基于FDS的細(xì)水霧噴霧壓力對(duì)滅食用油火的數(shù)值模擬研究

麻曉敏 趙 壽

(中國(guó)鐵路太原局集團(tuán)有限公司太原鐵路地產(chǎn)置業(yè)有限公司 山西 太原 030000)

引言

2008年11月，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，發(fā)布了最新版的GB/T 4968-2008《火災(zāi)分類》推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1]，規(guī)范在前言部分明確指出根據(jù)ISO 3941：2007中的定義，增加了F類火災(zāi)，F(xiàn)類火災(zāi)明確與普通B類液體類火災(zāi)區(qū)別，定義為烹飪器具內(nèi)的烹飪物火災(zāi)。Zhigang Liu[2]在商業(yè)廚房模型范圍內(nèi)做了一系列的全尺寸實(shí)驗(yàn)，證明了細(xì)水霧滅火系統(tǒng)能有效地?fù)錅缡秤糜突穑€能在很大程度上防止其復(fù)燃。

在火災(zāi)抑制過(guò)程中，細(xì)水霧自身霧特性對(duì)滅火有效性的影響還待進(jìn)一步研究，為今后細(xì)水霧用于廚房環(huán)境中[3]食用油火的撲滅提供科學(xué)的依據(jù)和參考。本研究通過(guò)數(shù)值模擬改變細(xì)水霧噴霧壓力，研究其對(duì)滅火效率影響，在有效性基礎(chǔ)上尋找最經(jīng)濟(jì)的噴霧壓力。

一、FDS數(shù)值模型和方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

(一)建立數(shù)值模型

房玉東[4,5]等利用細(xì)水霧發(fā)生系統(tǒng)以及溫度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了細(xì)水霧撲滅食用油火的全尺寸模擬實(shí)驗(yàn)。借鑒房玉東全尺寸火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)，利用FDS數(shù)值模擬軟件建立模型，利用實(shí)驗(yàn)已經(jīng)獲得的熱釋放速率隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證FDS數(shù)值模型。在經(jīng)驗(yàn)證的模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步基于FDS數(shù)值模型研究細(xì)水霧噴霧壓力參數(shù)對(duì)撲滅食用油火的影響。

為了有利于確定計(jì)算區(qū)域和方便劃分網(wǎng)格，模型的規(guī)模為3m×3m×3m。如圖1為根據(jù)全尺寸實(shí)驗(yàn)建立的細(xì)水霧數(shù)值模擬模型。

圖1 實(shí)體模型以及測(cè)點(diǎn)及切片的設(shè)置

數(shù)值模型中熱電偶溫度測(cè)點(diǎn)，以及細(xì)水霧噴頭布置的位置和距離與房玉東實(shí)驗(yàn)完全一致，只是進(jìn)行了一些必要簡(jiǎn)化，例如，外壁為惰性材料，傳熱系數(shù)很小且不會(huì)燃燒，空氣流速為0。在燃料庫(kù)中新建了菜籽油，本模擬中以菜籽油作為燃料。

(二)網(wǎng)格劃分

釆用FDS對(duì)火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，網(wǎng)格是最小計(jì)算單位，網(wǎng)格尺寸是決定計(jì)算準(zhǔn)確性以及計(jì)算時(shí)間的關(guān)鍵因素，如果網(wǎng)格精細(xì)度不夠，會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，而網(wǎng)格劃分較小，又會(huì)使得時(shí)間步長(zhǎng)縮短，計(jì)算時(shí)間增長(zhǎng)[6,7]。在FDS中通常采用無(wú)量綱量來(lái)評(píng)估求解區(qū)域網(wǎng)格的好壞，其中：

D*——火災(zāi)特征直徑；

ρ0，T0——環(huán)境密度和環(huán)境溫度；

Cp——定壓比熱；

g——重力加速度。

因此根據(jù)上面公式的計(jì)算結(jié)果然后綜合評(píng)估電腦性能和計(jì)算速度，最后設(shè)定網(wǎng)格的尺度為0.075m×0.075m×0.075m，網(wǎng)格總數(shù)約為64000。如圖2所示為網(wǎng)格劃分分布圖。

圖2 網(wǎng)格劃分分布圖

(三)測(cè)點(diǎn)及溫度切片的設(shè)置

根據(jù)所建模型以及細(xì)水霧噴頭和熱電偶的布置位置，選擇以對(duì)稱中心設(shè)置溫度切片，用以觀察火災(zāi)燃燒時(shí)該平面上的溫度變化，由于對(duì)稱性，此切片最能全面反應(yīng)火焰的溫度變化情況。

(四)火災(zāi)模擬驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比

根據(jù)房玉東所做的實(shí)驗(yàn)所得到的熱釋放速率隨時(shí)間變化的數(shù)值模擬結(jié)果，如圖3所示。可以看出在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，其火源功率迅速上升，最大值約為250kW，隨后，隨著細(xì)水霧噴淋滅火的開(kāi)啟，對(duì)火災(zāi)產(chǎn)生抑制作用，其熱釋放速率逐漸下降。

圖3 全尺寸實(shí)驗(yàn)中熱釋放速率隨時(shí)間變化曲線

根據(jù)上述數(shù)值模型利用FDS數(shù)值模擬所得到的熱釋放速率隨時(shí)間變化的結(jié)果，如圖4所示。可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的圖形趨勢(shì)吻合得很好，只是峰值大小有偏差，F(xiàn)DS數(shù)值模擬所得到的熱釋放速率最大值約為180kW。原因可能是由于在全尺寸實(shí)驗(yàn)當(dāng)中有煙罩，煙罩的抽吸作用可以加強(qiáng)燃燒；在全尺寸實(shí)驗(yàn)中使用的是ISO 9705全尺寸多功能熱釋放速率測(cè)試儀，實(shí)驗(yàn)中必定有誤差存在，F(xiàn)DS數(shù)值模擬的模擬結(jié)果的監(jiān)測(cè)完全在理想環(huán)境中，進(jìn)行了理想化的簡(jiǎn)化處理。

圖4 FDS數(shù)值模擬熱釋放速率隨時(shí)間的變化規(guī)律

二、細(xì)水霧自身霧特性對(duì)滅食用油火效率的影響

上述利用全尺寸實(shí)驗(yàn)對(duì)FDS計(jì)算模型和方法進(jìn)行驗(yàn)證之后，確定了本數(shù)值模型模擬細(xì)水霧撲滅食用油火的可靠性。

接下來(lái)基于此數(shù)值模型，研究細(xì)水霧噴霧壓力對(duì)滅食用油火有效性的影響[8-10]：

研究噴霧壓力對(duì)細(xì)水霧滅食用油火的影響。選取三種不同的噴霧壓力：1MPa、1.5MPa、2MPa。

(一)細(xì)水霧噴霧壓力對(duì)滅食用油火效率的影響

如圖5所示為不同壓力情況下細(xì)水霧撲滅食用油火，熱釋放速率隨時(shí)間的變化曲線。可以看出，三種情況下的火災(zāi)熱釋放速率均呈現(xiàn)瞬間增大，逐漸下降的過(guò)程，并且整體趨勢(shì)相差不大。

圖5 不同噴霧壓力下熱釋放速率隨時(shí)間變化曲線

在細(xì)水霧剛開(kāi)始作用時(shí)，熱釋放速率都有一個(gè)明顯的下降，而后趨于平緩。在前期40s時(shí)間內(nèi)，三種噴射壓力對(duì)熱釋放速率的影響基本重合，后期不同壓力出現(xiàn)不同程度的振蕩。噴淋壓力為2.0mpa時(shí)，其熱釋放速率曲線震動(dòng)幅度最大，說(shuō)明火場(chǎng)最不穩(wěn)定。火災(zāi)進(jìn)行至大約100s，細(xì)水霧噴頭壓力為2.0mpa時(shí)的火災(zāi)熱釋放速率基本降為0kW，而細(xì)水霧噴頭壓力為1.0MPa、1.5MPa時(shí)的火災(zāi)熱釋放速率下降到約為40kW。說(shuō)明壓力越大，其對(duì)火源的熱釋放速率抑制效果越明顯，壓力越大，火場(chǎng)也越不穩(wěn)定。

如圖9和所示為不同壓力情況下，細(xì)水霧撲滅食用油火災(zāi)模擬的溫度隨時(shí)間變化曲線。可以看出，三種情況下的溫度變化趨勢(shì)均呈現(xiàn)瞬間增大，逐漸下降的過(guò)程，并且整體趨勢(shì)相差不大。同時(shí)，通過(guò)距火源高度0.2m溫度變化趨勢(shì)可以看出，隨著壓力的不斷增大，溫度下降時(shí)間逐漸靠前，說(shuō)明隨著細(xì)水霧噴頭壓力的增大，會(huì)在一定程度上縮短滅火時(shí)間。但是，1.5MPa和2.0MPa溫度隨時(shí)間曲線已經(jīng)基本重合，而且1.5MPa時(shí)的時(shí)間曲線更加平穩(wěn)，滅火效果的提高與壓力的增大相比已無(wú)經(jīng)濟(jì)性可言，所以噴霧壓力為1.5MPa是合適的選擇。

圖6 距火源0.2m溫度隨時(shí)間變化曲線

如圖7、圖8所示為不同壓力情況下細(xì)水霧火災(zāi)模擬的溫度隨時(shí)間變化分布圖。可以看出，在20s和40s時(shí)刻下，噴霧壓力越大，對(duì)火災(zāi)的抑制越迅速。

圖7 噴霧壓力1.5MPa工況溫度分布

圖8 噴霧壓力2.0MPa工況溫度分布

對(duì)比兩種噴霧壓力下的溫度云圖，在60s和80s時(shí)刻，噴霧壓力為1.5MPa和2.0MPa時(shí)的溫度云圖最高溫度已經(jīng)趨近，再一次說(shuō)明噴霧壓力為1.5MPa時(shí)，已經(jīng)達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的撲滅食用油火的工況。

三、結(jié)語(yǔ)

利用房玉東細(xì)水霧撲滅食用油火的全尺寸實(shí)驗(yàn)，基于FDS火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬器對(duì)數(shù)值模型可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，然后在此經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的模型基礎(chǔ)之上，模擬了噴霧壓力對(duì)滅火效率的影響，得出最經(jīng)濟(jì)有效的噴霧壓力，如下：

(1)細(xì)水霧作為一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的滅火劑可以用來(lái)?yè)錅缡秤糜突穑苓_(dá)到完全滅火效果，對(duì)于廚房等食用油火易發(fā)區(qū)域且潔凈度要求較高的場(chǎng)所是最佳選擇之一，可發(fā)展簡(jiǎn)易細(xì)水霧滅火設(shè)備用來(lái)?yè)錅缡秤糜突穑?/p>

(2)噴霧壓力增大，會(huì)提高滅火效率，使滅火時(shí)間縮短。但是增大到一定數(shù)值之后，對(duì)滅火效率的貢獻(xiàn)率就會(huì)打折扣，在考慮經(jīng)濟(jì)性的條件下，從本模擬結(jié)果得出噴霧壓力為1.5MPa時(shí)，滅火效率和經(jīng)濟(jì)性都達(dá)到很高的水平。