水平火災實驗爐試驗與模擬分析

陳榮淋

(華僑大學 土木工程學院， 福建 廈門 361021)

為提高建筑結構的耐火性能，很多學者針對建筑結構火災開展了大量的理論及試驗研究.主要依靠火災實驗爐模擬建筑火災高溫場景，將建筑結構的構件置于火災實驗爐內進行試驗[1-4].建造火災實驗爐需要有一定的技術及經濟門檻，火災試驗也需要耗費大量的人力和物力，在很多條件不具備的情況下就難以開展火災試驗.隨著計算機技術的發展，數值模擬為建筑結構的火災研究提供了新的方法.火災模擬中常用的火災動力學模擬軟件(FDS)[5]可以很好地模擬多種建筑火災場景,還可以得到一些在試驗中難以測量的參數，如火場中任意位置、任意時刻的溫度、煙氣流動速率及方向、爐室內整體溫度場分布等.利用這些火災參數可以對建筑結構耐火性能進行更加全面的研究，如通過FDS模擬得到結構在火災中任意時刻的溫度場分布，用于非均勻溫度場下的結構熱力耦合分析[5-6].段進濤等[7]提出改進熱平衡法用于FDS模擬燃油式火災實驗爐，模擬爐溫曲線與設定爐溫曲線一致，說明FDS可以有效地模擬燃油式火災實驗爐.使用FDS模擬火災實驗爐，對試驗試件進行火災模擬，可得到類似于真實火災實驗爐中的結構溫度場，試件的溫度場數據可用于結構的溫度場分析和熱力耦合分析[5-6].

目前，各研究機構建造的火災實驗爐大多采用天然氣為燃料.相對于燃油(0#柴油)，天然氣具有無需存儲設備、可直接從市政燃氣管道內獲取、燃燒充分、火焰溫度更高、產生的污染更少等優點[8-9].因為天然氣的主要成份為甲烷，雜質較少，在燃燒機內無需像燃油一樣經歷液化-汽化的過程，可直接與空氣混合后發生燃燒[10-12]，所以燃燒效率也更高.華僑大學建造的兩座火災實驗爐(水平爐和垂直爐)[13-14]均使用一體式燃燒機，以天然氣為燃料.本文以改進熱平衡法為理論基礎，采用FDS模擬華僑大學的水平爐進行雙向板火災試驗的過程.

1 火災實驗爐

華僑大學抗火實驗室的水平爐技術指標符合國家標準GB/T 9978.8-2008《建筑構件耐火試驗方法》[15]的要求，設計爐溫曲線為ISO 834的標準火災升溫曲線.水平爐的爐內凈尺寸為6.0 m(長)×4.5 m(寬)×1.8 m(高)，爐壁厚度為400 mm，采用中空的雙層鋼板結構.爐室內爐壁表面鋪設兩層防火棉，以減少熱量散失并保護爐壁不會被爐內高溫損壞.水平火災實驗爐結構，如圖1所示.

(a) 爐室內部結構 (b) 爐室三維結構圖1 水平火災實驗爐結構Fig.1 Structure of horizontal fire test furnace

(a) 平面圖

(b) 左立面圖 (c) A-A剖面圖 圖2 水平爐的爐室結構圖(單位：mm)Fig.2 Structure chart of horizontal furnace (unit: mm)

水平爐的爐室結構圖，如圖2所示.水平爐的燃燒系統主要由14臺以天然氣為燃料的一體式燃燒機組成.每臺燃燒機的額定熱功率為280 kW，燃燒機將天然氣和空氣在燃燒機腔內混合均勻后，從噴嘴中噴射出火焰，為火爐升溫提供熱量，額定功率下火焰長度約為1 m.

在爐室內部布置12個S型陶瓷熱電偶，用于監測爐溫，并將平均爐溫反饋給爐溫控制系統.爐溫控制采用由計算機自主控制的模糊控制系統，該控制系統可以根據實時爐溫數據與設定爐溫曲線，動態控制爐溫，爐溫控制效果較好，被廣泛應用于各大高校和研究機構中[8-9].模糊控制系統[8]的原理是基于實時測定的爐溫偏差和爐溫偏差率，并以此作為爐溫控制的自變量控制燃燒機的輸出熱功率，使爐溫按照設定的升溫曲線升溫.當爐溫高于設定升溫曲線時，爐溫控制系統會將某個或某幾個燃燒機熄火以降低爐內熱功率，使爐溫降低到設定值.由于熱功率改變不會立刻反映在爐溫曲線上，關閉燃燒機的數量和時間要根據爐溫偏差和爐溫偏差率而定，這種調節方式會使爐溫比較穩定.當爐溫低于設定升溫曲線時，爐溫控制系統調節方式類似.水平爐的加載系統包括1個1 000 kN豎向加載千斤頂和4個水平側向反力架，并配備500個用于模擬混凝土樓板豎向均布荷載的200 N配重塊.在此次雙向混凝土樓板火災試驗中，使用荷載塊模擬樓板受到的均布荷載.

在對建筑構件進行耐火試驗時，剪力墻和柱通常置于爐室內部，構件單面或多面受火；梁和板通常置于爐室頂部，構件底面受火.試驗試件為置于爐室頂部的雙向混凝土樓板，在底面受火的同時作為封閉爐室的蓋板.雙向混凝土板火災試驗,如圖3所示.

實驗爐的升溫曲線采用建筑火災研究中常用的ISO 834的標準火災升溫曲線，試驗總時長為210 min.試驗過程中,爐內熱電偶測點的溫度(θ)-時間(t)曲線,如圖4所示.由于燃燒機在長期使用過程中出現老化現象，試驗過程中有部分燃燒機出現故障，爐溫曲線略低于所設定的ISO 834的標準火災升溫曲線.由圖4可知：實驗爐溫最高達到1 000 ℃，其升溫趨勢與ISO 834的標準火災升溫曲線基本一致.在停火時，樓板的跨中撓度達到261.4 mm，表面裂縫達到5 mm.由于火災實驗爐的爐溫曲線和設定ISO 834的標準火災升溫曲線有一定的差別，所以試驗中樓板的耐火時間為非標準升溫曲線下的耐火時間，可通過等效曝火時間的原理[10],將其換算為標準升溫曲線下的耐火時間.

圖3 雙向混凝土板火災試驗 圖4 爐內熱電偶測點的溫度-時間曲線 Fig.3 Two-way concrete Fig.4 Temperature-time curves of slab fire test thermocouple in the furnace

2 火災實驗爐模擬與分析

2.1 FDS模型及模擬參數

使用FDS模擬火災實驗爐時，在FDS中建立與實際火爐尺寸相同的三維模型，在相同的位置布置燃燒機噴嘴和排煙孔道.與實際火爐所用的燃燒機相似，FDS模擬的燃燒機也需要設置合適的燃料和空氣的輸入，燃料燃燒為火爐提供熱量，使火爐內部升溫.真實火爐的爐溫控制采用模糊控制系統，由計算機基于實時爐溫偏差及爐溫偏差率，通過控制某個或某幾個燃燒機的啟閉，動態調整燃燒機總的輸出熱功率.然而，在FDS軟件中難以實現這樣的控制，因此，根據FDS模擬燃油式火災實驗爐使用的改進熱平衡法[7]，基于設定的爐溫曲線，預先計算出任意時刻每個燃燒機消耗的天然氣和空氣的量，作為FDS的輸入參數.天然氣的主要成分是甲烷(CH4)，其在燃燒機腔內與空氣充分混合后從燃燒機噴嘴中噴出混合氣體，電子點火器點燃混合氣體，在爐室內燃燒.為了充分利用燃料，通過燃燒機的進風口注入足量的新鮮空氣，空氣的過量系數為1.15[7].甲烷充分燃燒的化學方程式為CH4+2O2=2CO2+2H2O,由此可知：甲烷與氧氣反應的質量比為1∶4；由于空氣中氧氣的質量分數為23%，空氣的過量系數取為1.15，所以,空燃比為20∶1.

改進熱平衡法[7]的原理是火爐內部在任意時刻都處于熱平衡的狀態，即火爐內部天然氣燃燒提供的熱量Q1等于爐壁吸收的熱量Q2和煙道排出的煙氣帶走的熱量Q3之和.如在t時刻，設計火爐內溫度為Tt，內部產生的熱量為Q1t，爐壁吸收的熱量為Q2t，煙氣帶走熱量為Q3t，則Q1t=Q2t+Q3t.改進熱平衡法[7]主要是對燃油生成熱的計算公式和煙氣帶走熱量的計算提出改進計算方法.而天然氣燃燒效率很高，不存在燃燒不充分的問題.在模擬天然氣為燃料的火爐時，天然氣燃燒生成的熱量Q1無需按照改進熱平衡法進行計算，可直接按照燃燒熱計算公式計算，即

Q1=B·Qyd.

(1)

式(1)中：B為天然氣的消耗速率；Qyd為天然氣的燃燒熱，標準大氣壓下取49.606 MJ·kg-1.

Q2=S2w·q2w+S2c·q2c.

(2)

式(2)中：S2w為火爐內爐壁的面積，S2w=39.96 m2；q2w為水平爐爐壁散熱的熱流密度，由于實際水平爐的內壁表面鋪設了防火棉，具有較好的隔熱性能，通過爐壁散失的熱量很少，相對于天然氣的燃燒生成熱可以忽略不計，所以在計算爐壁吸收熱量時，q2w取0；S2c為火爐內頂板、底板的面積，S2c=59.40 m2；q2c為火爐蓋板和底板的不穩態散熱的熱流密度,計算式為

(3)

(4)

式(3),(4)中：b為熱惰性系數；Δθ1為計算時刻溫度和初始溫度(20 ℃)的溫差；t為加熱時間；λ為導熱系數，取5.581 kJ·(m·h· ℃)-1；ρ為火爐蓋板和底板的密度，均取2 350 kg·m-3；c為比熱容，取0.842 kJ·(kg·℃)-1.

根據改進熱平衡法[7]，通過質量守恒定理計算水平爐中高溫煙氣帶走的熱量Q3，即

Q3=B·(α+1)·cs·Δθ2.

(5)

式(5)中：α為空燃比，取20；cs為水平爐排出高溫煙氣的比熱容，取1.099 kJ·(kg·℃)-1；θ2為排出爐體的高溫煙氣與周圍環境(20 ℃)的溫差.

解方程組(1)～(5)，可得當爐室內的溫度按照真實實驗爐內的升溫曲線升溫時，天然氣在整個火災模擬過程中的消耗速率B，如圖5所示.根據空燃比計算出空氣的消耗速率，將天然氣和空氣的消耗速率作為參數，輸入FDS計算模型中，通過FDS模型中設置的噴嘴(NOZZEL)噴出火焰.FDS模擬的水平爐模型，如圖6所示.

圖5 天然氣消耗速率 圖6 FDS模擬的水平爐模型Fig.5 Natural gas consumption rate Fig.6 FDS model of horizontal furnace

2.2 模擬與結果分析

為驗證FDS模擬真實水平爐火災試驗的準確性，以實際實驗爐溫曲線作為FDS模擬的目標升溫曲線，利用改進熱平衡法計算天然氣和空氣的消耗速率，創建FDS模型模擬雙向混凝土樓板在水平爐中的試驗過程.FDS模擬火災實驗爐溫度曲線，如圖7所示.

由圖7可知：FDS模擬的爐溫曲線與實驗爐溫曲線基本吻合，最終誤差為2.2%(22 ℃)，說明FDS可以有效地模擬火災實驗爐內的火災場景.FDS模擬的爐溫曲線相對于實驗爐溫曲線更加穩定，這是因為相對于真實水平爐，FDS模型更加理想化，實際火爐在試驗過程中的漏煙和燃燒機故障現象在FDS模擬中都不存在.熱平衡法計算通過混凝土樓板散熱的熱流密度時，沒有考慮混凝土樓板中水分蒸發對爐溫的影響，實際樓板散熱的熱流密度大于計算值.因為模擬中忽略了混凝土樓板中水分蒸發會帶走部分熱量，所以FDS模擬爐溫在火災初期高于實驗爐溫.在火災后期，當混凝土樓板內的水分蒸干后，水分蒸發對爐溫的影響消失，實驗爐溫最終與模擬爐溫接近.

通過FDS對火爐的模擬還可了解火爐內部的溫度場分布和爐室內部的溫度云，如圖8所示.由圖8可知：爐室內煙道口的溫度高出爐室內其他區域的溫度.在爐室內溫度趨于穩定后，煙道口的溫度高于平均爐溫約87 ℃，并一直保持高于平均爐溫的趨勢(圖7).這是因為在火災實驗爐內，天然氣燃燒產生的高溫煙氣最終都要從煙道口排出爐室，高溫煙氣會高速地從煙道口通過，導致煙道口的溫度波動比較劇烈.因此，相對于爐室的其他區域，煙道口所受到的熱對流和熱輻射也相對更多，煙道口的溫度往往更高，更容易被損壞.在華僑大學水平火災實驗爐使用過程中，煙道口頻繁的損壞也印證了這一點.

圖7 FDS模擬火災實驗爐溫度曲線 圖8 FDS模擬爐室內溫度云圖 Fig.7 Furnace temperature curve Fig.8 Furnace temperature contour simulated by FDS simulated by FDS

為了分析和計算方便，通常認為火災實驗爐內是均勻溫度場，爐內各區域的溫度相同，試件處于均勻溫度場中，試件內的溫度場也是均勻溫度場.因此,將混凝土樓板的受熱問題簡化為一維傳熱問題.模擬結果顯示，樓板在火災實驗爐內所受火災為非均勻溫度場火災，樓板受火面的溫度云圖,如圖9所示.

由圖9可知：在靠近噴嘴噴出火焰區域的溫度明顯高于其他區域的溫度，這主要是因為靠近火焰的區域受到的熱輻射和熱對流更加強烈，所以，該區域的溫度也會較高.在試驗過程中，不同位置的熱電偶測點升溫曲線也不同，靠近燃燒機噴出火焰位置的測點溫度明顯更高(圖4)，這一試驗現象與模擬結果相吻合.

模擬火爐中各測點的升溫曲線,如圖10所示.當需要對非均勻溫度場下結構分析進行研究時，通過傳統的火災實驗爐很難測得整體結構的溫度場數據，而FDS數值模擬則可以解決這一難題.

圖9 樓板受火面的溫度云圖 圖10 模擬火爐中各測點升溫曲線 Fig.9 Temperature contour of slab fire side Fig.10 Simulation temperature of each thermocouple in the furnace

3 結論

基于改進熱平衡法，使用FDS對混凝土樓板火災試驗過程進行模擬，研究水平爐內部的溫度場分布，驗證FDS模擬火災實驗爐的準確性，主要得到以下3點結論.

1) 通過改進熱平衡法計算天然氣供應速率來控制燃燒機的輸出熱功率，可以使FDS按照設定的升溫曲線模擬真實火災實驗爐，模擬平均爐溫與試驗平均爐溫最終誤差為2.2%(22 ℃).

2) 水平爐內的高溫煙氣高速進入煙道，煙道口區域受到的熱對流和熱輻射較強，煙道口的溫度高于平均爐溫約87 ℃.因此，煙道與爐墻連接區域的設計耐火極限應高于平均爐溫，否則，煙道口容易因溫度過高而發生損壞.

3) 火災實驗爐內各熱電偶測點的升溫曲線不同，說明火災實驗爐內為非均勻溫度場，這與FDS模擬結果相吻合，通過FDS模擬可以得到火災實驗爐內部及樓板受火面的非均勻溫度場數據.在使用有限元軟件對混凝土板進行數值模擬時，可以考慮引入FDS模擬的溫度場數據來研究非均勻溫度場對混凝土板力學性能的影響.