通道高度對豎通道內旋轉火焰熱流場的影響

霍巖，黃德香，鄒高萬，李樹聲

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通道高度對豎通道內旋轉火焰熱流場的影響

霍巖，黃德香，鄒高萬，李樹聲

(哈爾濱工程大學航天與建筑工程學院，黑龍江哈爾濱，150001)

以一底面邊長0.32 m的方形豎通道為研究對象，利用數值方法對通道高度為0.8~2.0 m的旋轉火焰熱流場進行模擬。研究通道高度對溫度、切向旋轉速度、豎直向上運動速度的影響。研究結果表明：通道高度增加會加強通道內火焰的旋轉，增加由通道側開縫引射空氣進入通道的能力。然而，通道高度對旋轉較為劇烈區域頂端和可見火焰頂端的螺旋線角度影響較小，兩者角度平均值分別為44.7°和60.9°。

旋轉火焰；通道高度；熱流場

城市建筑火災中，火焰在有側開縫的豎通道型結構空間內容易發生旋轉，從而表現出更快的燃燒速度和更高的火焰高度，會加劇火災的破壞力，并加大火災的撲救難度[1]。此類受限空間內的旋轉火焰(internal fire whirls)特性受通道結構邊界等條件的影響較大。以往人們對旋轉火焰的研究多是在固定高度通道內進行，豎通道與邊界開口等僅作為形成切向流速從而引發火焰旋轉的必要條件。例如CHOW等[1?2]在底面邊長0.35 m，高度1.45 m(通道高度與底面邊長之比約為4.2)的豎通道內進行了旋轉火焰實驗研究；LEI等[3?4]均在底面邊長2 m，高度15 m(通道高度與底面邊長之比為7.5)的豎通道內進行了旋轉火焰實驗和數值模擬研究；HUO等[5?7]在底面邊長2.1 m，高度9 m(通道高度與底面邊長之比約為4.3)的豎通道內進行了實驗和數值模擬研究；霍巖等[8?9]在底面邊長0.32 m，高度2 m(通道高度與底面邊長之比約為6.25)的豎通道內進行了實驗和數值模擬研究；CHUAH等[10]在1.2 m高的豎通道內進行了傾斜狀態下的旋轉火焰實驗研究。然而在可形成旋轉火焰的豎通道內，由于通道高度的不同而對其內部旋轉火焰熱流場所帶來的影響卻鮮有研究。鑒于通道高度也可能是影響其內旋轉熱流場的重要因素之一，本文作者以一豎通道內旋轉火焰實驗為基礎，利用數值模擬方法對改變豎通道高度后的流場變化進行了比較分析。

1 模擬條件與數學物理模型

文獻[8]中曾在兩側壁面斜對側開縫的豎通道內進行旋轉火焰實驗和數值模擬，結果表明可形成較強烈的旋轉火焰。參考其實驗通道尺寸和結構以及可形成較強烈的旋轉火焰時的開口條件，以底面邊長×邊長為0.32 m×0.32 m的豎通道為研究對象，通道頂部開口開放，通道兩側壁面各有寬度為0.035 m的斜對開縫。豎通道底面中心放置直徑為0.1 m的圓形液體正庚烷燃料池。有側開縫的豎通道模型示意圖如圖1所示。

豎通道四周側壁面沿高度方向的最大值，即通道的整體高度分別為0.8，1.0，1.2，1.4，1.6，1.8和2.0 m，通道高度與底面邊長之比*分別為2.500，3.125，3.750，4.375，5.000，5.625，6.250。由于側開縫是由通道最底端延伸至最頂端，所以在通道高度改變的同時，通道兩側壁面上的側開縫長度也隨之改變。

(a) 側視圖；(b) 俯視圖

圖1 豎通道模型示意圖

Fig. 1 Schematic diagram of vertical shaft model

由通道側開縫引射空氣所形成的非受迫旋轉火焰流場基本動力學方程組、為加快計算速度和結果收斂所進行的公式簡化等見文獻[8]。

數值計算時將液體燃料的燃燒簡化為單步不可逆反應，采用混合分數燃燒模型，可燃物燃燒消耗單位質量氧氣所釋放的能量取1.31 kJ/g[11]。決定液體燃料燃燒速度的燃料池表面蒸汽壓力cc由Clausius? Clapeyron公式[12]來限制：

式中：為氣體常數；cc為液體燃料表面溫度；為液體燃料的汽化熱，對于實驗所使用的正庚烷燃料，取值為480 J/g；boil為燃料沸點溫度，取值為98.4 ℃；0為大氣壓力，取值為101.325kPa。燃料屬性參照實驗用正庚烷燃料屬性[13]，流場中的輻射熱傳遞采用有限體積法來求解。邊界層速度與黏性應力基于Werne與Wengle邊界層模型[14]來計算。具體設置見文獻[8]。

在采用大渦模擬對通道內流場進行計算時，為了精確地捕捉到細節特征，要求特征直徑*至少能覆蓋10個網格[15]。特征直徑*的表達式為

數值計算過程使用美國國家標準與技術研究院(NIST)開發的數值模擬軟件FDS(fire dynamics simulator)來實現，該軟件對于豎通道內旋轉火焰熱流場模擬的有效性已在文獻[8]中利用Euclidean函數分析法[16]得到了驗證。

2 結果與分析

不同高度通道內，液體燃料燃燒穩定時所形成的熱釋放速率如圖2所示。隨著通道高度增加，火源熱釋放率略有上升，變化斜率為0.293，說明通道高度增加后會對火源燃燒起到一定程度的增強作用。

圖2 不同高度通道內的熱釋放率

不同高度通道內，穩定時中軸線上最高溫度所在高度和通道整體高度之比H*、豎直向上運動的最大軸向速度所在高度與通道整體高度之比H*如圖3所示。由圖3可以看出：隨著通道高度增加，H*近似線性下降，下降曲線斜率接近通道高度增加的變化率，這說明通道高度增加后，溫度最高值所在的高度近似保持不變。同時，隨著通道高度增加，H*整體趨勢雖略有小幅度下降，但基本維持在0.5附近，說明盡管通道高度不同，但豎直方向向上運動的流速最大值所在高度基本都保持在通道中部附近區域。

圖4所示為隨著*的變化，通道內熱流場穩定時中軸線氣流上升速度最大值c-max分布。由圖4可知：隨著*的增大，c-max近似線性增大，斜率為0.63，說明豎通道內向上的抽拉作用隨著通道高度增加而增強，并且促進通道內熱氣流豎直向上運動的速度加快的作用也更明顯。

圖3 通道內最高溫度位置與通道高度之比

圖4 不同高度的通道內中軸線氣流上升速度最大值

圖5所示為通道內流場穩定時，距燃料池圓心0.05 m旋轉氣流的切向速度沿高度的變化曲線。由圖5可以看出：在豎通道下部空間較大而在上部空間較小，而且隨著高度增大，先以很小幅度的增高，之后達到最大值附近比較平緩的階段，最后逐漸減小即旋轉程度逐漸減弱。不同豎通道高度最頂端區域的氣流切向速度均降至0.2~0.3 m/s。

圖6所示為不同高度通道內距燃料池圓心0.05 m處氣流上升速度最大值up,max和切向速度最大值max的分布。由圖6可知：隨著*增大，up,max和max均近似線性增大，說明通道高度增加也使通道內流場的旋轉加劇。up,max的上升斜率明顯大于max的上升斜率，說明豎通道高度增加后，使通道內空氣所受浮升力與剪切力均有所增大，浮升力增大的幅度約為橫向剪切力增大幅度的1.5倍。

/m：1—0.8；2—1.0；3—1.2；4—1.4；5—1.6；6—1.8；7—2.0。

圖5 切向速度沿高度變化

Fig. 5 Tangential velocity variation along height

圖6 不同高度通道內切向速度和氣流上升速度最大值

不同通道高度時，距燃料池圓心0.05 m處最大切向速度所在高度和通道整體高度的比值H*如圖7所示。由圖7可以看出：隨著通道高度增加，比值H*呈緩慢下降趨勢，在研究的通道高度范圍內，比值H*由0.38降至0.25，最大切向速度所在位置由通道的下部1/3高度附近區域降至通道1/4高度附近。說明通道高度增加后，最大切向速度的所在高度雖有所升高，但其升高的幅度相對于通道高度增加的幅度小。

圖8所示為通道側開縫不同高度處引射進通道內的氣體流速的變化曲線。由圖8可以看出：流速的變化曲線與圖5作用于火焰邊沿附近的切向速度變化曲線規律相似，均為在豎通道下部較大而在上部附近迅速降低，這說明在豎通道外部流入的空氣主要由側開縫下部進入，在接近通道頂部附近區域流速可為負值，表明在此處有氣流由通道內經側開縫流出通道。對于不同的通道高度，由側開縫流入通道的流速隨著通道高度的增大而逐漸增加，說明通道高度越高由側開縫向通道內引射空氣的能力越強。

圖7 最大切向速度所在高度和通道高度之比

圖9所示為由豎通道側開縫引射進入通道內部的流速最大值max隨著豎通道高度的變化。從圖9可以看出：隨著通道高度的增大，max以斜率為0.06近似線性增大。說明通道高度增加會加強對通道外部空氣的引射能力，使流經側開縫的引射流速度增大，但其增大的幅度要小于通道高度增加的幅度。

/m：1—0.8；2—1.0；3—1.2；4—1.4；5—1.6；6—1.8；7—2.0。

圖8 通道側開縫處氣體流速沿高度變化

Fig. 8 Velocity of gas at shaft gap along height

圖9 不同高度豎通道側開縫處最大引射速度

對于氣流切向速度和上升速度up，若令，則通道高度為1.0~2.0 m時，和沿高度的變化曲線如圖10所示。由圖10可以看出：各通道高度時的和變化曲線都是先上升，經歷一個波峰后下降；曲線的波峰所在高度位置較曲線的低，說明通道由下至上切向速度先達到最大值隨后達到豎直運動的速度最大值。和相比，的波峰比較陡峭，而的波峰更平緩，說明切向速度在較大值附近持續的高度范圍較大。由圖10還可以看出：盡管通道高度不同，但均滿足曲線波峰結束的位置與變化曲線波峰開始的位置大致相同，即通道內高度升高到旋轉速度開始降低后隨即火焰浮升速度增大到最大值穩定段，這間接反映出流場在豎向高度上旋轉切向力為主導運動的區域和浮力為主導的豎直向上運動區域的分區特性。

豎通道內旋轉熱流場中，火焰高溫產生的浮力和旋轉切向力是流場的主要受力，若將火焰外邊沿區域的氣流速度簡化為浮力導致的豎向速度up和旋轉切向力導致的切向速度的兩者合成，則流場螺旋線角度即可簡化為氣流速度方向與水平面之間的夾角。根據反正切公式可求得螺旋線角度：

圖12所示為不同高度豎通道中的螺旋線角度隨著高度的變化曲線。由圖12可知：在豎通道底部附近，旋轉較劇烈，螺旋線角度比較小，均約為20°；隨著的增大快速增大，在通道上半部分可達60°以上。流場的螺旋線角度越小，說明流場中浮升力相對于橫向剪切力越小，反之，則說明流場中浮力的作用強于剪切力。同時，在相同高度上，通道整體高度越高則螺旋線夾角越小，尤其是高度大于0.4 m時更為明顯，這說明通道高度增加后，使相同位置處流場的螺旋程度加強。

/m：(a) 1.0；(b) 1.2；(c) 1.4；(d) 1.6；(e) 1.8；(f) 2.0 1—1；2—2。

圖10 速度比1和2隨著高度的變化

Fig. 10 Change of1and2along with height

圖11 不同高度通道中的Lfw和Lfk變化

/m：1—0.8；2—1.0；3—1.2；4—1.4；5—1.6；6—1.8；7—2.0。

圖12 螺旋線角度沿高度的變化

Fig. 12 Angle of spiral line variation with heights

不同高度通道內，火焰旋轉較劇烈的區域高度fw和可見火焰高度fk分別對應的螺旋線角度w和k如圖13所示。由圖13可知：w的變化范圍為41.4°~47.1°，平均值為44.7°。k的變化范圍為57.5°~65.8°，平均值為60.9°。盡管通道高度不同，但w和k的變化不明顯，尤其是當*大于3后。由此可以推測，在一定條件下能夠利用螺旋線角度來確定旋轉火焰的火焰旋轉較為劇烈的區域高度及可見火焰高度。

圖13 不同高度通道中θw和θk的分布

3 結論

1) 豎通道高度對旋轉火焰中軸線上最高溫度的高度影響不大。

2) 豎通道高度增加后，中軸線上豎直向上運動的最大軸向速度和流場最大切向速度所在高度也相應升高，最大軸向速度所在高度基本都保持在通道中部附近區域，最大切向速度所在高度由通道的下部1/3高度附近區域變化至1/4高度附近區域。

3) 通道高度增加后，對流場豎直向上的軸向運動速度和流場旋轉的切向速度均起到增大的作用，豎直向上運動速度增加相對更明顯，豎直向上運動速度的最大值隨通道高度上升的增加幅度約為最大切向速度增加幅度的1.5倍。

4) 通道高度增加后會加強通道內的旋轉，提高由側開縫向通道內引射空氣的能力，但其增大的幅度要小于通道高度增加的幅度。

5) 通道高度增加后，旋轉較劇烈區域高度和可見火焰高度值均有所增大，但是對可見火焰平均高度增大的作用較旋轉較強烈區域更明顯。

6) 不同通道高度時，旋轉較為劇烈區域頂端和可見火焰頂端區域的螺旋線角度變化幅度都較小，旋轉較為劇烈的區域頂端螺旋線角度平均值為44.7°，可見火焰頂端螺旋線角度平均值為60.9°。

[1] CHOW W K, HAN S S. Experimental investigation on onsetting internal fire whirls in a vertical shaft[J]. Journal of Fire Sciences, 2009, 27(6): 529?543.

[2] CHOW W K, HAN S S. Experimental data on scale modeling studies on internal fire whirls[J]. International Journal on Engineering Performance-Based Fire Codes, 2011, 10(3): 6374.

[3] LEI Jiao, LIU Naian, ZHANG Linhe, et al. Experimental research on combustion dynamics of medium-scale fire whirl[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2011, 33(2): 24072415.

[4] CHOW W K, HE Z, GAO Y. Internal fire whirls in a vertical shaft[J]. Journal of Fire Science, 2011, 29: 7192.

[5] HUO Y, CHOW W K, GAO Y. Internal fire whirls induced by pool fire in a vertical shaft[C]//ASME/JSME 2011 8th Thermal Engineering Joint Conference (AJTEC2011). Honolulu, Hawaii, USA, 2011: T20034-1-T20034-6.

[6] HUO Y, GAO Y, HUANG D X. Numerical simulation of internal fire whirls in an inclined shaft[J]. Advanced Materials Research, 2013, 732/733: 254257.

[7] 霍巖, 鄒高萬, 李樹聲, 等. 單側有限寬度開縫豎通道內的旋轉熱流體特性[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2014, 35(3): 320324. HUO Yan, ZOU Gaowan, LI Shusheng, et al. Characteristics of rotating thermal fluid in a vertical shaft with a confined single coner gap[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2014, 35(3): 320324.

[8] 霍巖, 鄒高萬, 李樹聲, 等. 豎通道內液體燃料燃燒形成的旋轉火焰特性[J]. 哈爾濱工業大學學報, 2014, 46(1): 7782. HUO Yan, ZOU Gaowan, LI Shusheng, et al. Characteristics of fire whirls induced by liquid fuel in a vertical shaft[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2014, 46(1): 7782.

[9] 霍巖. 有限開口空間熱驅動流大渦模擬和實驗研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學航天與建筑工程學院, 2010: 815.HUO Yan. Research on thermal fluid in partially open enclosure by large eddy simulation and experiments[D]. Harbin: Harbin Engineering University. College of Aerospace and Civil Engineering, 2010: 815.

[10] CHUAH K H, KUWANA K, SAITO K, et al. Inclined fire whirls[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2011, 33: 24172424.

[11] HUGGETT C. Estimation of rate of heat release by means of oxygen consumption measurements[J]. Fire and Materials, 1980, 4(2): 6165.

[12] PRASAD K, LI C, KAILASANATH K, et al. Numerical modelling of methanol liquid pool ?res[J]. Combustion Theory and Modelling, 1999, 3(4): 743768.

[13] MILAN Z, VLASTIMILR R. Heat capacity of liquid-heptane converted to the international temperature scale of 1990[J]. Journal of Physical and Chemical Reference Data, 1994, 23(1): 5561.

[14] WERNER H, WENGLE H. Large-eddy simulation of turbulent flow over and around a cube in a plate channel[C]//8th Symposium on Turbulent Shear Flows. Munich, Germany, 1993: 155168.

[15] WANG Huiying. Numerical study of under-ventilated fire in medium-scale enclosure[J]. Building and Environment, 2009, 44(6): 12151227.

[16] PEACOCK R D, RENEKE P A, DAVIS W D, et al. Quantifying fire model evaluation using functional analysis[J]. Fire Safety Journal, 1999, 33: 167184.

(編輯 趙俊)

Effects of shaft height on heat flow field of fire whirls in vertical shaft

HUO Yan, HUANG Dexiang, ZOU Gaowan, LI Shusheng

(College of Aerospace and Civil Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Taking a square vertical shaft with bottom side length of 0.32 m as research object, the swirling flames heat field of a shaft with height of 0.8?2.0 m was simulated. The effects of shaft height on the temperature, the tangential rotational velocity and the vertical velocity of the upward movement were studied. The results show that increasing the height of the shaft is to strengthen the rotation of the inner passage of the flame and increase the capacity of the injection of air to the shaft through the corner gaps. However, the angle of spiral line at the top of intense rotational zone and the tip of visible flame are less affected by the height of shaft, and the mean angles are 44.7° and 60.9°, respectively.

fire whirls; vertical shaft height; heat flow field

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.12.034

TU998.1；X932

A

1672?7207(2016)12?4224?07

2015?12?24；

2016?04?07

國家自然科學基金資助項目(51676051，11402061)；黑龍江省博士后科研啟動基金資助項目(LBH-Q13043)；中央高校基本科研業務費專項基金資助項目(HEUCF160201)(Projects(51676051, 11402061) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(LBH-Q13043) supported by Heilongjiang Postdoctoral Funds for Scientific Research Initiation; Project(HEUCF160201) supported by Fundamental Research Funds for the Central Universities)

霍巖，副教授，從事火災動力學研究；E-mail：huoyan205@126.com