大空間火災的數(shù)值模擬

杜建華，張認成，丁環(huán)，蔣少茵

（華僑大學 機電及自動化學院，福建 廈門361021）

近年來，會展中心、影劇院、體育館等大空間建筑物越來越多.大空間建筑沒有任何阻擋物，溫度、煙氣極易迅速傳播蔓延，使得火災探測工作面臨重大挑戰(zhàn)［1］.隨著計算流體力學（CFD）的發(fā)展，通過數(shù)值模擬實現(xiàn)火災過程仿真是目前國內(nèi)外火災探測領(lǐng)域研究的熱點之一.本文以汽油燃燒為火災產(chǎn)生原因，將氣流場、熱場耦合在一起，建立1個三維大空間燃燒模型.通過模擬計算，分析汽油燃燒過程的溫度、生成物、殘余物的產(chǎn)生量和分布規(guī)律，研究各參數(shù)對汽油燃燒性能的影響.

1 火災模型

圖1為火災數(shù)值模擬模型.模擬大空間尺寸為50 m×20 m×20 m（長×寬×高），側(cè)壁裝有4個直徑2 m的排氣扇.以汽油為火災源，呈液體霧狀噴射進入該模擬三維空間，汽油與空氣發(fā)生燃燒化學反應.燃燒利用混合分數(shù)／PDF方法模擬，采用平衡的混合化學組分.汽油燃燒時產(chǎn)生的熱量通過空間面壁和排氣扇向外傳播.

火災模型的計算區(qū)域使用GAMBIT軟件進行網(wǎng)格劃分［2］.劃分網(wǎng)格時采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中的四邊形網(wǎng)格，在排氣扇處進行局部加密處理，劃分為22 515個網(wǎng)格.圖2為網(wǎng)格劃分后的模型圖.

圖1 火災數(shù)值模擬模型Fig.1 Numerical simulation model of fire

圖2 模型網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Grid figure of fire model

2 邊界條件與湍流模型

該燃燒室是1個非絕熱系統(tǒng)，燃燒室的壁面會出現(xiàn)熱傳遞，氣體也會向汽油燃料傳遞熱量，燃燒室壁面設(shè)為WALL.用于限制流體和固體區(qū)域，熱通量值設(shè)為1.假設(shè)汽油噴霧由直徑為100μm的液滴組成，汽油燃料的質(zhì)量流速度為0.004 kg·s-1，與流動中燃料的消耗條件相一致.流動為湍流，空氣溫度為650 K，其周圍環(huán)境的靜壓設(shè)為標準大氣壓101 k Pa.

湍流是空間中不規(guī)則和時間上無秩序的一種高度復雜的非線性的流體運動.在湍流中，流體的各個物理參數(shù)隨時間和空間的變化發(fā)生隨機變化.湍流模型依據(jù)湍流的理論知識、實驗數(shù)據(jù)，對雷諾（Reynolds）應力做出各種假設(shè)，從而使湍流的平均Reynolds方程封閉［3］.

模擬采用k-ε湍流模型，主要通過k方程和ε方程（k方程表示湍流脈動動能方程，ε方程表示湍流耗散方程）確定湍流粘性系數(shù)，繼而求解湍流應力.k方程、ε方程和粘性系數(shù)方程［4］分別為

其中：c1＝1.44；c2＝1.92；cμ＝0.09；湍動能k與耗散率ε的湍流普朗特數(shù)分別為σk＝1.0，σε＝1.3.

3 火災仿真與結(jié)果分析

3.1 火災流場計算

流場計算是在空間上用有限體積法將計算區(qū)域離散成許多小的體積單元，在每個體積單元上對離散后的控制方程進行求解.一般情況下，離散方程不能直接用來求解，必須先進行調(diào)整，對未知量（壓力、速度、溫度等）的求解順序及方式進行特殊的處理.常用的數(shù)值計算方法是流場迭代求解法［5-6］.

采用迭代求解方法中SIMPLE算法對速度場和壓力場進行修正.其基本思路是對給定的壓力場，求解離散形式的動量方程，得出速度場.因為壓力場是假定或不精確的，得到的速度場一般不滿足連續(xù)性方程，因此，必須對給定的壓力場加以修正，從而得到壓力修正值.最后，根據(jù)修正后的壓力場，求得新的速度場.如此反復，直至得到速度場收斂.

3.2 仿真結(jié)果分析

圖3 各因素與汽油平均混合分數(shù)關(guān)系曲線Fig.3 Curve of various factors and mean mixed fraction

火災氣體產(chǎn)物擴散廣、傳播快，能迅速被氣體探頭捕捉，是大空間火災探測的主要參量.圖3（a）～3（d）分別為CO，CO2，O2，庚烷（C7H16）的摩爾分數(shù)與汽油平均混合分數(shù)關(guān)系曲線，圖3（e）～3（f）分別為火災模擬系統(tǒng)的平均溫度（tav）、平均密度（ρav）與汽油平均混合分數(shù)關(guān)系曲線.由圖3可知：當汽油的平均混合分數(shù)小于6%時，燃燒室內(nèi)的氣體平均密度較小，O2量充足，燃燒后大量生成CO2，產(chǎn)生大量熱量，溫度升高，化學反應比較完全，汽油各成分的殘余量較小；當汽油的平均混合分數(shù)為6%時，生成的CO2量最高，O2完全消耗至0；隨著汽油的平均混合分數(shù)的增加，當汽油的平均混合分數(shù)大于6%時，O2相對減少，不完全燃燒反應不斷增強，CO生成量迅速增加，CO2生成量迅速減少，即當平均混合分數(shù)較大時，主要生成CO，化學反應不完全，平均溫度也隨之開始下降；當平均混合分數(shù)增加到10%時，其表現(xiàn)形式以不完全燒熱反應為主，汽油各成分的殘余量庚烷逐漸增加，CO生成量達到最大，CO2也形成一個相對最小生成量；當平均混合分數(shù)繼續(xù)提高時，混合物中O2的量逐漸減少，生成的CO，CO2的量也呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢，燃燒反應后O2均被完全消耗至0.

3.3 后處理結(jié)果分析

通過后處理仿真，進一步對燃燒系統(tǒng)的溫度分布及各燃燒產(chǎn)物在大空間中的分布規(guī)律進行研究.圖4～6分別為汽油模擬系統(tǒng)的靜態(tài)溫度分布圖、庚烷的濃度分布圖、燃燒各產(chǎn)物平均混合分數(shù)分布圖.從圖4可以看出：化學反應完成后，壁面的散熱特性使壁面處溫度最高，射流噴射出化學反應最劇烈，溫度最高；靠近排氣扇處，排氣扇的動能使大量熱量通過此處，使該范圍內(nèi)溫度較高.從圖5～6可以看出：在足夠大的空間內(nèi)，沒有其他障礙物時，汽油燃燒后的各種殘余物和生成物均勻分布在大空間內(nèi).

圖4 燃燒系統(tǒng)的溫度分布圖Fig.4 Temperature map of combustion system

圖5 庚烷濃度分布圖Fig.5 Concentration map of C7 H 16

圖6 燃燒產(chǎn)物平均混合分布圖Fig.6 Mean mixed distribution map of fire productions

4 結(jié)論

1）汽油的平均混合分數(shù)在0%～6%的范圍內(nèi)，O2充足，汽油燃燒生成大量的CO2，化學反應完全，產(chǎn)生大量的熱量，溫度較高；汽油的平均混合分數(shù)在6%～10%的范圍內(nèi)，主要生成CO，相對CO2的生成量快速減少；汽油的平均混合分數(shù)大于10%時，O2不足，燃燒反應不完全，汽油的殘余量增加，平均溫度開始下降，CO，CO2的生成量開始減少.

2）汽油燃燒反應完成后，溫度場的分布有一定的規(guī)律.燃燒室壁面的散熱特性使得壁面處溫度最高；空間內(nèi)射流濃度越大處，化學反應劇烈，散熱越多，溫度較高；靠近排氣扇處，排氣扇的動能卷走大量熱量，使得該處溫度較高.

3）在大空間內(nèi)模擬汽油燃燒，只要空間模型足夠大，且無障礙物，燃燒反應后，各組分擴散，使得組分均勻分布在該空間內(nèi).

4）汽油燃燒的數(shù)值模擬清楚地顯示出汽油燃燒各生成物、殘余物與汽油量的關(guān)系、溫度和溫度分布的關(guān)系、各組分濃度分布規(guī)律等.這有利于大空間火災的防火設(shè)計，也有利于更加有效地防災減災.

［1］ 杜建華，張認成.LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡的紅外光譜火災早期預警算法［J］.華僑大學學報：自然科學版，2011，32（6）：607-610.

［2］ 溫正，石良辰，任毅如.FLUENT流體計算應用教程［M］.北京：清華大學出版社，2009：22-26.

［3］ 朱紅鈞，林元華，謝龍漢.FLUENT流體分析及仿真實用教程［M］.北京：人民郵電出版社，2010：2-11.

［4］ 熊莉芳，林源，李世武.湍流模型及其在FLUENT軟件中的應用［J］.工業(yè)加熱，2007，36（4）：13-15.

［5］ 朱建安，高振周.水力沖孔噴嘴流場的數(shù)值模擬分析［J］.煤炭技術(shù)，2010，29（2）：165-169.

［6］ 周章根，馬德毅.基于FLUENT的高壓噴嘴射流的數(shù)值模擬［J］.機械制造與研究，2010，39（1）：61-63.