基于三维图像分析的浮力扩散火焰几何与辐射特性研究

余 辉，雷 佼，邓文扬，李元洲

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

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火蔓延预测预报是森林火灾防治工作的重要内容。准确计算火前锋的辐射热流分布可显著提升火蔓延物理模型的预测精度。目前，经典火焰辐射预测模型包括点源辐射模型和固体火焰模型[1-6]。Orloff和De Ris[7]在计算燃料表面的辐射热反馈和向火焰目标的辐射传热时，提出了轴对称火焰辐射优化模型。该模型利用二维图像数据估算火焰三维特征，即将二维火焰图像的每一层视为单独的圆柱体，获取了火焰的平均体积和表面积，从而简化计算火焰的近场辐射，并发现火焰体积热释放速率为定值。Hu等[8]将上述方法用于计算射流火焰的平均体积和体积热释放速率。但是，这些传统火焰形态和辐射模型计算结果针对的是形态与辐射的平均值，忽略了火焰的脉动和不稳定性。在真实火场燃烧行为中，火焰的非轴对称性(径向方向沿着轴线非对称)和强脉动性使得经典辐射模型适用性较差。

近年来，随着实验测量技术的不断发展(激光技术、断层技术)，研究者们开始研究火焰三维几何特性的变化规律。Bheemul等[9]利用多台同步相机重构了轴对称火焰的三维轮廓，获得了火焰体积、表面积、方向、长度和圆度。Mason和Rogers[10]利用两台相机拍摄沙发火和丙烷火，利用所获取的火焰三维概率分布云图计算了火焰周边辐射场。Doi和Sato[11]使用滤光片获得了特定波长下的火焰图像，并利用层析断层重建和比色方法获得了三维火焰结构和温度场分布。……