船用長通道頂棚下方煙氣溫度分布規律及蔓延運動分析

鄭源，黃玉彪，黃丹妍，楊立中

(中國科學技術大學 火災科學國家重點實驗室，合肥 230026)

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船用長通道頂棚下方煙氣溫度分布規律及蔓延運動分析

鄭源，黃玉彪，黃丹妍，楊立中

(中國科學技術大學 火災科學國家重點實驗室，合肥 230026)

基于大渦模擬(LES)方法獲得煙氣溫度與速度，結合煙氣在特殊長通道的結構特征，分析其溫度分布規律與運動規律,發現溫度邊界層與速度邊界層可以很好地表征煙氣運動，頂棚下方0.015m處的煙氣溫度可以代替最高溫度，與壁面對流傳熱的最高溫度預測公式符合很好。

煙氣船用長通道溫度

火災煙氣是熱浮力驅動的特殊流體，其蔓延范圍廣，危險性高。

在煙氣研究中數值模擬的方法被廣泛使用[1]，大量研究工作主要集中在長通道隧道這類結構的溫度分布[2-6]，在一系列尺寸實驗的基礎上建立隧道頂棚下方最高煙氣溫升的經驗公式[7]；對火災車艙的火災發展規律進行研究提出檢驗整體最大熱釋放速率系數，并且基于火羽流的理論建立了頂棚下方最高溫升的多區域表達模型[8-9]；有研究者提出頂棚下最高溫升的指數公式，其形式簡潔使用方便[10-11]；有研究者對隧道火災進行大量研究，從基本方程推導一維下頂棚下方最高溫度分布情，并對指數型溫度分布公式進行了分析驗證[12]。

由于溫度邊界層的波動，最高溫度的分布很難獲取，在大量的分析溫度數據的基礎上，嘗試尋找頂棚下方一定高處的溫度分布來進行替代。

1 計算模型的建立

1.1 數值模擬軟件FDS簡介

針對水面艦船特殊走廊結構的火災煙氣運動規律及溫度規律，運用美國國家標準與技術研究院(NIST)實驗室的火災計算模擬軟件FDS(fire dynamics simulation)。

1.2 物理模型

根據船用長通道結構，簡化模型，搭建長、寬、高分別為10、2、3 m的通道模型，其材質為2 cm厚鋼板，內部存在聯通門，其拱形門開口寬1.5 m高1.9 m，門結構的垂直段高1.5 m,見圖1。整體結構以中部的連通門為中心向兩端成對稱分布，網格間隔0.03 m。共建立3 600 000個方形網格?；鹪丛O置為0.25 m×0.25 m的方形油盤?；鹪垂β始s為2 MW。燃燒反應機理為塑料材質燃燒化學反應。

2 結果與討論

根據燃燒現象，當燃燒開始后的50～100 s，認為達到了燃燒的穩定階段，針對穩定階段采用歐拉法描述煙氣運動，取煙氣在特定時刻作為研究對象，并將穩定階段煙氣特征值取平均，對波動的煙氣特征參數進行穩定處理，得到溫度與速度等值圖，見圖2。

2.1 頂棚下方煙氣層

在整個走廊內部，由于其縱向運動遠大于橫向的運動，可以忽略煙氣在運動中橫向上的溫度交換。因此對其結構中部取切面，將三維結構簡化為二維平面，并以中部切面作為表征煙氣特性的特殊平面。根據圖3中的溫度等值分布，可以發現，受到熱浮力驅動的煙氣從火源位置開始向上運動，受到頂棚的限制與自身重力的作用，煙氣在豎直運動被制止，轉而開始水平。在圖3中可以發現煙氣出現了明顯的分層作用，表明走廊結構中當煙氣自由運動，或存在開口以及排煙裝置時，其煙氣可以在頂棚下方運動，而不會影響其走廊下部，可以發現在當前的條件下，以人體可以接受的40°為界限，走廊內下部的空氣約占整個結構高的40%左右，也證明了火災中煙氣的排煙設計可以有效減弱煙氣對人員的危害情況。

2.2 頂棚下煙氣的運動與溫度分布

圖4表明煙氣的流動狀態，可以發現根據Fr數的影響，浮力很難保證煙氣的穩定性，其靠近頂棚附近的運動與層流底層理論較為相符，其主要表現為上部進行水平向外運動，而下部煙氣在運動過程中，不斷卷吸大量空氣，形成預混的煙氣，其湍流運動現象十分明顯。因此其內部煙氣不斷形成漩渦并破碎，并且在較長的頂棚下方空間內還會出現渦列，通過這樣的運動來完成預混煙氣的質量熱量交換。

在圖5速度等值圖中可以發現，煙氣的運動受到壁面粘滯力,以及反向空氣的剪切力作用，以及運動過程中由于垂壁而迫使運動方向變化導致動能喪失等一系列作用相耦合，最終導致煙氣的水平速度在頂棚下方不斷的衰減，同樣進入的空氣也會反向減速，從整體上來看，煙氣此時的運動是一種受浮力驅動，由受限結構與空氣反向剪切而抑制的一種運動。

煙氣的運動可以從壁面附近的上部煙氣和下方煙氣2個不同層次進行分析，根據計算模擬圖6中的結果畫出煙氣運動的速度邊界層δv，發現速度邊界層穩定維持在頂棚下方一定距離，由邊界層的計算結果了解到，邊界層的厚度主要由雷諾數來決定。結果表明，在整個煙氣運動的過程中，受到黏性力而產生的能量耗散在水平運動中幾乎不變發生改變。

在圖7中，可以發現類似速度邊界層，頂棚下方同樣存在溫度邊界，圖7中等值線以z軸為因變量，可以發現每條等值線上的極值點即為煙氣層在相應x坐標處的最高溫度點，在頂棚下方，將每條等值線的極值點連接在一起，就形成了溫度層邊界曲線δt。可以發現溫度邊界層的厚度在頂棚下方呈現曲線分布，主要分布在頂棚下方0.01～0.05m之間。當煙氣主要進行水平運動時，溫度邊界層將開始變厚，在煙氣通過垂壁后撞擊頂棚的位置，溫度邊界層變得很薄，隨著煙氣朝著垂壁運動溫度邊界層逐漸變厚，并且溫度邊界層從水平方向轉換為豎直方向，從頂棚下方轉換到垂壁一側。根據溫度邊界層的厚度和速度邊界層的相對位置及厚度，可以判斷煙氣運動過程中對流換熱和運動耗散之間的關系，圖6中的速度邊界層穩定維持為一條直線，而圖7中溫度邊界層呈現兩端厚、中間薄的情況表明在遠端垂壁處對流換熱所占總散熱的比例更大一些，但整體上溫度層厚度的變化范圍不大，近似認為某一高度即為走廊內的溫度邊界層界限，以這條直線上的溫度來表征頂棚下方煙氣溫度。

由于走廊長通道結構中幾乎都存在垂壁結構，因此考慮煙氣這此結構中必須要考慮垂壁對煙氣運動的影響，根據圖8的模擬計算結果，發現當煙氣通過垂壁時形成了一個渦旋，當煙氣通過垂壁下端時，其本身具有水平的運動速度，且由于煙氣是由熱浮力驅動的，將會形成具有一定傾斜角度的煙氣運動軌跡，當煙氣以傾斜的角度撞擊頂棚后，形成了流體力學中的駐點問題，此時煙氣主流繼續向開口方向運動；而另一小部分煙氣向右側運動，受到垂壁的反作用，形成渦旋，通過垂壁后的小部分煙傾斜向上運動通過u=0m/s的曲線，沿頂棚水平向垂壁運動在u=0m/s的右側區域運動方向由水平運動轉轉化為豎直運動，此時煙氣從新分為2個部分，溫度較高的熱煙氣依然在渦旋中運動維持渦旋，而少部分低溫煙氣將重新被卷吸到主流煙氣中繼續向開口方向蔓延，從而形成了繞流運動。通過較長距離的運動以及渦旋的耗散，煙氣在垂壁處喪失了較多的能量。

2.3 頂棚下方縱向溫度分布規律

根據上文分析，選取頂棚下方0.015 m處的溫度作為煙氣的特征溫度，見圖9。

由圖9可見，從煙氣撞擊頂棚開始，煙氣沿著頂棚在下方縱向運動，溫度沿著運動的距離不斷衰減，由于溫度測點的密度相對較大，認為整個分布是連續的，而在垂壁處，溫度存在明顯的間斷，這是圖8中煙氣運動規律導致的，但在煙氣運動過程中經過垂壁，溫度沒有呈現出大幅度衰減的情況，這主要是由于溫度在縱向的衰減梯度比垂直方向上的梯度要低很多，在溫度邊界層附近，當縱向上喪失一定的熱量后其下方的熱煙氣將從新補充到溫度邊界層上。因此在這個區域的溫度沒能發生大幅變化。因此，垂壁對煙氣溫度的影響主要發生在下部煙氣，而在上部的影響很小。

在隧道、豎井等結構中，針對煙氣縱向上的溫度衰減情況的分析表明，從考慮壁面散熱的流體力學基本方程出發，可以得到較為經典的指數形式溫度衰減關系[5-6]，假定為穩態階段，不考慮輻射能量、熱傳導、內熱源等，求解后可以得出煙氣溫度與煙氣運動水平距離的關系。

通過10c)圖可見，當煙氣開始縱向蔓延時，由于受到垂壁的影響，溫度分布的規律比較復雜，并且由于垂壁附近頂棚下方處溫度與邊界層上的溫度存在很大的誤差，因此頂棚下方某一直線下的溫度分布與指數分布的擬合結果不夠理想，但除去垂壁附近溫度的異常變化，煙氣溫度分布與公式的擬合程度都很高，認為在不考慮垂壁影響的作用下，最高溫度可以由頂棚下方0.015 m處溫度代替，其溫度分布與蔓延距離呈現一定規則的關系。

3 結論

1)獲得頂棚下方煙氣的溫度與速度分布并選取頂棚下方在縱向上可以表征煙氣的特征溫度速度。煙氣在長通道內的總體上符合煙氣的雙層理論，并可以通過模擬數據獲取溫度邊界層與速度邊界層曲線，并通過兩曲線的關系來確定煙氣熱量的損失方式。

2)考慮通道連接門的垂壁作用，可以有效迫使蔓延的煙氣溫度發生變化以及運動狀態的改變。發現煙氣通過垂壁時會以一定傾斜角度撞擊頂棚，并且有一小部分煙氣回流形成渦旋與繞流運動，運動規律的特殊性導致了垂壁處耗散了一部分的煙氣能量，但由于煙氣層有著本身的穩定性，下部煙氣的補入，其溫度整體變化不大。

3)發現基于壁面對流換熱的經典溫度縱向衰減公式依然適用，并且在不考慮垂壁附近特殊的溫度變化時，以頂棚下方0.015 m處的溫度表征煙氣代替最高溫度，能很好地滿足煙氣縱向衰減規律。

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Study on Smoke Temperature and Spread Distribution below the Ceiling in Ship Channel

ZHENG Yuan, HUANG Yu-biao, HUANG Dan-yan, YANG Li-zhong

(State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

The phenomena that the temperature and movenment of smoke thermal buoyancy-driven was studied by the large eddy simulation (LES) method.The discipline of temperature and movenment suffered from the effect that the obstructive effect of smoke screen in the unusual long steel channel sturcture was anaylzed. It was found that the charactar curve of temperature and velocity can represent the smoke feature, and the temperature below ceiling 0.015 m can replace the maximum temperature conform the common exponential relationship.

smoke; ship channel; temperature

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.007

2017-01-18

國家自然科學基金重點項目(資助號：51323010)和中央高校基本業務費專項資金(資助號：WK2320000033)

鄭源(1993—)，男，碩士生

研究方向：密閉空間復雜結構下火災煙氣規律研究

U662.2

A

1671-7953(2017)03-0031-06

修回日期：2017-03-07