多火源通道火災流場特性的實驗與數值研究

李樹聲，戰詠梅

(1.哈爾濱工程大學航天與建筑工程學院，黑龍江哈爾濱150001;2.順陽汽車檢測維修服務有限公司，海南三亞572000)

多火源燃燒現象是群發性火災向區域性火災發展過程中的基本現象.由于相鄰多火源之間存在復雜的相互作用行為，多火源燃燒與單火源燃燒有很大不同.Liu[1-2]曾對多火源相互作用強度、多火源火災熄滅時間等進行過一些研究.

前人對通道內單火源火災關注較多[3-6]，而對通道內多火源火災卻鮮有研究，現實隧道火災中多車輛同時起火現象很多，所以有必要對通道內多火源熱流場進行研究，從而為通道火災的預防、早期控制提供科學指導.本文主要進行了多火源通道火災實驗與模擬數值，對多火源通道火災流場特性進行了研究.

1 中尺度通道火災實驗

1.1 實驗概述

實驗裝置如圖1(a)所示，是一個矩形通道，兩側均有開口，通道尺寸為8.0 m(長)× 1.5 m(寬)×1.0 m(高);實驗采用3種油池，直徑分別為0.16 m、0.20 m 及 0.26 m，油池高度均為 5 cm，見圖1(b)，燃料采用的是93#汽油，每次實驗每個油池用油600 ml;本實驗采用K型鎧裝熱電偶，數據采集設備選用安捷倫Agilent349470A多通道數據采集儀，采集通道數為42，如圖1(c).

如圖2所示，實驗共布置了T1-T17等17個熱電偶，熱電偶布置于通道中截面頂棚下5 cm處，熱電偶間距0.5 m，主要測量了通道頂棚下縱向煙氣層內溫度分布.實驗環境溫度為26℃.

圖1 實驗裝置

圖2 通道火災示意Fig.2 Schematic view for tunnel fire

1.2 實驗工況

表1描述了通道火災的實驗工況.實驗進行了單火源、兩火源及三火源火災實驗，對于TF1單火源火災，油池置于溫度測點T6正下方;對于TF2兩火源火災，兩油池火分別置于溫度測點T6及T8正下方;對于TF3三火源火災，三油池火分別置于溫度測點T4、T6及T8的正下方.通道火災實驗見圖3.

火源的質量損失速率與熱釋放速率的關系為

可以看出，TF3三火源火災中φ1及φ2的火源熱釋放速率均高于TF2兩火源火災中的φ1及φ2的火源熱釋放速率，這是由于火源越多，火源間的相互熱輻射越能加劇燃料的汽化，進而增大了各個火源的熱釋放速率.

圖3 多火源通道火災Fig.3 Tunnel multiple fires

表1 通道火災實驗工況Table 1 Experimental conditions for tunnel fires

2 浮力差

通道中煙氣的浮力是影響煙氣層對下層空氣卷吸及煙氣蔓延的重要因素，煙氣層與下層冷空氣的浮力差表征了煙氣層與下層冷空氣的卷吸、換熱的程度.浮力差可以由下式表示[7]:

式中:F表示浮力，ρ表示煙氣平均密度，ρ0表示下層冷空氣的密度，g為重力加速度，ΔT為煙氣與下層空氣溫度差值，T為煙氣層平均溫度.

圖4給出了單火源、兩火源和三火源浮力差對比情況.隨火源增多，相同位置處煙氣層與下層冷空氣間的浮力差逐漸增大，3個實驗條次在X=0 m處均布置了φ=0.20 m的火源，但浮力差卻是三火源的最大，兩火源的次之，單火源的浮力差最小.這說明了當多個油池火互相靠近時，單個油池內液體燃料不僅受到自身輻射的反饋，液體燃料表面還會受到周圍火源的熱輻射，致使燃料蒸發加快，自身及相鄰火源燃燒加劇，煙氣層溫度升高，相應的浮力差也隨之增大.

圖4 浮力差對比Fig.4 Comparison of buoyancy force differences

3 多火源通道火災流場研究

3.1 FDS數值模擬設定

FDS(fire dynamics simulator)[8-9]是美國標準與技術研究院NIST研制開發的一款計算流體力學火災場模擬軟件，適合解決熱浮力驅動、低速流動的Navier-Stokes方程.FDS采用大渦模擬模型(LES)來求解火災熱驅動流的紊態流動問題.FDS簡單易用，可靠性高，廣泛應用于模擬火災導致的煙氣傳播、蔓延等狀況.

本文采用FDS5.5.3軟件對單火源、兩火源及三火源通道火災實驗進行了數值模擬，以便更加深入研究此類火災熱流場內流體蔓延情況.

3.2 FDS有效性驗證

為驗證FDS軟件對于多火源火災仿真的可靠性，現將實驗結果與模擬結果在實驗測量點上的溫度值進行對比，見圖5.可以看出，FDS預測溫度值與實驗測得溫度值相對緊密的分布于斜率為1的參考線兩側，說明FDS對多火源火災的模擬是可靠的.

圖5 實驗與模擬溫度對比Fig.5 Comparison of temperatures

3.3 流場特性分析

單火源火災TF1溫度場及速度場如圖6所示.熱驅動流在浮力的作用下豎直上升，當撞擊到頂棚后形成頂棚射流，沿通道頂棚向兩側均勻蔓延.

圖6 單火源火災TF1Fig.6 Single fire in the tunnel

兩火源火災TF2溫度場及速度場如圖7所示，兩火源通道火災流場內火焰區域相互靠攏，速度矢量也呈靠近交會趨勢.三火源火災TF3中的情形與兩火源火災流場TF2類似，如圖8所示，兩側火源發生傾斜并均向中間火源聚攏，并且對應的速度矢量也發生偏轉指向中間火源.這是由于火焰受到熱流場的影響形成空間壓力梯度，致使火焰拉伸傾斜，高溫區域相互傾斜靠攏，一定條件下將會發生火焰融合(fire merging)現象.此時，火焰傾斜后兩側的空氣卷吸壓力差與浮力達到平衡，非連續分布的火源將表現出大面積火災的燃燒特征，使得破壞加劇.

圖7 兩火源火災TF2Fig.7 Two fires in the tunnel

圖8 三火源火災TF3Fig.8 Three fires in the tunnel

4 結束語

本文進行了單火源、兩火源及三火源通道火災實驗，測量了通道頂棚下5 cm處煙氣層溫度.對單火源及多火源條件下浮力差的研究發現:多個油池火靠近時，單個油池內液體不僅受到自身輻射的反饋，還受到周圍火源的影響，致使火源自身及相鄰火源燃燒加劇，相應的浮力差也隨之增大.與單火源通道火災相比，多火源通道火災分散的火源表現出了大面積火災燃燒特征.

采用計算流體力學軟件FDS對通道火災實驗進行數值模擬，主要對溫度場及速度場進行了研究.發現在空間壓力梯度的作用下，火焰會發生相互傾斜靠攏現象，致使火災加劇.

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[9]McGRATTAN K B.Fire dynamics simulator(version 5)-technical reference guide.NIST Special Publication 1018-5[R].Washington D C:National Institute of Standards and Technology，2010.