化演变是燃烧研究中的一个基本问题，然而关于通过水平顶部开口喷射火焰的研究仍然很少。在这项研究中，使用模型燃烧柜进行了缩比实验，系统地研究了开口尺寸和热释放率（HRR）的影响。研究重点关注火焰喷射机制、喷射概率和脉动特性。结果表明，火焰行为经历了三个不同的阶段：内部燃烧、间歇喷射和连续喷射。值得注意的是，全局当量比（GER）不足以描述这种行为，因为在通风良好的条件下也可能发生火焰喷射。火焰喷射概率（P）受HRR和开口几何形状的共同影响。通过结合无量纲HRR、无量纲通风面积和入口弗洛德数的尺寸分析，建立了一个预测P的相关性。关于脉动动力学，光谱分析显示，在特定条件下，火焰高度的振荡呈现多峰结构，而不是单一主导频率。变分模态分解（VMD）解释了其背后的相互作用机制。除了浮力驱动火焰的固有不稳定性外，底部通风口的周期性卷吸脉动还会传播到顶部开口，导致这两种脉动模式之间的耦合。

引言

从开口中喷出的可燃气体的湍流燃烧行为引起了广泛的研究兴趣。众所周知，当进入封闭空间的空气卷吸速率不足以维持内部燃料的完全燃烧时，一部分未燃燃料气体会随着高温燃烧产物一起通过开口排出[1,2]。这些未燃燃料随后与外部新鲜空气混合，引发二次燃烧过程。

从燃烧科学的角度来看，火焰的形态特征定义了燃料和氧化剂之间的化学反应区域，是火焰空间分布的关键指标[3]。因此，探索在不同边界条件下的形态演变是一个基本的科学任务，这也对消防安全具有重要意义。Lee和Delichatsios[4]基于中性平面理论提出了两个经典的特征长度尺度。通过将喷射火焰建模为从虚拟源平面发出，他们建立了火焰高度的预测模型。在过去的十年中，Hu的研究小组对开口火焰喷射行为进行了系统研究[1,2,5–10]。具体来说，Hu等人[8]改进了火焰高度模型，以考虑侧壁间距的影响；Lu等人[9]研究了来自双开口的喷射火焰的融合机制，并提出了相应的融合火焰高度相关性；火焰尺寸在火源高度[10]、窗口开口角度[7]以及侧向和相反风向[5,6]影响下的演变也得到了系统的研究。关于火焰温度特性，Yokoi[11]使用特征长度尺度描述了外部通风火焰的温度分布。在此基础上，Lee等人[12]引入了改进的特征尺度，与实验数据的相关性更好。此外，环境风[13,14]、侧壁限制[15,16]、外墙[17]和火焰倾角[18]对火焰温度场的影响也得到了广泛的研究。在复杂环境条件下的火灾演变特性也引起了越来越多的关注[19]。此外，火焰不稳定性是燃烧的一个基本方面[20]，脉动频率是其关键特征参数之一。Sun等人[21]揭示了从垂直开口外部喷射的火焰的脉动频率演变模式，并提出了基于斯特劳哈尔数和弗洛德数的新的频率相关模型。

除了火焰特征参数外，火焰喷射的关键热释放率（HRR）也成为研究焦点。Gottuk等人[22]确定了喷射火焰的三个不同阶段：内部燃烧、间歇喷射和连续喷射。作为过渡阶段，间歇喷射阶段特别重要，因为它量化定义了其他两个阶段之间的界限。Hu等人[23]对这种行为进行了实验研究，并对火焰喷射概率进行了更精细的统计分析。通过将超额HRR与通风因素相关联，该研究提出了喷射概率的预测模型。在这个理论框架内，各种边界条件（如开口配置[24,25]、侧壁限制[26]和窗口开口角度[27]）对火焰喷射和喷射概率的关键条件的影响逐步得到了澄清。

Sun等人[28]对从窗户喷出的火焰羽流进行了系统回顾。总之，大多数现有研究集中在从垂直开口喷射的火焰上，因为这是在建筑物中最常见的配置。然而，还存在另一种配置，即水平顶部开口与垂直底部开口相结合，形成双开口结构。一个典型的例子是核电站中的电气柜，这些开口用于促进热量散发。在火灾情况下，电气柜将成为一个封闭的燃烧空间，形成一个向上的流动路径。关键的是，上方的电缆组件容易受到外部喷射火焰的影响。虽然Ma等人[29],[30],[31],[32]研究了电气柜火灾中的火焰高度和羽流温度特性，但火焰喷射的具体现象尚未得到解决。图1展示了在不同开口配置下的典型喷射火焰图像。对于垂直开口，火焰动态由两个正交力的耦合控制：垂直浮力和水平初始动量。相比之下，对于水平开口，浮力和动量都垂直作用。因此，适用于垂直开口的预测模型可能不适用于水平开口。此外，这两种喷射火焰之间的脉动行为差异尚未得到定量澄清。

为了解决这一研究空白，本研究系统地研究了在不同开口尺寸和HRR下通过顶部开口喷射火焰的行为。本研究的主要目标包括三个方面：解释水平和垂直开口之间火焰喷射的根本机制差异，建立喷射概率的预测模型，并阐明多频率脉动的物理机制。值得注意的是，尽管FFT是分析火焰不稳定性的常用方法，但在处理复杂火焰行为时存在局限性。因此，许多研究人员开始将更先进的信号分析技术引入火焰动力学研究[33,34]。在这方面，我们创新性地使用了变分模态分解（VMD）来分离喷射火焰高度时间变化的物理机制。我们的发现为水平喷射火焰的燃烧行为提供了关键见解，并丰富了火灾动力学理论。

部分摘录

实验装置

图2展示了用于研究火焰喷射行为的实验装置的示意图。该小型实验模型长0.5米、宽0.5米、高0.65米，设计参考了核电站中常见几种类型电气柜的一般几何特性。在前后面板底部设置了宽度为0.5米、高度为0.06米的矩形开口

通过水平开口喷射火焰的机制和概率分析

图3展示了随着HRR增加，0.20米开口处喷射火焰的典型演变过程。根据开口上方火焰的视觉存在，火焰喷射行为被分为三个不同的阶段：内部燃烧、间歇喷射和连续喷射。在第一阶段，燃烧仅限于柜体内，火焰不会延伸到外部。在第二阶段，火焰间歇性地从顶部开口处出现，表现出

结论

本研究通过缩比实验研究了具有水平顶部开口的柜体外壳中喷射火焰的行为。主要结论如下：

创新性和意义声明

这项工作为通过水平顶部开口喷射火焰的行为提供了新的见解。(1)它阐明了通过水平开口喷射火焰的物理机制，证明了全局当量比作为一个单独的标准是不够的。(2)它建立了一个新的喷射概率模型，成功界定了控制火焰喷射开始和过渡的关键条件。(3)它是第一个证明喷射火焰脉动是

CRediT作者贡献声明

陈振南：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，形式分析，数据管理。马秋菊：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，调查，资金获取。陈建华：验证，监督，资源提供。吴德建：验证，资源提供。姚永珍：验证，监督。徐彤：撰写——审阅与编辑，方法论。