火旋风是一种在森林与城市火灾中常见的特殊火现象。它是由火羽流和周围环境涡量场的复杂相互作用而诱发的剧烈燃烧的旋转火焰,其中涉及到旋转流动和燃烧的物理化学复杂耦合作用机制。火旋风能够显著增强火源的燃烧速率,火焰高度,火焰温度和速度场,且易于诱发飞火现象,从而使得火灾强度和发展速度大大增强。因此,开展火旋风燃烧动力学的研究,不仅可以促进对包含流动和燃烧相互耦合作用的特殊燃烧现象的认识,丰富相关的燃烧理论,而且有利于在实际中控制此类火现象的发生,以保护人员和财产安全。本文的研究目标是,研究火旋风的燃烧速率、火焰高度、速度分布和温度分布等动力学特性,以及这些动力学特性随火源尺寸、外加环量等参数条件的变化规律；系统地建立火旋风各种动力学特征量的理论模型或尺度化模型；研究火旋风火焰的大尺度不稳定性一倾斜火焰转动和旋转进动特征,探讨引起火旋风大尺度不稳定性的物理机制;比较揭示火旋风和普通浮力火羽流在流场结构、热场结构、动力学行为和理论模型上的异同点。本文的具体工作包括：引入了火旋风的Ekman卷吸边界层理论并求得了其动量边界层解。前人已有的火旋风研究从未考虑火旋风底部卷吸边界层的流动特性。本文从流体力学基本控制方程出发,基于Ekman卷吸边界层理论得到了层流或湍流火旋风动量边界层的积分解,并与已有的实验和数值模拟结果符合地很好。建立了火旋风中液体燃料的燃烧速率模型。本文细致分析了火旋风燃料表面传热传质的物理机制。根据动量边界层解及滞止膜模型或传热传质类比理论,提出了液体燃料层流和湍流火旋风燃烧速率的半经验关系式,将燃料蒸发速率和外加环量及油盘尺寸这两个最重要的动力学参数耦合起来。结果表明,燃料表面上方的卷吸边界层包含传热传质机理不同的两个区域,即有化学反应的外区和无化学反应的内区。火旋风卷吸边界层改变了燃料表面附近的火焰形状,强烈的径向入流增强了燃料表面的传热传质速率。外区相比于内区燃料蒸发速率较高,且燃料蒸发总量的很大一部分来自于外区。较大尺寸油盘的燃料表面是空气动力学意义上的粗糙表面。本文提出的蒸发速率关系式与现有实验数据符合地很好；建立了液体燃料火旋风的火焰高度模型,该模型成功耦合了热释放速率与外加环量这两个关键参数。结果表明,火旋风火焰高度的增加来源于两种动力学机理,即底部卷吸边界层的强烈卷吸显著增大了燃料的蒸发速率,同时,旋转与正径向密度梯度的组合强烈抑制了火焰面附近空气和燃料的湍流混合。火旋风火焰高度关系式能较好地拟合已有的实验数据。层流或湍流火旋风的火焰高度都随外加环量线性变化。研究了火旋风火羽流的温度分局。本文根据火焰高度关系式定义了火旋风的轴向归一化高度,并分析了火旋风羽流起点处的流动状态及羽流区轴向温度的衰减特性。结果表明,与普通浮力池火相似,火旋风火羽流在轴向上同样包含连续火焰区,间歇火焰区和羽流区。火旋风连续火焰区中呈现双峰型的径向温度分布型线,即火焰核心内部是一个稳定的富燃区。火旋风连续火焰区高度与最大火焰高度之比,以及火旋风中心轴线的最大过余温度均显著高于普通浮力池火。火旋风羽流在起点处是中等旋转强度的射流,并最终衰减为普通浮力羽流。相应地,中心轴线过余温度对基于羽流起点修正的归一化高度的衰减指数不断减小,最终趋向普通浮力羽流的指数值-5/3。研究了火旋风火焰的三维不稳定性问题,包括倾斜火焰转动和旋转火焰进动特性。本文明确提出了火旋风的火焰转动和进动的概念,并讨论了这两种火焰不稳定性的动力学机制。结果表明,火旋风诱发阶段的倾斜火焰是没有自旋的,但其整体绕着装置的几何对称轴转动。该转动的旋转角速度不断增加,直到火旋风形成。随后,旋转柱状火焰的中心轴偏离装置的几何轴线,并绕着装置几何中心轴线以一定的频率进动。倾斜火焰转动和火旋风火焰的进动频率都和装置狭缝的平均入流速度成线性关系,相应的Stourhal数分别为0.42和0.80。火焰转动和进动方向与火焰的自旋方向一致。火焰转动是由于入口速度的准周期性波动引起的,而火焰进动与火旋风火焰外部回流区有关。