扁平型空間內(nèi)火災(zāi)頂棚射流溫度特性

張宏，李玉鋒，霍巖，鄒高萬

(1.中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015； 2.哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

扁平型空間內(nèi)火災(zāi)頂棚射流溫度特性

張宏1，李玉鋒1，霍巖2，鄒高萬2

(1.中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015； 2.哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

為研究扁平型空間火災(zāi)頂棚射流特性，在一長15 m、寬11 m、高4.6 m的扁平空間內(nèi)進行了實驗與數(shù)值模擬，空間內(nèi)強制通風對火源熱釋放率為100～500 kW的火災(zāi)頂棚射流溫度變化影響。研究發(fā)現(xiàn)了空間內(nèi)通風、障礙物和門開口都會對頂棚射流溫度產(chǎn)生擾動；通風對頂棚射流降溫作用在火源熱釋放率小于200 kW的火災(zāi)場景和遠離火源的區(qū)域更明顯，而通風對上壁面附近最高溫度所在位置并沒有明顯的影響；同時，通風并未改變頂棚射流以近似指數(shù)形式降低的規(guī)律，但會加速溫度的下降速率，可使溫度衰減系數(shù)最大提高近2倍。

扁平空間； 火災(zāi)； 頂棚射流； 通風； 火源熱釋放率； 熱流場； 溫度衰減

地下商場、地下停車場、船舶儲貨艙等扁平型大空間內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)，會表現(xiàn)出一些獨有的規(guī)律特性，并且極易造成群死群傷和巨大的財產(chǎn)損失。而且有些用于存儲貨物的扁平型空間內(nèi)一般無人長期值守，所以更多地依賴于火災(zāi)自動探測報警系統(tǒng)，若能較好掌握扁平型空間內(nèi)的火災(zāi)特性，則可以采取有針對性的多傳感器融合探測等技術(shù)進行火災(zāi)初期的準確自動探測報警。為此，眾多學者對扁平型空間的火災(zāi)特性和防排煙技術(shù)開展了相關(guān)研究，Zhang等對扁平型的地下停車場火災(zāi)進行了數(shù)值模擬[1]；Huo等通過實驗和數(shù)值模擬對地下扁平型空間火災(zāi)特性進行了研究[2]；陳穎等采用理論計算和計算機模擬對扁平型大空間火災(zāi)煙氣填充規(guī)律進行了研究[3]；伍衛(wèi)軍等通過實驗研究了機械排煙系統(tǒng)在扁平型大空間火災(zāi)中的有效性[4]；李炎鋒等探討了扁平型地下車庫內(nèi)誘通風輔助排煙技術(shù)的適用性和應(yīng)用價值[5]。然而，對于有通風的扁平型空間火災(zāi)形成的頂棚射流特性則鮮有報道。鑒于火災(zāi)探測器一般都被安裝于空間上壁面并依靠火災(zāi)產(chǎn)生的頂棚射流觸發(fā)，而空間內(nèi)的通風是影響頂棚射流參數(shù)變化規(guī)律的重要影響因素，從而影響火災(zāi)自動探測報警能力，因此本文利用實驗和數(shù)值模擬方法對一扁平型空間內(nèi)火災(zāi)時頂棚射流特性進行研究，重點考察空間內(nèi)通風帶來的影響，所得結(jié)果對于深入理解扁平型空間內(nèi)火災(zāi)特性以及此類空間內(nèi)的火災(zāi)自動探測技術(shù)改進具有一定的指導意義。

1 有通風扁平空間火災(zāi)頂棚射流布置

研究對象為一長15 m(x軸)，寬11 m(y軸)，高4.6 m(z軸)的扁平型空間，有一個寬2 m，高3 m的門與外界環(huán)境相通，如圖1所示。空間內(nèi)布置有模擬真實環(huán)境中擺放物品的障礙物，所有障礙物均擺放于空間地面上，高度均為2 m，位置如圖2所示。

圖1 扁平型實驗空間結(jié)構(gòu)尺寸Fig.1 Size of experimental flat space

圖2 實驗空間內(nèi)的障礙物布置Fig.2 Obstructions arrangement in the experimental space

空間上壁面上布置有24個通風口，如圖3所示，其中12個為進風口，主要位于空間上壁面的中部區(qū)域，另12個為回風口，主要分布于空間內(nèi)靠近側(cè)壁的邊沿區(qū)域，所有風口均可以根據(jù)需要關(guān)閉或開啟機械通風，所有風口均位于空間上壁面上，開口為水平方向，通風方向均為豎直方向。

在空間內(nèi)上壁面以下0.3 m高度(距地面4.3 m高)平面上布置有9個溫度測點C1～C9，使用直徑2 mm鎧裝熱電偶測量各位置處的溫度變化，測點分布位置如圖4所示。

圖3 空間上壁面通風口布置Fig.3 Vents arrangement on the ceiling

圖4 空間近上壁面區(qū)域的溫度測點布置Fig.4 Temperature measuring points arrangement near the ceiling

在空間遠離門開口的里端地面上設(shè)置一尺寸0.5 m×0.5 m的方形燃料池，位置如圖5所示，此位置距離門開口較遠，而且被空間內(nèi)的障礙物遮擋，所以在實際情況中屬于難以被發(fā)現(xiàn)的代表性火源位置。火災(zāi)實驗時，先開啟通風，待空間內(nèi)流場穩(wěn)定后，使用1 500 ml正庚烷液體燃料形成火災(zāi)場景，燃料被點燃后可持續(xù)燃燒約210 s，環(huán)境溫度28 ℃。

2 有通風扁平空間火災(zāi)熱流場數(shù)值模擬方法及有效性驗證

2.1數(shù)學物理模型

火災(zāi)熱流場控制方程主要包括連續(xù)性方程、組分方程、動量方程、速度散度約束方程、狀態(tài)方程分別為

(1)

(2)

(3)

V·

(4)

(5)

圖5 火源位置示意圖Fig.5 Fire location schematic

整個計算區(qū)域的固體邊界均假設(shè)為絕熱條件，為了準確捕捉火羽流信息并滿足網(wǎng)格獨立性要求的基礎(chǔ)上，最終確定火源區(qū)域采用邊長為0.05 m的立方體網(wǎng)格對計算空間進行劃分，確保火源有10個網(wǎng)格覆蓋[6]，除火源外的其他區(qū)域采用邊長為0.1 m的網(wǎng)格劃分，整個計算空間總網(wǎng)格數(shù)為887 800。數(shù)值計算過程中，湍流模型采用基于Deardorff亞格子模型的大渦模擬(large eddy simulation,LES)技術(shù)求解[7]，熱輻射采用100個離散角的有限體積法(finite volume method,FVM)進行計算，變量的時間微分項以顯性二階預(yù)測/校正機制進行離散迭代，使用CFL條件保證整個迭代過程的穩(wěn)定性。數(shù)值計算采用美國國家標準與技術(shù)研究院(national institute of standards and technology,NIST)開發(fā)的火災(zāi)模擬軟件FDS(fire dynamics simulator, version 6.1.1)為平臺[8-9]。

2.2數(shù)值模擬有效性驗證

根據(jù)實驗使用燃料屬性，其燃燒熱值為44 000 kJ/kg，燃料純度和燃燒效率為95%，則可由實驗所用的燃料消耗量和燃燒耗時情況估算實驗火源的平均熱釋放率約為200 kW，以此為基礎(chǔ)進行火災(zāi)熱流場數(shù)值模擬，待流場穩(wěn)定后，由實驗和數(shù)值模擬得到的空間上壁面C1～C9各測點處的最高溫度值TMax比較結(jié)果如圖6所示。

圖6 實驗與數(shù)值模擬結(jié)果比較Fig.6 Experimental and numerical comparison results

由圖6中結(jié)果可以看出實驗值與數(shù)值模擬結(jié)果在整體上吻合較好，最大偏差在15%以內(nèi)，說明即使在有通風條件下，采用的數(shù)學模型和數(shù)值模擬方法也可以在一定程度上較好地反應(yīng)實驗結(jié)果。由此，基于實驗的空間結(jié)構(gòu)和通風條件，利用數(shù)值方法對火源熱釋放率(heat release rate,HRR)為100～500 kW時的火災(zāi)場景進行了模擬。

3 頂棚射流溫度特性

火源熱釋放率為100～500 kW時，當火災(zāi)流場達到穩(wěn)態(tài)后，空間上壁面以下0.3 m高度的整個平面上所能達到的最高溫度如圖7所示，對應(yīng)最高溫度所在位置見圖8，圖中“-v”表示有通風。由圖7中可以看出，無論是否存在通風，空間內(nèi)上壁面附近所能達到的最高溫度均隨著火源熱釋放率增加而增大，當火源熱釋放率小于350 kW時，空間內(nèi)通風的降溫作用會使上壁面附近所能達到的最高溫度值有所降低，然而火源熱釋率大于350 kW后，由于通風可在一定程度上加劇上壁面附近的熱煙氣流動，所以反而使上壁面附近所能達到的最高溫度較無通風時稍有升高。同時，由圖8的最高溫度所在位置可以看出，由于火源附近障礙物和空間門開口的綜合影響，致使最高溫度所在位置并不是火源正上方，而是在火源正上方稍偏向門開口方向一側(cè)附近，而且無論空間內(nèi)是否有通風的影響，最高溫度所在的位置并沒有明顯的差別，說明本文所研究的通風條件對上壁面附近溫度最高點的位置影響不明顯。

圖7 上壁面以下0.3 m高度平面上所能達到的最高溫度Fig.7 The highest temperature on the plane 0.3 m below ceiling

圖8 上壁面以下0.3 m高度平面上最高溫度所在位置Fig.8 Location of the highest temperature on the plane 0.3 m below ceiling

火災(zāi)流場達到穩(wěn)態(tài)時，空間上壁面以下0.3 m高度平面上，溫度測點所在區(qū)域的溫度值如圖9所示。由圖中可以看出，無論是否存在通風的影響，火源正上方附近區(qū)域都是溫度最高的局部區(qū)域，距離火源正上方位置較遠區(qū)域的溫度相對較低并且溫度值接近。當空間內(nèi)無通風時，隨著火源熱釋率增加，上壁面附近溫度測點所在區(qū)域的溫度值相應(yīng)均勻增加，而有通風時，對于熱釋放率為100 kW和200 kW的火災(zāi)場景，由于火源熱釋放率值相對較小，產(chǎn)生的熱煙氣溫度較低，所以上壁面附近溫度測點所在區(qū)域的溫度值在通風的影響下被明顯降低，火源熱釋放率大于300 kW時，雖然溫度值也較無通風時有所降低，但由于此時火源熱釋放率值相對較大，所以溫度降低的幅度要稍小一些，致使火源熱釋放率在200 kW和300 kW之間有個明顯偏大的溫度跳躍。另外，由于受火焰熱羽流持續(xù)不斷的影響，火源正上方附近區(qū)域溫度可以維持較高水平，因此通風對此區(qū)域的降溫作用較弱，而遠離火源的區(qū)域由于溫度相對較低，所以受通風的降溫作用影響則更為明顯。

對于火源熱釋放率為100～500 kW的火災(zāi)場景，當空間內(nèi)熱流場達到穩(wěn)定狀態(tài)時，由上壁面附近的溫度測點C1～C9各測點所得到溫度值中最高溫度和最低溫度見圖10，圖10中的最高溫度都是由火源正上方最近測點C2得到的，而最低溫度都是與火源直線距離最遠的測點C9得到的。由圖10中結(jié)果可以看出，隨著火源熱釋放率增加，由溫度測點所得到的最高溫度和最低溫度之間的溫度差值逐漸增加，而且空間內(nèi)的通風對于溫度測點所得到的最低溫度值起到了明顯的降低作用，而對于最高溫度影響則相對較小。

圖9 上壁面下0.3 m高度平面上溫度測點所在區(qū)域的溫度Fig.9 Temperature of zone where the temperature measuring points on the plane 0.3 m below ceiling

圖10 各溫度測點的最高溫度和最低溫度Fig.10 Maximum and minimum temperatures of the temperature measuring points

火源熱釋放率為100～500 kW時的穩(wěn)態(tài)流場，空間上壁面以下0.3 m高度平面上，過火源正上方投影中心分別沿x軸方向和y軸方向的溫度分布情況如圖11所示，圖中“-v”表示有通風。由圖中結(jié)果可以看出，不論是沿x軸還是沿y軸方向，由火源正上方的高溫區(qū)域向遠離火源的兩側(cè)低溫區(qū)域均按指數(shù)形式降低變化；對于火源熱釋放率較小的火災(zāi)場景，空間內(nèi)通風使整個平面上的溫度值均降低，而對于火源熱釋放率較大時，通風對火源正上方附近的高溫區(qū)域的溫度影響相對較小，僅對于遠離火源的區(qū)域起到明顯降溫作用；另外，由于溫度沿y軸方向不像沿x軸方向那樣受到空間側(cè)壁、障礙物和門開口的影響，所以溫度曲線的對稱性相對較好，火源正上方中心位置是溫度最高點。

若以火源為中心，向火源兩側(cè)方向分別定義為溫度變化的“上游”和“下游”，則對應(yīng)“上游”和“下游”溫度曲線降低過程的最大斜率位置Pmax-slope如圖12所示,“-v”表示有通風。由圖中可以看出，沿x軸方向由于整個溫度曲線與火源位置發(fā)生偏移，最大斜率位置也相應(yīng)向上游一側(cè)偏移，所以并沒有像沿y軸方向那樣“上游”和“下游”最大斜率位置近似均勻的位于火源正上方的兩側(cè)。同時，當火源熱釋放率小于300 kW時，在通風的影響下，沿x軸方向的溫度曲線最大斜率位置明顯向遠離火源方向移動，而對于火源熱釋放率較大和沿y軸方向的結(jié)果則影響相對較小。

圖11 上壁面以下0.3 m高度平面上沿x軸和y軸溫度分布Fig.11 Temperature distribution along the x-axis and y-axis on the plane 0.3 m below ceiling

圖12 上壁面以下0.3 m高度平面上沿x軸和y軸溫度變化最大斜率位置Fig.12 Location of the maximum slope of temperature change along the x-axis and y-axis on the plane 0.3 m below ceiling

由于圖11中溫度曲線近似按指數(shù)形式變化，所以若單獨考慮上壁面附近溫度沿x軸或y軸方向的變化過程，則可以將其近似為溫度的一維變化過程，針對高度遠小于平面上長度和進深的扁平型空間，若不考慮側(cè)壁面的影響，則其與長通道型空間近似，由此，根據(jù)文獻[10-13]中對頂棚射流的推導，可將頂棚射流無量綱溫度隨無量綱運動距離的變化公式表示為

T*=e-Kd*

(6)

式中:無量綱溫度T*=(T-T0)/(Tr-T0)，無量綱距離d*=(d-dr)/(dmax-dr)。其中Tr為對應(yīng)溫度曲線在火源正上方附近的最高溫度值，對應(yīng)位置為dr；T0為環(huán)境溫度，d為與dr的距離，dmax為距離最高溫度值所在位置兩側(cè)的最大距離。

以式(6)為基礎(chǔ)，分別對上壁面以下0.3 m高度平面上沿x軸和y軸的溫度變化曲線進行擬合，取dmax=1 m，則對于不同火源熱釋放率的火災(zāi)場景得到的溫度衰減系數(shù)K結(jié)果如圖13所示。由圖中可以看出，通風的作用使系數(shù)K值增大，說明通風加劇了溫度的下降過程。沿y軸方向由于受障礙物和門開口的影響較小，而且是空間內(nèi)通風的氣體流動方向，因此在火源熱釋放率較小時通風的作用更為明顯，使系數(shù)K值最大提高了近2倍。而沿x軸由于受到空間內(nèi)障礙物和門開口的影響，而且與通風的氣體流動方向垂直，所以受到的擾動較大，雖在整體上表現(xiàn)出通風使衰減系數(shù)K值增加，但其變化規(guī)律要較沿y軸復雜得多。

圖13 上壁面以下0.3 m高度平面上沿x軸和y軸溫度變化曲線擬合系數(shù)Fig.13 Temperature variation curve fit factor along the x-axis and y-axis on the plane 0.3 m below ceiling

4 結(jié)論

1)通風的降溫作用會在一定程度上降低上壁面附近的溫度，然而當火源熱釋率大于350kW后，由于通風可在一定程度上加劇上壁面附近的熱煙氣流動，所以反而使上壁面附近所能達到的最高溫度較無通風時稍有升高，但通風對上壁面附近最高溫度所在位置并沒有明顯的影響。

2)通風對火源正上方的高溫區(qū)域降溫作用較弱，對于遠離火源區(qū)域的降溫作用更為明顯。同時，對于火災(zāi)初期或陰燃等火源熱釋放率相對較小時，通風的降溫作用更為明顯，可導致其溫度下降曲線最大斜率位置向遠離火源方向移動。

3)扁平型空間上壁面附近溫度由火源正上方附近的高溫區(qū)域向周圍以近似指數(shù)形式降低，通過對溫度曲線下降過程結(jié)果擬合得到，通風可加速溫度的下降，最大可使溫度衰減系數(shù)K值提高近2倍。

4)除通風外，空間內(nèi)障礙物和門開口位置也會對頂棚射流溫度變化特性產(chǎn)生影響，使其產(chǎn)生復雜的變化規(guī)律。

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本文引用格式：張宏，王凱，霍巖，等. 扁平型空間內(nèi)火災(zāi)頂棚射流溫度特性[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2017， 38(10): 1580-1586.

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Ceilingjetflowtemperaturecharacteristicsofaflatspaceincaseoffire

ZHANG Hong1, LI Yufeng1, HUO Yan2, ZOU Gaowan2

(1.The 713th Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Zhengzhou 450015, China; 2.College of Aerospace and Civil Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001,China)

To study the ceiling jet flow characteristics of a flat space in case of fire, experiments and numerical simulations were conducted in a flat space with length of 15 m, a width of 11 m, and a height of 4.6 m. For the ceiling jet flow induced by the heat at a release rate of 100～500 kW, the effects of forced ventilation on the temperature of ceiling jet flow were analyzed. Findings indicate that ventilation, obstructions, and door openings in a space disturb the temperature of the ceiling jet flow. The effect of ventilation on the cooling of the ceiling jet is more pronounced in the fire scene with a heat release rate of less than 200 kW and the area away from the fire source. However, ventilation has no significant effect on the location with the maximum temperature near the ceiling; simultaneously, ventilation fails to change the law that the ceiling jet flow decreases in the form of an approximate exponential but will accelerate the decrease rate of temperature and increase the temperature attenuation coefficient by nearly two times.

flat space; fire; ceiling jet; ventilation; heat release rate of fire source; heat flow field; temperature attenuation

10.11990/jheu.201607041

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.U.20170816.1537.024.html

TU998.1

A

1006-7043(2017)10-1580-07

2016-07-16. < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期：2017-08-16.

國家自然科學基金項目(51676051)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項基金項目(HEUCF160201).

張宏(1980-)，男，高級工程師；霍巖(1980-)，男，副教授.

霍巖，E-mail：huoyan205@126.com.