移動正壓風(fēng)機(jī)風(fēng)場模擬研究

彭城林，梁 強(qiáng)

(中國人民警察大學(xué)，河北 廊坊 065000)

0 引言

火災(zāi)中對人員危害最大的是火災(zāi)產(chǎn)生的高溫有毒煙氣，及時有效地控制火災(zāi)現(xiàn)場的煙氣流動有利于消防救援人員行動的展開，且能大大減少火災(zāi)時的人員傷亡。固定排煙設(shè)施往往因溫度過高(達(dá)到280 ℃)、日常維護(hù)或人為因素等原因無法正常工作，且靈活性較差。移動排煙設(shè)備具有更強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，更能滿足火場實際情況的需要。基于移動排煙設(shè)備的負(fù)壓排煙，往往不能達(dá)到理想效果，而近年興起的正壓送風(fēng)排煙方式，則可以根據(jù)火場實際情況進(jìn)行調(diào)整，有效提高排煙效果[1]。正壓送風(fēng)排煙是在火災(zāi)現(xiàn)場利用移動式排煙機(jī)向著火建筑內(nèi)部送風(fēng)，增大房間內(nèi)部壓強(qiáng)達(dá)到排煙的目的，并能阻止煙氣的進(jìn)一步蔓延。

為了研究移動正壓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的流場能否適用于火災(zāi)模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計算，需要進(jìn)行實驗與模擬的對比驗證。移動正壓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流為氣體淹沒紊流射流，紊流的橫向脈動造成射流與周圍空氣不斷發(fā)生質(zhì)量、動量交換，帶動周圍介質(zhì)流動，同時射流風(fēng)與周圍空氣交換能力也是通過紊流的狀態(tài)實現(xiàn)的，因此只有FDS采用的大渦模型能夠較好地模擬出射流風(fēng)的紊流狀態(tài)，使模擬結(jié)果更接近實際[2]。本文建立了適用于目前各基層中隊普遍配備的移動正壓風(fēng)機(jī)的FDS模型，通過兩類移動正壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行的送風(fēng)實驗，驗證風(fēng)機(jī)模型的有效性，給未來利用FDS進(jìn)行移動式正壓排煙風(fēng)機(jī)的模擬研究提供參考。

1 風(fēng)機(jī)實驗

實驗用于確定不同類型正壓送風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的流場與風(fēng)速，為了在FDS中模擬正壓風(fēng)機(jī)，必須根據(jù)風(fēng)機(jī)本身的各項參數(shù)對FDS進(jìn)行輸入，用以表征正壓風(fēng)機(jī)。實驗是在一個密閉的大空間環(huán)境中，將風(fēng)機(jī)放置于一定高度的支架上(對流量的影響可以忽略不計)，這種布置最大限度地減少了墻壁和門等障礙物對流場的影響。

1.1 實驗條件

實驗于長16.2 m、寬10.8 m、高5 m的房間內(nèi)進(jìn)行，在實驗過程中將門、窗保持關(guān)閉，避免室外風(fēng)對風(fēng)機(jī)的流場產(chǎn)生擾動。搭建1.1 m×1.0 m的鐵絲網(wǎng)格框架，每個網(wǎng)格為0.015 m×0.015 m，四角用鐵釘進(jìn)行加固。在網(wǎng)格中以1號測點為中心對稱共布置19個測點，將黑色幕布網(wǎng)格框架垂直放置，以便為煙氣的流動提供對比背景，增強(qiáng)正壓風(fēng)機(jī)流場的可視化效果，如圖1所示。

圖1 測點布置

所用風(fēng)機(jī)采用目前基層中隊使用較多的兩款正壓風(fēng)機(jī)，即電動風(fēng)機(jī)(EFC120)和機(jī)油風(fēng)機(jī)(HONDAGX160T-E1)進(jìn)行實驗，將風(fēng)機(jī)設(shè)置在1 m的高度，風(fēng)機(jī)葉輪的中心位于網(wǎng)格的中心線上(1號測點)。實驗采用加野KA23熱式風(fēng)速儀。測速范圍為0～50.0 m·s-1，精度為讀數(shù)的0.5%。為了能夠更準(zhǔn)確地測量每個測點的速度，實驗中采取加長探頭，避免由于手、肘部對氣流產(chǎn)生阻礙。

為了在實驗過程中更好地觀察移動正壓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的流場形狀，采用CNI(希愛)MGL-F-532型半導(dǎo)體泵浦固體綠光激光器，為了能夠更加直觀地觀察到移動正壓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的流場，在實驗中加入發(fā)煙器并采取黑色背景。在黑色背景下拍攝照片如圖2所示。

圖2 發(fā)煙器

1.2 實驗內(nèi)容

1.2.1 電動風(fēng)機(jī)

將電動風(fēng)機(jī)放置于高1 m的桌面上，測得其葉輪軸心離地面1.25 m，在距離風(fēng)機(jī)9 m處放置激光器，調(diào)整鏡頭高度，使其與葉輪軸心位于同一高度。開啟激光器，調(diào)整網(wǎng)格框架使得1號測點與風(fēng)機(jī)中心軸平行，如圖2所示；將網(wǎng)格框架分別設(shè)置于距離風(fēng)機(jī)1 m、2.5 m、4 m、5.5 m、7 m處進(jìn)行測速。

開啟風(fēng)機(jī)并以最大速度運(yùn)行一段時間，待其穩(wěn)定送風(fēng)后，利用KA23熱式風(fēng)速儀開始對各個測點進(jìn)行風(fēng)速測量。測量過程中要保持探頭進(jìn)風(fēng)口與送風(fēng)方向垂直，每10 s記錄一次風(fēng)速儀輸出值，每個點持續(xù)1min，最終每個測點取平均值。

1.2.2 機(jī)油風(fēng)機(jī)

將機(jī)油風(fēng)機(jī)放置于0.78 m高度，測得葉輪軸心距離地面1.1 m，調(diào)整網(wǎng)格測點位置，使得1號測點與風(fēng)機(jī)中心軸平行，重復(fù)電動風(fēng)機(jī)實驗過程并記錄數(shù)據(jù)。

1.3 實驗結(jié)果

根據(jù)各個水平距離的測點平均速度整理繪制變化曲線如圖3所示。分析圖3可以看出，實驗條件下測得風(fēng)機(jī)下游流場風(fēng)速均值呈現(xiàn)先增大，在約3.5 m處達(dá)到峰值，之后呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，這與風(fēng)機(jī)的可視化流場十分相近。

圖3 速度變化曲線與可視化流場

移動風(fēng)機(jī)在最高檔位下的控制半徑從風(fēng)機(jī)口開始呈現(xiàn)上升趨勢，在到達(dá)距離風(fēng)機(jī)4 m時控制半徑達(dá)到最大，之后呈現(xiàn)下降趨勢，在距離風(fēng)機(jī)水平距離5 m處到達(dá)波谷，之后又呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，在6 m處到達(dá)波峰，之后呈現(xiàn)下降趨勢。通過繪制的圖表與拍攝的實驗照片(見圖4)對比，發(fā)現(xiàn)根據(jù)數(shù)據(jù)所繪制的正壓式消防移動風(fēng)機(jī)控制半徑變化與實驗所測試的控制半徑變化一致。

2 FDS模型建立

FDS是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)與芬蘭的VTT技術(shù)研究中心合作專為火災(zāi)模擬開發(fā)的軟件。該軟件采用數(shù)值方法求解熱驅(qū)動的低速流動N-S方程，具體數(shù)值方法是空間和時間上具有二階精度的顯式預(yù)測校正算法，主要用于火災(zāi)中煙氣流動和熱傳遞過程的數(shù)值模擬，其結(jié)果準(zhǔn)確性已經(jīng)得到大量實驗的驗證[3]。

圖4 實驗拍攝照片

2.1 模型的不確定性

FDS模型的輸出取決于各種輸入?yún)?shù)和默認(rèn)值，例如計算單元大小，材料屬性，障礙物和通風(fēng)口的設(shè)置等。對于相對簡單的氣流實驗，例如FDS預(yù)測在浮力羽流實驗中測量值的不確定性范圍，如果氣體流速為0.5 m·s-1，實驗不確定度為±0.05 m·s-1，則FDS模型氣體流速預(yù)測也在0.45 m·s-1和0.55 m·s-1之間。在Panindre論述的大規(guī)模火災(zāi)試驗中，發(fā)現(xiàn)FDS溫度預(yù)測在測量溫度的15%以內(nèi)，并且FDS放熱率預(yù)計在測量值的20%以內(nèi)[4]。這些實驗證明如果輸入正確的相關(guān)參數(shù)，F(xiàn)DS就能夠在理想的不確定性范圍內(nèi)對移動正壓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的流場進(jìn)行建模。

2.2 模型建立

2.2.1 注意事項

為了對移動式正壓排煙機(jī)進(jìn)行建模，需要對FDS進(jìn)行域尺寸，計算單元尺寸，模擬持續(xù)時間，通風(fēng)速度，通風(fēng)口幾何形狀，風(fēng)機(jī)幾何形狀，速度切片位置和速度測量點的輸入。

為了使得建立的模型更加切合實驗所用風(fēng)機(jī)，需要考慮許多因素，最重要的是計算單元大小。多次模擬后的結(jié)果表明，網(wǎng)格尺寸大約需要0.025 m，一旦取用的單元網(wǎng)格大于0.028 m，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的流場就變得線性且不準(zhǔn)確[5]。為了便于計算，本次模型的建立采用網(wǎng)格密度為0.02 m。

下一個考慮因素是域大小。移動式正壓送風(fēng)機(jī)在工作時需要保證后方至少1 m范圍內(nèi)無障礙物遮擋。因此在建立模型時如果風(fēng)機(jī)在邊界1 m內(nèi)，無論邊界條件是否為“開敞”狀態(tài)，風(fēng)機(jī)模型都無法較為準(zhǔn)確地產(chǎn)生流場[6]。

FDS軟件中的網(wǎng)格劃分只能是矩形，而移動正壓排煙機(jī)的通風(fēng)口、葉輪旋轉(zhuǎn)以及風(fēng)機(jī)外殼為圓形，因此為了使模型能夠產(chǎn)生適當(dāng)?shù)牧鲌觯枰谧钚卧然A(chǔ)上對風(fēng)機(jī)的通風(fēng)口和機(jī)殼部分進(jìn)行微元化處理，該處理方法使得模擬結(jié)果更加精確。模型與圓柱形接近的程度取決于最小單元格的精度，如果計算機(jī)條件允許，可以令模型的機(jī)殼等部位更加接近圓柱體。

將通風(fēng)口設(shè)置在風(fēng)機(jī)內(nèi)部，位于風(fēng)機(jī)外殼的前端約0.3 m處(如果通風(fēng)口放置在風(fēng)機(jī)的后部或中間，則流動模式將呈線性且不切實際)，與發(fā)動機(jī)和手柄相對。在通風(fēng)口的表面設(shè)置寬度為0.02 m的格柵來模擬移動風(fēng)機(jī)的網(wǎng)格罩。對于模型中發(fā)動機(jī)、風(fēng)機(jī)后部的手柄以及風(fēng)扇軸心的設(shè)置，都是為了產(chǎn)生更加真實的流場，這些設(shè)置影響通過FDS模型中空氣的流動，尤其是發(fā)動機(jī)的設(shè)置會顯著影響流動模式，因此必須將其包含在模型中。最后按照實驗條件設(shè)定速度場切面與測點。將速度場切面設(shè)置在垂直于風(fēng)機(jī)中心的位置和測點所在的各個水平平面，以便更好地觀察流場狀態(tài)[7]。

2.2.2 參數(shù)輸入

根據(jù)上述進(jìn)行實驗的兩種風(fēng)機(jī)尺寸及參數(shù)，在FDS軟件中進(jìn)行同尺寸建模，設(shè)置EFC120電動風(fēng)機(jī)的產(chǎn)生風(fēng)速為17.8m·s-1；HONDAGX160T-E1機(jī)油風(fēng)機(jī)的產(chǎn)生風(fēng)速為15.8m·s-1。

2.3 運(yùn)行結(jié)果

2.3.1 EFC120電動風(fēng)機(jī)

模擬測得在距風(fēng)機(jī)水平距離為1 m、2.5 m、4 m、5.5 m、7 m的平均速度為6.41 m·s-1、7.53 m·s-1、6.53 m·s-1、5.22 m·s-1、4.68 m·s-1。將FDS模型中Y=2.5 m處的Smokeview切片(圖5)與流場可視化實驗中的圖形(圖6)比較可以看出模型產(chǎn)生的流場與實驗風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的流場基本相同。

通過電動風(fēng)機(jī)的實驗和模擬在各個水平距離上的測點速度比較可以看出，在不同距離處的模擬速度場與實驗測得速度場基本相同，如表1所示。同時可以發(fā)現(xiàn)，隨著距離風(fēng)機(jī)水平距離的增加，切面速

圖5 電動風(fēng)機(jī)模型中心切面流場

圖6 電動風(fēng)機(jī)實驗流場

表1 電動風(fēng)機(jī)平均風(fēng)速實驗數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)的比較

度場逐步由中心處為峰值(14 m·s-1)，周邊速度場較小(1 m·s-1)，轉(zhuǎn)變至中心與周邊的速度基本相同(5.5 m·s-1)。

2.3.2 機(jī)油風(fēng)機(jī)

模擬測得在距風(fēng)機(jī)水平距離為1 m、2.5 m、4 m、5.5 m、7 m的平均速度為7.19 m·s-1、7.45 m·s-1、6.07 m·s-1、4.81 m·s-1、4.38 m·s-1。將FDS模型中Y=2.5 m處的Smokeview切片與流場可視化實驗中的圖形(圖7)比較可以看出模型產(chǎn)生的流場與實驗風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的流場基本相同。

圖7 機(jī)油風(fēng)機(jī)模型中心切面流場

測得實驗數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)的平均風(fēng)速比較如表2。通過圖表可以看出，模擬得到的數(shù)據(jù)和實驗測得數(shù)據(jù)平均差異均小于10%，因此可以認(rèn)為建立的機(jī)油風(fēng)機(jī)模型可以很好地進(jìn)行模擬。

表2 機(jī)油風(fēng)機(jī)平均風(fēng)速實驗數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)比較

3 結(jié)語

通過對移動正壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行的全尺寸實驗，研究了風(fēng)機(jī)產(chǎn)生下游流場的特性，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)下游流場的風(fēng)速呈現(xiàn)逐漸衰減的趨勢，在垂直界面上的風(fēng)速變化趨勢，是先緩慢增大后緩慢減小，同時風(fēng)機(jī)的控制半徑從風(fēng)機(jī)口開始逐漸增大，增大到一個波峰又逐漸減小，減小到波谷，開始緩慢增加，增加到第二個個波峰后開始緩慢減小，總體上呈現(xiàn)一個“M”字的形狀。然后使用FDS對實驗風(fēng)機(jī)進(jìn)行建模，為了保證模型產(chǎn)生的下游風(fēng)場模擬的準(zhǔn)確性，通過對空間單元尺寸、網(wǎng)格密度、邊界條件的不斷完善，得出一些普適性結(jié)論：

3.1 多次模擬后的結(jié)果表明，計算單元網(wǎng)格尺寸為0.025 m，一旦單元網(wǎng)格大于0.028 m，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的流場就變得線性且不準(zhǔn)確。

3.2 模擬結(jié)果表明，在建立FDS模型時要保證風(fēng)機(jī)后方1 m內(nèi)無障礙物，使得風(fēng)機(jī)順利地向外界送風(fēng)。

3.3 在對風(fēng)機(jī)內(nèi)部元件進(jìn)行建模時需要注意將通風(fēng)口設(shè)置在風(fēng)機(jī)機(jī)殼內(nèi)部，與發(fā)動機(jī)和手柄相對。由于通風(fēng)口、葉輪旋轉(zhuǎn)以及風(fēng)機(jī)外殼是圓柱形，需要在最小單元精度基礎(chǔ)上對風(fēng)機(jī)的通風(fēng)口和機(jī)殼部分進(jìn)行微元化處理，模型與圓柱形接近的程度取決于最小單元格的精度，該處理方法使得模擬結(jié)果更加精確。這些設(shè)置使得模型產(chǎn)生的流場更接近實際。