龙新峰，邱 平，楼 波，丁 利

(华南理工大学a.化学与化工学院;b.电力学院，广东 广州510640)

0 引言

运动火源是指着火期间，火源点处于运动状态，如运行中的高速列车、赛车、飞机和航天飞行器等外部着火情形，此时，火源与周围空气处于相对运动状态，与火源静止而周围空气运动相比，由于火源本身的高速运动会引起周围空气的湍动，此项湍动与火源燃烧引起的湍动叠加，使火焰结构变得更加复杂。当火源点与周围空气处于相对静止状态时，例如运动车辆内部等受限空间着火情形，此时火焰的蔓延不会引起周围空气的附加湍动，因此不属于运动火源。

自1928年，Burke和Schuman提出燃料和氧化剂在当量混合处附近发生反应，是扩散火焰的本质特征之后，国内外学者对固定火源扩散火焰结构特征[1-3］、火焰面[4-7］等进行了大量研究。近年来，人们开始针对体积力场(离心力、向心力或大加速度)对运动中的火焰结构特征的影响进行了研究。早期较有代表性的工作如文献[8-9］，通过从中部旋转一个封闭长管，在管中产生一个离心力场，来测量管中的预混气体的火焰传播速度。文献[10］研究了在盘形燃烧室带动燃气旋转产生的离心力场中，火焰的传播与熄火过程。文献[11］使用弯曲管道模拟离心力场，研究了在弯曲管道中的预混火焰稳定性。文献[12］利用半圆弯曲管道模拟了±104g的加速度场，研究了大加速度对后台阶预混火焰的火焰传播和吹熄边界的影响。文献[13］考察了离心力场下V型火焰稳定器的火焰稳定性。文献[14-15］对在燃烧室中附加均匀大加速度场的层流扩散火焰和层流预混火焰燃烧过程进行了模拟。文献[16］分别对离心式双旋流器空气雾化喷嘴单头部扩散射流火焰，在直段空腔和弯曲空腔横向射流中的传播特性进行了试验，比较分析了弯曲空腔中离心力对扩散射流火焰的影响。通过对比不难发现:已有的工作中，研究对象——火源点是在封闭空间内预混燃烧，同周围空气无相对运动(火源点不动，仅火焰面在运动)，这与运动火源燃烧完全不同。

实际上，运动火源扩散燃烧引起的火焰结构，要比普通受限空间内固定火源预混燃烧产生的火焰结构更为复杂。以往人们在对待运动火源燃烧情形时，常常利用相对运动，即假设火源静止，而通过外加一种与火源速度相同的风速来处理。然而，文献[17-18］对运动火源燃烧进行数值模拟时发现:火源运动引起的火焰结构特征与同一外界风速引起的火焰面结构特征不一样。由于这种现象似乎与“相对运动概念相悖”，于是本文制作了一个简单的风洞试验台，采用数字摄像系统对风洞中直线运动蜡烛火源的扩散燃烧过程进行拍摄，探究直线运动火源扩散火焰结构的静态特征(外形特征，如燃烧高度)和动态特征(边缘变化、面积变化、形体变化等)，及其与绝对静止扩散火焰结构的内在物理本质区别。

1 风洞试验设置与工况

1.1 风洞试验装置

试验装置如图1所示，风洞内装有燃烧蜡烛与运动轨道，蜡烛由遥控小车带动并控制，透过风洞玻璃，在某一定点利用数字摄像系统记录蜡烛燃烧火焰在风洞中某一时刻的状态。试验过程中，相机始终处于风洞正前方1.5 m的位置。通过调节风扇的转速来控制风洞中空气的流动速度，风洞中空气的流速由风速仪测得。小车在风洞中带动蜡烛向右做匀速直线运动，试验中观察蜡烛火焰的形态和偏移状态。

图1 风洞试验装置

1.2 试验工况

燃烧试验分为如图2所示的3种工况。绝对静止是指蜡烛静止，风扇无转动的情形;相对静止是当风扇的风速一定时，小车带动蜡烛在风洞中以与风速相同的速度作匀速直线运动;相对运动是指蜡烛运动速度vv不等于风扇转动引起的外界风速vw的燃烧情形。

图2 燃烧试验工况

2 静态特征分析

2.1 外形特征

从试验过程中拍摄到的多组不同风速vw及不同车速vv时，燃烧火焰的图像可直观地获得火焰外形特征。假设火焰偏转方向与竖直方向的夹角定义为偏转角α，图3、图4分别为车速为vv=0 m/s和风速为vw=0 m/s时的火焰图像，从图3可以看出:点火后火焰随风速的增加，焰心到焰尖的火焰宽度变化剧烈，偏转角的变化量△α在vw=0～0.4 m/s时变化较快，由0°到45°，但随着风速的再次增加，△α改变量较小，基本呈α=45°。由图4可见:当外界风速vw=0 m/s时，火焰形状随车速的增加，焰心到焰尖的火焰宽度变化缓慢。另外，当vv＜0.66 m/s时，偏转角的变化量△α的变化趋势与上一燃烧工况类似。但当vv＞0.66 m/s后，两燃烧工况会呈现出较大的差异，此时，△α改变量较大，偏转角α由45°到90°，当vv=1.03 m/s时，偏转角α接近90°，此后不再变化。对比该两种燃烧工况可见:尽管两工况下的相对速度(vv-vw)相等，但所产生的火焰形体却完全不同。

图3 vv=0 m/s时，火焰外形随风速的变化

图4 vw=0 m/s时，火焰外形随车速的变化

为进一步了解相对速度对火焰形体的影响，测试了车速和风速都不为0 m/s的情况，结果如图5～图7所示。

由图5～图7可以看出:点火后的燃烧初始，由于相对速度的存在，火焰有偏转。随着相对速度(vv-vw)逐渐减小，火焰偏转角α渐渐减小，当vv≈vw时，火焰处于相对垂直的状态，但是相对速度并不完全等于0 m/s，车速与风速的速度差为0.02～0.09 m/s。可见风速与车速对火焰的影响存在差异，但差异不大。

图5 vw=0.55 m/s时，火焰随车速的变化

图6 vw=1.00 m/s时，火焰随车速的变化

图7 vw=1.45 m/s时，火焰随车速的变化

2.2 燃烧高度

移动火源在运动的过程中，由于受到风洞内外界流场的影响，火焰会产生偏转，同时，火焰的高度也会跟着相应的变化，根据试验数据以速度为纵坐标，高度为横坐标用Excel制图，如图8所示。从高度变化曲线可以看出:在风速为0 m/s或者车速为0 m/s时，火焰的高度随着相对速度的增加而减小。当风速不为0 m/s时，火焰高度随车速呈先增大后减小的趋势。这是由于相对运动而产生相对速度的原因，当相对速度(vv-vw)减小时，火焰高度逐渐增大;当相对速度(vv-vw)增大时，火焰高度逐渐减小。但火焰高度的最高点并不是在相对速度(vv-vw)=0处。

3 动态特征分析

动态特征包括闪烁频率、边缘变化、面积变化、形体变化、闪动规律、分层变化、整体移动等，本文首先提取火焰面(火焰边缘)，再进行火焰面积计算，实现从火焰面积变化的角度来分析流场对火焰面的影响。

图8 不同速度下火焰高度变化曲线

3.1 火焰边缘的提取

火焰图像包含了丰富的燃烧信息，因此，运用图像处理技术对其进行图像信息分离、提取是非常有效的手段。其中，边缘检测是一种重要的图像预处理方法，其主要目的是为了找出强度的非连续性，抑制细节和噪声并保存边缘定位精度，以获得最为准确的面积值。经典的边缘检测是梯度算子边缘检测技术，主要包括Robert、Sobel、Prewitt、Canny、LOG算子等。经过比较，本文的火焰面边缘检测采用一阶Robert算子，并进行面积计算。

一阶Robert算子是利用局部差分算子寻找边缘，其图像梯度算子Gr定义为

其中，f(x，y)是点(x，y)处的像素值。Robert算子是2×2算子，其算子为

将图3～图7所示不同车速和风速下的图像先经过Photoshop处理，再在Matlab环境下采用上述一阶Robert算子，就可获得清晰的扩散火焰边缘图像，如图9所示。

图9 不同速度下图像的边缘变化情况

3.2 火焰面面积变化

根据以上获得的边缘检测图像，利用Matlab编程可以很快获得图像的面积值，以车速为横坐标，面积为纵坐标，在同一坐标系下对以上4组数据画图，结果如图10所示。

由图10可以看出:vv=0 m/s，vw=0 m/s时，图像面积随着风速或者车速的增加而减小，因为相对速度(vv-vw)逐渐增大，风洞内火焰附近的流场扰动增加，使流场带走了大部分热量，火焰面减小使图像面积变小。vw=1.00 m/s和vw=1.45 m/s时，从图10可以看出图像的面积是先增大后减小的，这是因为相对运动而产生相对速度的关系，当相对速度(vv-vw)减小时，风洞内火焰附近流场的扰动减小，火焰燃烧迅速，面积增大;当相对速度(vv-vw)≈0 m/s时，面积达到最大值，但此时(vv-vw)≠0 m/s;此后相对速度(vv-vw)又开始增大，使火焰附近的流场扰动增加，火焰燃烧产生的大部分热量被流动的流场带走，使火焰面减小，图像面积也开始减小。

图10 不同速度下的面积曲线

4 相对静止与绝对静止下火焰形状的对比

本文中，火焰的绝对静止是指以风洞为参照物火焰处于静止不动状态，即vw=vv=0 m/s。火焰的相对静止是指当以风洞为参照物时火焰处于运动状态，但以火焰自身为参照时，火焰处于静止状态，即vw=vv≠0 m/s。图11为绝对静止与相对静止状态对比图，其中，a、b为火焰绝对静止;c、d、e为火焰相对静止时的外形。

图11 绝对静止与相对静止状态对比图

从图11中可以看出:绝对静止(vv=vw=0 m/s)时，火焰在竖直方向上燃烧，无偏转，燃烧稳定。相对静止(vv=vw≠0 m/s)时，火焰有偏转，并且随着相对静止时速度的增大，偏转角也随之增大。

为探讨这一原因，通过fluent软件对绝对静止和相对静止的流场进行数值模拟，得到速度场的形态分布，如图12所示。从图12可以看出:火焰处于绝对静止状态和相对静止状态是不同的。火焰处于绝对静止时是完全扩散燃烧，不受外界流场的影响，只有自身燃烧时产生的速度场。火焰处于相对静止时，风洞中的流场是风扇转动产生的流场与火焰自身运动产生的流场的叠加，在火焰燃烧附近的流场如图12b所示，叠加后的速度场是向右偏移的，与相对静止状态不同。所以不能用绝对静止代替相对静止去研究。

5 结论

本文采用数字摄像系统对风洞中做直线运动的移动火源燃烧过程进行了研究，对火源静态特征和动态特征进行了分析，对火源相对静止和绝对静止状态进行了比较。研究结果认为:移动火源与静止火源燃烧存在差异，不能利用相对运动的概念来分析移动火源的燃烧。结论如下:

图12 绝对静止与相对静止状态的速度场模拟

(1)火源自身运动(vw=0 m/s)产生的火焰形态特征不同于火源受外界(vv=0 m/s)流场影响产生的火焰形态特征。

(2)火焰处于绝对静止(vv=vw=0 m/s)与相对静止(vv=vw≠0 m/s)时，火焰的静态和动态特征都不相同。绝对静止时火焰周围只有自身燃烧产生的流场，相对静止时是风速流场和自身运动流场的叠加，周围流场湍动严重，火焰变化剧烈。

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