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摘 要

火旋风是一种特殊的火行为，常见于森林与城市火灾中，给生命和财产带来损坏。本质上，它是一般火羽流与周围环境涡量非线性相互作用产生的旋转火焰。与一般池火相比，火旋风的危险性主要表现为火源燃烧速率、火焰高度、上升速度和温度增加，从而导致其辐射引燃和诱发长距离飞火能力增强，使得火势跳跃式地加速蔓延。

本文通过分析火旋风案例与前人的实验结果确定火旋风形成的物理条件：风的大小和方向对火旋风形成有显著影响，火源本身形状及其所处的地形对火旋风形成也有一定的作用。最终，分析了风与线性火源相互作用产生的火旋风的实验数据，得到了风速与火旋风出现概率的定量关系，即0.24 m/s的风速下，火旋风出现的频率最大。

关键词：火旋风 涡旋 线火源 风速

Physical Conditions on the Formation of Fire Whirl

ABSTRACT

Fire whirl is a kind of special fire behavior that often occurs in forest and city fire, resulting in damage to life and property . In essence, it is the rotation due to the interaction between fire plumes and nonlinear ambient vorticity. In comparison with the general pool fire, the danger of fire whirl characterized by the increase of the fire burning rate, flame height, upward velocity and temperature, enhancing its ability of ignition due to radiation and long-distance spot fire, which would remarkably increase the fire spread speed.

The physical conditions on the fire whirl formation are determined by case study and analysis of the experimental data available in literature. It is found that the cross wind, the fire source shape and the terrain play an important role in the formation of fire whirl. This paper finally analyze the experimental data of fire whirl resulting from the interaction between the cross wind and linear fire., the correlation between the occurrence frequency of fire whirl and cross wind speed has been quantitatively determined, namely 0.24 m/s wind speed versus the maximum occurrence frequency of fire whirl.

Key Words: Fire whirl, Vortex, Linear fire, Wind speed

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1火旋风的研究意义 1

1.1.1火旋风的概念 1

1.1.2火旋风的形成原因及危害 2

1.1.3研究意义 3

1.2火旋风的物理研究模型 3

1.3典型的火旋风案例 5

1.4本章小结 9

第二章 火旋风形成的影响因素 10

2.1风对火旋风形成的影响 10

2.1.1风向 10

2.1.2风速 12

2.2地形对火旋风形成的影响 12

2.3火源形状对火旋风形成的影响 14

2.4本章小结 16

第三章 风对火旋风形成的影响 17

3.1线火源诱发火旋风实验 17

3.1.1实验客观依据 17

3.1.2实验设计 17

3.2观察现象 18

3.3视频处理 21

3.3.1处理方法 21

3.3.2使用工具 21

3.4实验结果与讨论 25

3.4.1火旋风出现频率 25

3.4.2强火旋风出现频率 27

3.5本章小结 30

第四章 结论与展望 31

4.1本文总结 31

4.2本文创新点 32

4.3下一步工作展望 32

参考文献 33

第一章 绪论

火灾是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。人类能够对火进行利用和控制，是文明进步的一个重要标志。所以说人类使用火的历史与同火灾作斗争的历史是相伴相生的，人们在用火的同时，不断总结火灾发生的规律，尽可能地减少火灾及其对人类造成的危害。火旋风（Fire Whirlwind）是火灾中一种比较特殊的火行为，燃烧时极具破坏性，而且很难被控制。

从直接的观察角度来看，火旋风好似是龙卷风与火羽流结合的产物，虽然火旋风不如强大的龙卷风和沙尘暴凶猛，但是也非常恐怖。这些火旋风本来是小版本的龙卷风。龙卷风出现时，往往有一个或数个如同“象鼻子”样的漏斗状云柱从云底向下伸展，同时伴随狂风暴雨、雷电或冰雹。龙卷风经过水面，能吸水上升，形成水柱，同云相接，俗称“龙取水”。经过陆地，常会卷倒房屋，吹折电杆，甚至把人、畜和杂物吸卷到空中，带往他处。与之类似的就是令人更为恐慌的火旋风，一般在森林大火的强烈加热下形成的，在熊熊烈火上空肆意盘旋，引发更大的森林火灾。火旋风被称为火魔，列入美国生活科学网总结的世界十大最超怪异的天气[1,2]。

总之，火旋风形成的影响因素，及形成后的火行为特征等问题一直是国际火灾科学领域的研究热点，目的是为火旋风火扑救提供科学有效的指导。

1.1 火旋风的研究意义

1.1.1 火旋风的概念

火旋风是火灾中一种特殊的火行为现象，尤其是在大面积的森林火灾中经常出现，是一种强对流火灾现象，极具破坏性。在特定的燃料条件和环境条件下，稳定燃烧的火会在周围剪切流动的作用下失去稳定性，在极短时间内，旋转速度急剧加快，火焰高度也快速升高，形成如同龙卷风一样的大气旋涡运动，如图1-1所示。与常规燃烧的火现象相比，强旋转火旋风能向周围释放出大量的辐射热，加速火灾蔓延和扩展。

图1-1 火焰龙卷风

1.1.2 火旋风的形成原因及危害

火旋风是由于同一平面气流流速不一致产生的水平涡流，一般是受地形变化和受热影响而生成的，目前常见的火旋风有地形火旋风、林火初始期的火旋风和林火熄灭期的火旋风，林火越过山头以及由于在山的背坡产生的地形火旋风。这些火旋风加速了林火的蔓延，特别是熄灭期的火旋风，使死火复燃造成新的灾害。

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