火旋风燃烧实验报告

中南大学

消防工程教学实验

实验报告

土木工程院(系) 消防工程专业0802 班姓名彭维富指导老师陈长坤

实验日期2011 年 6 月24 日成绩

实验名称自制火旋风燃烧实验

一、实验目的

（1）了解火旋风现象的形成机理；

（2）研究火旋风转角等对其燃烧效率的影响;

（3）掌握红外热像仪的使用；

（4）掌握热电偶的使用；

（5）分析火旋风燃烧速率的影响因素。

二、实验原理

在物理化学本质上，火旋风是一种包含化学反应的有旋流动，而实际发生的火旋风现象与当地燃料种类和几何布局条件、地形条件和环境条件等有着十分复杂的关系。在火旋风的实验模拟中，燃烧羽流会因自然对流而上升，如果有边缘侧向气流的作用，便会产生力矩使

上升气流发生旋转，由于离心作用，低密度的气体必然会集中到中心区域，从而加强了上升气流，由此导致火旋风的形成。

三、实验仪器、设备

小油罐一个、酒精燃料若干、红外热像仪一台、天平一台、导线若干、计算机两台、挡板若干、点火器一个。

四、实验步骤及数据

整体思路：

采用对比的方法，分组进行对照实验。

第一组非火旋风燃烧；

第二组为火旋风燃烧。

详细步骤：

1、连接好仪器设备，初始化各项数据并进行记录。

2、非火旋风燃烧实验。向油罐中倒入适量酒精，用天平称量质量并记录；将油罐放置于试验台底座上，用点火器点火；燃烧一定时间后，用红外热像仪拍摄火焰温度分布情况；熄灭火焰，称量剩余酒精质量并记录。

3、火旋风燃烧实验。将挡板设置成边角对称开有缝隙的四棱柱体；向油罐中倒入适量酒精，用天平称量质量并记录；将油罐放置于试验台底座上，用点火器点火；燃烧一定时间后，用红外热像仪拍摄火焰温度分布情况；熄灭火焰，称量剩余酒精质量并记录。

4、改变挡板间距，观察火焰波动状态并记录。

数据采集：

环境温度（o C）：29.9

编号 1 2 3 4 5 高度(cm) 62.9 52.8 42.7 32.6 22.5

不同燃烧状态下燃料质量随时间变化值

不同高度处热电偶温度随时间的变化值

现象记录及分析：

1、酒精燃料的燃烧速率有一个突然加速的过程，这是由于油池火中液面的下降速度应当等于火焰向液体传入热量引起液体蒸发而导致液面下降的速度。液面上方液体蒸气的扩散速度决定了燃烧速度，而这种燃烧的形式显然应为扩散火焰。从火焰传入液体的热量主要包括：①从容器器壁向液体的传热；②液面上方高温气体向液体的对流传热；③火焰及高温气体向液体的辐射传热等。

2、与自由状态相比，火旋风状态下的燃料燃烧时间基本上都显著降低，表明火旋风的诱发使得燃烧速率大大增强。

3、在实验过程中，发现随着火焰外围的空间的增大，火旋风的火焰温度呈现出较强的波动性，且平均温度有所降低。由于有些测点位于火旋风火焰外部，因此测得的温度较低。燃料盘火焰温度波动性的升高，可能与该条件下槽道内火焰外围的空间较大，导致剪切流在外围形成的波动性较大有关。

误差分析：

1、质量随时间变化曲线中出现突然增高现象，是由于实验条件相对简陋，有人员误碰到了试验台底座。

2、实验过程中可能没有火旋风的出现，这可能是由于挡板位置摆放不够合理，没有形成切向气流，或者是火焰外围的空间太大，力矩太小，将导致火旋风现象消失。

3、非火旋风条件下温度测试值发生了错误，这可能是由于以下原因：

A、热电偶的摆放位置不对；

B、实验条件太简陋，受室外风影响比较大。

五、实验结果讨论

( 1 ) 本次实验设计研制了一个在边角对称开有缝隙的四棱柱体火旋风模拟发生装置，确定热电偶可合理地被用于火旋风火焰温度的测量。

( 2 ) 在本次实验中，燃烧羽流因自然对流而上升，如果有边缘侧向气流的作用，便会产生力矩使上升气流发生旋转，由于离心作用，低密度的气体必然会集中到中心区域，从而加强了上升气流，由此导致火旋风的形成。

( 3 ) 实验模拟了火旋风的发生与发展，对火旋风的温度分布、速度和燃烧时间随燃料和环境条件的变化规律进行了比较分析。主要结论包括:

a ) 相比于自由状态下的燃烧，火旋风发生时燃烧时间会缩短。

b ) 火焰外围剪切流的波动性在很大程度决定了火旋风的波动性。随着火焰外围的空间增大，剪切流的波动性变大，从而导致火焰温度表现较大的波动性,火旋风燃烧速率也会受到影响。