图1 开放空间中火羽流示意图
Fig.1 The sketch map of fire plume in the open space
钟 委 1,2 ，骆轲轲 1 ，王 涛 1 ，梁天水 1 ，赵 军 1
(1．郑州大学力学与工程科学学院，河南，郑州 450001；2．建筑安全与环境国家重点实验室，北京 100013)
摘 要： 在小尺寸隧道实验台开展一系列实验，对正庚烷池火火焰振荡特性进行研究。通过Matlab图像处理工具箱提取火焰振荡频率，分析不同隧道宽度下无量纲火焰振荡频率St和弗劳德数Fr之间的关系。结果表明在隧道火灾中，正庚烷池火的燃烧过程可以分为初始燃烧阶段、过渡阶段和稳定燃烧阶段。在初始阶段和稳定阶段中火焰振荡频率不变，过渡阶段可进一步分为间歇性顶棚射流火焰和连续性顶棚射流火焰阶段，其无量纲火焰振荡频率St均和Fr -0.5 成正比。隧道宽度对正庚烷池火振荡特性也有影响，在间歇性顶棚射流火焰阶段，隧道宽度减小能够增大质量燃烧速率，从而增大比例系数；在连续性顶棚射流火焰阶段，由于反浮力壁面射流的卷吸作用，隧道宽度减小反而导致比例系数减小。
关键词： 隧道火灾；火焰振荡频率；弗劳德数；顶棚射流；隧道宽度
为了缓解日益严重的交通拥堵，近年来国内外修建了大量交通隧道(包括公路隧道、地铁隧道、城市地下隧道等)。随着隧道迅速发展，隧道防火问题也引起了广泛的重视。由于隧道内部空间狭小等自身特点，一旦发生隧道火灾，由于热量和烟气的积聚以及隧道通风条件差导致的可燃物的不完全燃烧产生大量的有毒有害的气体，都有可能造成严重的人员伤亡和财产损失 [1－2] 。例如，2010年无锡惠山隧道火灾事故，造成 24人死亡、19人受伤 [3] ；2011年的瑞士圣哥达特大隧道火灾事故，有20人死亡，128人失踪 [4] ；2014年山西晋济高速岩后隧道内两辆甲醇车追尾，造成40人死亡、12人受伤和42辆车烧毁，致使隧道关闭4天 [3] 等。
火焰振荡频率是火灾学基础研究中的重要参数之一，它直接反映火羽流的卷吸特性和烟气蔓延信息。研究火焰振荡频率与火源功率之间的定量关系，也为火灾中热释放速率预测提供了思路。前人对开放空间中火焰振荡行为以及振荡频率的提取进行了大量的研究。Cetegen和 Ahmed [5] 通过丙烷浮力扩散火焰实验研究了火焰振荡机理，结果表明浮力羽流在上升过程中形成的周期性漩涡脱落是引起火焰周期性振荡的原因；Yilmaz等 [6] 通过光电管将火焰的光信号转化为电压信号提取甲烷池火的振荡频率并对频率特性进行了研究，结果表明甲烷池火火焰振荡频率不遵循冯·卡门漩涡脱落模型(Von Karman Vortex Shedding Model)，但 St(斯特劳哈尔数)与 Fr(弗罗德数)和 St与 Re(雷诺数)之间存在明显的关系；Bejan [7] 根据非粘性流体屈曲理论推导出了圆形羽流火焰的振荡频率公式：f 2 ≈3.1/D和二维羽流的火焰振荡公式：f 2 ≈2.7/D，并且与实验数据能够较好的符合；荣建忠等 [8] 对火焰颜色信息和闪烁两个不同特点进行讨论，并通过对实验视频时间序列的快速傅里叶变换计算出火焰闪烁的振荡频率，计算出来的火焰振荡频率与 Pagni’s定律相比较非常吻合；吴迎春等 [9] 基于火焰图像分析，通过力矩函数、火焰图像切片和三维快速傅里叶变换评估火焰振荡频率，分析结果显示：通过力矩函数、火焰图像切片和三维快速傅里叶变换评估火焰振荡频率是一致并且稳定的；Takahashi等 [10] 利用图像处理技术研究大型池火的特点和出现在烟羽流上的间歇性发光区的行为，根据图像中发光区面积的变化频率得到直径为30 m和50 m的池火的火焰振荡频率分别为0.31 Hz和0.23 Hz。
针对受限空间中火焰振荡特性的研究目前开展的较少。黎昌海等 [11] 研究了封闭空间内庚烷池火火焰的振荡特性，实验发现，火焰根部面积的变化频率与火焰高度的振荡频率相等，并采用火焰根部面积的变化频率求取火焰振荡频率；研究表明，在燃烧过程中油池池火的火焰振荡频率波动较小，火焰振荡频率小于开放空间经验公式预测值。Lönnermark和Neumann [12] 通过小尺寸实验研究了不同风速和不同位置处火焰的热声振荡，研究表明，从Rijke管得到的预测模型在向隧道火灾推广时已不再适用，尤其当转移函数出现之后，转移函数显示了空气的流动对火源热释放速率的扰动。Fang等 [13] 通过小尺寸实验对侧风条件下浮力扩散火焰的振荡频率进行研究，结果表明，随着风速的增加，火焰的基面也随之增大，而且，火焰的振荡频率随着侧向风速的增加而增加。Lönnermark等 [14] 通过四组全尺寸隧道火灾实验对火源功率高于 125 MW 时的火焰振荡行为进行了研究，实验发现，火焰振荡周期存在两个固有的周期，分别为4 s和18 s；进一步计算分析表明，这是由于实验系统属性决定的。
然而在前人的研究工作中，大部分考虑的是火源功率固定的情况，并将火焰振荡频率与火源直径进行拟合。对于隧道这类受限空间，由于火灾燃烧过程中火源热释放速率处于动态变化中，将其简单的考虑成稳定火源显然是不合适的。本文采用小尺寸实验研究了隧道火灾中正庚烷池火的火焰振荡特性，通过对火焰振荡频率的提取以及池火质量燃烧速率的测量，定量揭示了隧道火灾中火焰的振荡特性。
火焰振荡是由于可燃气体为了燃烧完全而周期性卷吸空气产生大尺度漩涡 [15] ，火焰振荡周期是可燃气体卷吸空气上升至燃烧完全所用的时间，通过求取倒数便可得到火焰振荡频率。
图1为开放空间下火焰振荡示意图。开放空间中，火焰形态主要表现为竖直火焰。其火焰振荡机理是竖直火焰周期性卷吸空气产生大尺度漩涡，在热浮力作用下大尺度漩涡向上运动直至可燃气体燃烧完全 [15] 。由于开放环境中火灾燃烧稳定后其热释放速率基本保持不变，因此其火焰振荡频率也为一个定值。
图1 开放空间中火羽流示意图
Fig.1 The sketch map of fire plume in the open space
与开放空间相对，隧道内部空间高度低、宽度窄，火焰形态在隧道壁面的限制下发生较大改变，因此其火焰振荡机理也有明显差异。如图2(a)所示，当隧道火灾发展到一定程度后，火焰可直接撞击隧道顶棚，并沿着顶棚向四周扩散形成顶棚射流火焰。研究表明顶棚射流对空气的卷吸主要存在于水跃阶段以及水平卷吸，因此当顶棚射流火焰形成后，火焰振荡特性由竖直火焰卷吸和顶棚射流火焰卷吸共同决定。
隧道侧壁对火焰振荡特性也有较大的影响，在隧道侧壁的限制作用下，顶棚射流火焰与侧壁发生撞击形成大尺度涡旋，即反浮力壁面射流。此过程中大量空气被带入火焰，并在侧壁处形成较大尺度的火焰涡旋，如图2(b)所示。
图2 隧道火灾中火羽流示意图
Fig.2 The sketch map of fire plume in tunnel fire
根据火焰振荡机理可知，火焰振荡频率主要取决于可燃气体供给量(即火源功率)以及火焰对空气的卷吸。前人的研究工作中均使用稳定火源，采用火源的直径作为特征尺寸，建立了振荡频率与特征尺寸的关系；然而对于隧道火灾，其火源功率随着燃烧进行不断增大，因此固定不变的火源直径已不适合作为特征尺寸使用。
针对火源功率变化的情况，根据池火质量燃烧速率的变化，假设油盆出口的燃料蒸汽视为温度为其沸点、压力为大气压的理想气体 [11] ，则有：
式中：n/mol为物质的量；m˙/(kg/s)为质量损失速率；M/(g/mol)为燃料的相对分子质量；P/Pa为大气压强；V˙/(m 3 /s)为燃料蒸汽气体体积流率；R/(J/(mol·K))为理想气体常数；T/K为燃料沸点；u/(m/s)为燃料蒸汽在油盆口速度；A/m 2 为油盆面积。
式中：Fr为弗劳德数；D/m为火源等效直径；g/(m/s 2 )为重力加速度；St为斯特劳哈尔数；f/Hz为火焰振荡频率。
引入无量纲量理查德逊数 Ri(Richardson number)，其表征引起火羽流上升的浮力和燃料流出的惯性力之比 [12] ，表达式为：
式中：Δρ/(kg/m 3 )和ρ/(kg/m 3 )分别为特征密度差和密度；Malalasekera等 [16] 取Δρ ρ为常数。通过对火焰振荡机理进行分析，燃料流出的惯性力取决于可燃气体的供给量，火焰对空气的卷吸引起环境温度和可燃气体温度的变化进而决定了引起火羽流上升的浮力；因此，建立无量纲量理查德逊数 Ri和无量纲火焰振荡频率St的函数关系：
取 
= C 1 (C 1 为常数)，由式(2)和式(4)可得：
因此，式(5)可变为：
前人通过实验研究 [16] 表明对于不同情况下的火焰振荡频率可表达如下：
式中C 2 为常数。故无量纲火焰振荡频率St和Fr之间的关系式可表达为：
目前，用于火灾研究的相似模型主要包括三种：弗诺德模型、压力模型以及类比模型。本文采用隧道火灾应用最广泛的弗诺德模型(Froude Model)进行搭建。根据弗诺德模型，模型和原型的长度相似关系可以表示为：
模型和原型的时间相似关系为：
模型和原型的火灾热释放速率相似关系为：
式中：C l 为相似比，文中 C l =1:10 [17] ；L为长度；t为时间；Q˙为火灾热释放速率；下标m、f分别表示模型(model scale)和全尺寸隧道(full scale)。
常见的隧道截面形状有拱形和矩形两种，其中城市地下交通隧道通常为矩形截面 [18] ，如郑州市京沙快速路地下隧道，单洞截面尺寸为10 m×5 m；苏州市独墅湖隧道单洞截面尺寸为15 m×5 m。研究表明，实验台的最小尺度大于30 cm时，火灾能够发展至充分湍流状态 [19] 。因此本文按1:10的比例搭建小尺寸实验台，选定高度为0.5 m，宽度为1.5 m至0.7 m连续可调的隧道模型，能够满足绝大多数矩形断面隧道的尺寸要求。
实验装置分为隧道和燃料供应系统两部分，如图3所示。隧道包括主体部分和两侧的延长段，主体部分长为2 m，高为0.5 m。主体部分顶棚及右侧壁面均为25 mm厚的石英板，底部铺有8 mm厚的钙质防火板，左侧壁面为6 mm厚的防火玻璃，用于实验中观察拍摄火焰和烟气流动状态。防火玻璃采用滑轮与底面导轨连接，通过改变防火玻璃位置可实现隧道宽度在 0.7 
1.5 m范围内连续可调。两侧延长段长度为1 m，高度为0.5 m，宽度可根据实验工况进行调整。延长段顶棚、底板及侧壁均为10 mm厚的防火板。
图像采集系统采用的是索尼 HDR-PJ580型摄像机(该摄像机位于隧道的右端)，拍摄帧率为25帧。
实验过程中为保持油盆液面高度的稳定，设计了一套燃料供应系统，包括供液槽、溢流槽、集液槽以及油盆等，如图4所示。各个槽之间通过钢质软管连接，连接处装有控制阀用于调节燃料流量。实验中采用正庚烷为燃料，其纯度为99.6%，实验中使用一种油盆尺寸，大小为10 cm×10 cm，油盆在实验台的中心位置。为模拟隧道中小汽车起火(非地面火源)，实验中起火高度设置为15 cm，具体实验工况见表1所示。
图3 实验系统示意图
Fig.3 A schematic photo of the experiment setup
图4 供油系统示意图
Fig.4 The sketch map of fuel supply system
表1 实验工况
Table1 Summary of conditions for all tests
火焰振荡频率常用的求取方法有特征参数法和图像分析法，本文选用特征参数结合法求取火焰振荡频率 [20] 。通过 Matlab图像分析工具，选定某相邻两帧图像的均值为参照图像，则后续图像相对于参照图像的相关系数将随时间变化而变化。将此变化信号进行快速傅里叶变换之后，可判断序列图像的周期性。与提取火焰振荡频率类似，编写Matlab图像分析程序，将实验中采集的视频图像导入程序，通过视频读取、图像生成等便可得到不同时刻火焰的火羽流状态图像。
作为研究对照文中首先对开放空间下正庚烷池火的火焰振荡特性进行研究。图5(a)给出了开放空间下电子天平测量到的正庚烷池火燃料供应系统的质量变化情况，根据曲线上各点的斜率可以得到正庚烷池火的质量燃烧速率 [21] 。从图中可以看出，开放空间中正庚烷池火的燃烧很快达到稳定，其质量燃烧速率基本保持不变，通过求取斜率可以得到其质量燃烧速率为0.108 g/s。
图5(b)为开放空间下各个时间点火焰振荡频率变化的曲线，在开放空间中火焰振荡频率在某一恒定值附近上下波动，该值即为此实验工况下的火焰振荡频率，通过求取平均值可以得到开放空间中正庚烷池火的火焰振荡频率为 4.15 Hz。Pagni [22] 在常压下通过对直径 3 cm～50 cm范围内的油池火振荡频率研究，根据其实验结果给出了火焰振荡频率与油盆尺寸之间的经验公式：
式中：f为火焰振荡频率；D/m为火源等效直径。在本次实验中，由经验公式计算得到频率f=4.21。由实验得到的频率值与Pagni模型计算值吻合很好。
图5 开放空间下正庚烷池火的火焰振荡特性
Fig.5 The oscillation characteristics of n- heptane pool fire in the open space
图 6给出了典型工况下(实验 3)不同时刻火焰的形态。从图中可以看出，在隧道宽度为110 cm时，火羽流在 420 s就到达隧道顶棚，在此之前火焰形态主要以竖直火焰为主，火焰高度不断增大；420 s以后顶棚下方出现间歇性的顶棚射流火焰；720 s时，连续性顶棚射流火焰形成，射流火焰长度随着火灾的发展逐渐增长，840 s后燃烧达到稳定状态，火焰长度基本保持不变。
图7给出了实验3中正庚烷池火的质量变化曲线。从中可以看出正庚烷池火的燃烧可以分为初始燃烧阶段、过渡阶段和稳定燃烧阶段。在初始燃烧阶段，正庚烷池火的质量燃烧速率变化很小，可认为与开放空间池火相同，对比图6可知此阶段池火保持竖直火焰形态。420 s后燃烧进入过渡阶段，由于火焰和热烟气对池火的热辐射反馈作用，池火的质量燃烧速率开始持续增加，此时顶棚下方出现间歇性顶棚射流火焰，并且射流火焰的长度不断增大。840 s后燃烧达到稳定燃烧阶段，此时顶棚下方形成较大范围的顶棚射流火焰，池火的质量燃烧速率达到稳定。
图6 典型工况下不同时刻火羽流状态
Fig.6 The structure of fire plume at different moments in typical conditions
图7 典型工况下质量变化曲线
Fig.7 The mass change rate in typical conditions
由于火焰振荡特性取决于池火的质量燃烧速率以及火焰对空气的卷吸机制，因此隧道内正庚烷池火的振荡特性也可以分为三个阶段。对于初始燃烧阶段，其质量燃烧速率基本不变，其火焰形态为竖直火焰，故此阶段火焰振荡频率保持不变；对于过渡阶段，其质量燃烧速率快速增长，其火焰形态由间歇性顶棚射流火焰逐渐转变为连续性顶棚射流火焰，显然此阶段中火焰振荡特性发生了显著变化。对于稳定燃烧状态，池火的质量燃烧速率再次达到稳定，顶棚射流火焰长度也不再增长，因此火焰振荡频率重新达到稳定。因此，文中选取正庚烷池火的过渡阶段开展进一步分析。
图8给出了实验3过渡阶段的无量纲火焰振荡频率St与Fr -0.5 之间的关系。从图中可以看出，在过渡阶段St随着Fr -0.5 的减小而减小并表现出分段特性。在间歇性顶棚射流火焰阶段，受 Fr -0.5 的影响，St的变化幅度较大，其比例系数为 0.645；在连续性顶棚射流火焰阶段，此阶段内的变化则相对平缓，其比例系数为 0.421；这表明当火灾由间歇性顶棚射流火焰转变为连续性顶棚射流火焰以后，St与Fr -0.5 的比例系数有显著降低。这是由于当连续性顶棚射流火焰形成后，火焰与顶棚撞击形成的水跃将卷吸大量空气进入火焰，此种方式对空气的卷吸效率要高于火焰对空气的竖直卷吸，从而导致比例系数变小。
图8 实验3中过渡阶段火焰振荡特性
Fig.8 The oscillation characteristics of transition stage in Test 3
图9给出了760 s时不同隧道宽度下火焰形态，其中各图片的尺寸与实际隧道截面尺寸成正比。从图中可以看出，隧道宽度对正庚烷池火的发展过程有显著影响。当隧道宽度为 150 cm时，火焰与顶棚发生撞击产生间歇性顶棚射流火焰，此时侧壁对火焰燃烧影响较小；随着隧道宽度的减小，射流火焰长度逐渐增加，火灾的燃烧也逐渐增强；当隧道截面为70 cm时，射流火焰与侧壁发生撞击并形成反浮力壁面射流，产生了大尺度的火焰涡旋。
图 10给出了不同隧道宽度情况下 St与 Fr -0.5 的关系。从中可以看出，无量纲火焰振荡频率也随着无量纲特征尺寸的增大而减小，且变化过程仍可分为两个阶段，其分界点即火羽流由间歇性顶棚射流火焰阶段向连续性顶棚射流火焰阶段转变的点。
表3给出了图10中各工况下St与Fr -0.5 的线性拟合关系式。从表中可以看出，随着隧道宽度的减小，在间歇性顶棚射流火焰阶段，St与Fr -0.5 的比例系数不断增大，比例系数的变化从0.630变化至0.666。这是因为隧道宽度的减小导致烟气层厚度增加，强化了烟气及隧道壁面对火源的热辐射反馈，增大了火源质量燃烧速率，导致燃料完全燃烧所需的时间延长。因此比例系数随隧道宽度的减小而增大。在连续性顶棚射流火焰阶段，随着隧道宽度的减小，侧壁对顶棚射流火焰的影响不断增强，强化了火焰对空气的卷吸。从而St与Fr -0.5 的比例系数随隧道宽度的减小而减小，系数的变化从0.483变化至0.380。
图9760 s时不同隧道宽度下火羽流形态
Fig.9 The structure of fire plume at 760 s in different tunnel width
图10 隧道宽度对火焰振荡频率的影响
Fig.10 The influence of tunnel width for flame oscillation characteristics
表2 不同隧道宽度下St与Fr -0.5 的线性拟合结果
Table2 The linear fitting results between St and Fr -0.5 in different tunnel widths
(1)在隧道火灾中，正庚烷池火的燃烧过程可以分为初始燃烧阶段、过渡阶段和稳定燃烧阶段，在初始燃烧阶段和稳定燃烧阶段中火焰振荡频率不变，而过渡阶段可进一步分为间歇性顶棚射流火焰和连续性顶棚射流火焰阶段，其无量纲火焰振荡频率St均和Fr -0.5 成正比。
(2)隧道宽度对正庚烷池火火焰振荡特性的影响表现在过渡阶段中St与Fr -0.5 比例系数的变化。在间歇性顶棚射流火焰阶段，隧道宽度减小能够增大质量燃烧速率，从而使得比例系数增大，比例系数的变化从0.630变化至0.666；在连续性顶棚射流火焰阶段，由于反浮力壁面射流的卷吸作用，隧道宽度减小反而导致比例系数减小，系数的变化从0.483变化至0.380。
参考文献：
[1]钟委, 王涛, 梁天水.隧道火灾中正庚烷池火燃烧特性的实验研究[J].工程力学, 2017, 8(8): 241―248.Zhong Wei, Wang Tao, Liang Tianshui.Experimental investigation on the burning characteristic of n-heptanes pool fire in tunnel [J].Engineering Mechanics, 2017,8(8): 241―248.(in Chinese)
[2]纪杰, 霍然, 胡隆华, 等.长通道内排烟口与火源相对位置对机械排烟效果的影响[J].工程力学, 2009,26(5): 234―238.Ji Jie, Huo Ran, Hu Longhua, et al.Influence of relative location of smoke exhaust opening to fire source on mechanical smoke exhaust efficiency in a long channel[J].Engineering Mechanics, 2009, 26(5): 234―238.(in Chinese)
[3]李兆周.烟囱效应作用下隧道火灾发展特性研究[D].郑州: 郑州大学, 2015.Li Zhaozhou.Studies on the development of tunnel fire under the function of stack effect [D].Zhengzhou:Zhengzhou University, 2015.(in Chinese)
[4]Li Y Z, Ingason H.The maximum ceiling gas temperature in a large tunnel fire [J].Fire Safety Journal,2012, 48: 38―48.
[5]Cetegen B M, Ahmed T A.Experiments on the periodic instability of buoyant plumes and pool fires [J].Combustion and Flame, 1993, 93(1): 157―184.
[6]Yilmaz N, Donaldson A B, Lucero R E.Experimental study of diffusion flame oscillations and empirical correlations [J].Energy Conversion and Management,2008, 49(11): 3287―3291.
[7]Bejan A.Predicting the pool fire vortex shedding frequency [J].Journal of heat transfer, 1991, 113(1):261―263.
[8]荣建忠, 姚卫, 高伟, 等.基于多特征融合技术的火焰视频探测方法[J].燃烧科学与技术, 2013, 19(3): 227―233.Rong Jianzhong, Yao Wei, Gao Wei, et al.Fire video detection method based on multi-features fusion [J].Journal of Combustion Science and Technology, 2013,19(3): 227―233.(in Chinese)
[9]吴迎春, 吴学成, 陆守香, 等.顶棚开口受限空间油池火火焰振荡模式研究[J].燃烧科学与技术, 2011,10(5): 425―431.Wu Yingchun, Wu Xuecheng, Lu Shouxiang, et al.Flame pulsation modes of pool fire in confined compartment with single ceiling opening [J].Journal of Combustion Science and Technology, 2011, 10(5): 425―431.(in Chinese)
[10]Takahashi N, Suzuki M, Dobashi R, et al.Behavior of luminous zones appearing on plumes of large-scale pool fires of kerosene [J].Fire Safety Journal, 1999, 33(1):1―10.
[11]黎昌海, 吴迎春, 陆守香, 等.封闭空间油池火火焰振荡特性研究[J].中国科学技术大学学报, 2010, 40(4):380―386.Li Changhai, Wu Yingchun, Lu Shouxiang, et al.Study on flame pulsation of pool fires in closed compartments[J].Journal of University of Science and Technology of china, 2010, 40(4): 380―386.(in Chinese)
[12]Lönnermark A, Neumann N T.Pulsations during fires in tunnels [J].Fire Technology, 2013, 49(15): 551―581.
[13]Fang J, Jiang C, Wang J W, et al.Oscillation frequency of buoyant diffusion flame in cross-wind [J].Fuel, 2016,184(4): 856―863.
[14]Lönnermark A, Persson B, Ingason H.Pulsations during large-scale fire tests in the Runehamar tunnel [J].Fire Safety Journal, 2006, 41(5): 377―389.
[15]James G Quintiere.Fire plumes: Fundamentals of fire phenomena [M].England: John Wiley, 2006: 297―334.[16]Malalasekera W M G, Versteeg H K, Gilchrist K.A review of research and an experimental study on the pulsation of buoyant diffusion flames and pool fires [J].Fire & Materials, 1996, 20(6): 261―271.
[17]Quintiere J G.Scaling applications in fire research [J].Fire Safety Journal, 1989, 15(1): 1―12.
[18]范传刚.隧道火灾发展特性及竖井自然排烟方法研究[D].合肥: 中国科学技术大学, 2015.Fan Chuangang.Studies on characteristics of tunnel fire development and natural ventilation mode using shafts[D].Hefei: University of Science and Technology of China, 2015.(in Chinese)
[19]Smoke management in covered malls and atria.SFPE Hand-book of fire protection engineering [S].National Fire Protection Association, 1995: 292―310.
[20]陈志斌, 胡隆华, 霍然, 等.基于图像相关性提取的火焰振荡频率[J].燃烧科学与技术, 2008, 14(4): 367―371.Chen Zhibin, Hu Longhua, Huo Ran, et al.Flame oscillation frequency based on image correlation [J].Journal of Combustion Science and Technology, 2008,14(4): 367―371.(in Chinese)
[21]Li L, Li S, Wang X, et al.Fire-induced flow temperature along tunnels with longitudinal ventilation [J].Tunnelling and Underground Space Technology, 2012,32(5): 44―51.
[22]Pagni P J.Pool vortex shedding frequencies [J].Applied Mechanics Review, 1990, 43(1): 153―170.
STUDY ON THE OSCILLATION CHARACTERISTICS OF N-HEPTANE POOL FIRE IN TUNNELS
ZHONG Wei 1,2 , LUO Ke-ke 1 , WANG Tao 1 , LIANG Tian-shui 1 , ZHAO Jun 1
(1.School of Mechanics & Engineering Science, Zhengzhou University, Zhengzhou, Henan 450001, China 2.State Key Laboratory of Building Safety and Built Environment, Beijing 100013, China)
Abstract: A series of tests were conducted in a small scale tunnel to study the n-heptane pool fire oscillation characteristics.The flame oscillation frequency was extracted through the Matlab image processing tool.The relations between the dimensionless oscillation frequency St and Fr were analyzed under the varying tunnel width in this study.Results showed that the burning process of n-heptane pool fire can be divided into the initial burning stage, transition stage and the stable burning stage in the tunnel.In the initial and stable burning stages, the flame oscillation frequency was constant.The transition stage can be further divided into the intermittent ceiling jet flame stage and the continuous ceiling jet flame stage, and the dimensionless oscillation frequency St was proportional to Fr -0.5 .The tunnel width also had an influence on the n-heptane pool fire oscillation characteristics.In the intermittent ceiling jet flame stage, reducing the tunnel width will increase the mass burning rate, and the proportion coefficient will increase.In the continuous ceiling jet flame stage, reducing the tunnel width will lead to a decrease in the proportion coefficient due to the anti-buoyancy effect of the wall jet.
Key words: tunnel fire; flame oscillation frequency; Froude number; ceiling jet; tunnel width
赵 军(1971―)，男，河南人，教授，博士，主要从事纤维增强混凝土结构研究(E-mail: zhaoj@zzu.edu.cn).
骆轲轲(1992―)，男，河南人，硕士生，主要从事隧道火灾研究(E-mail: luojiake1992@163.com);
王 涛(1990―)，男，河南人，硕士生，主要从事隧道火灾研究(E-mail: 1085368862@qq.com);
作者简介：
钟 委(1978―)，男，重庆人，副教授，博士，主要从事隧道及地下建筑火灾研究(E-mail: Zhongwei@zzu.edu.cn);
基金项目： 国家自然科学基金项目(51404215)；建筑安全与环境国家重点实验室开放课题项目(BSBE2015-02)
通讯作者： 梁天水(1981―)，男，河南人，副教授，博士，主要从事细水雾灭火研究(E-mail: liangtsh@zzu.edu.cn).
文章编号： 1000-4750(2018)09-0240-08
收稿日期： 2017-05-18；修改日期：2017-10-24
文献标志码： A
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.05.0377
中图分类号： U458.1