頂部開口對起火房間熱釋放速率影響的數(shù)值模擬

劉 楊，張紅偉，李 強

1.內(nèi)蒙古自治區(qū)消防救援總隊，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070； 2.滄州市消防救援支隊，河北 滄州 061000；3.中國人民警察大學 教務處，河北 廊坊 065000

0 引言

當起火房間存在頂部開口時，頂部開口與側(cè)壁開口相互耦合會對起火空間的氣體流動規(guī)律產(chǎn)生影響，進而影響火災發(fā)展進程。與僅有側(cè)壁開口起火房間采用中性面分析氣體流動模式不同，頂部開口流動模式更為復雜[3]。研究表明，頂部開口流動模式與開口厚度(L)和開口直徑(D)的比值相關(guān)。通過模擬試驗研究，Mercer等發(fā)現(xiàn)L/D在3.5～18時，頂部開口的交換流量隨著L/D的增大反而減小[4]。Epstein用Froude數(shù)表示交換流量，并給出4個Froude數(shù)與L/D的經(jīng)驗公式，以及單向溢出流流率的經(jīng)驗公式[5]，奠定了水平開口流動研究的基礎。Cooper采用壓力和浮力驅(qū)動相結(jié)合的分析模型，發(fā)現(xiàn)冷熱氣體的無量綱交換量接近一個常數(shù)[6]。Wakatsuki進行頂部開口腔室內(nèi)乙醇油火試驗研究，隨著開口變化觀察到三種火災狀態(tài)：缺氧自熄、不穩(wěn)定脈動和穩(wěn)定燃燒[7]。

頂部開口流動模式的復雜變化規(guī)律會與側(cè)壁開口流動相互作用，使得揭示此類受限空間火災發(fā)展規(guī)律非常復雜。隨著人們對居住和使用環(huán)境舒適性的不斷追求，天窗等頂部開口結(jié)構(gòu)廣泛應用于建筑空間。建筑空間作為一種獨特的受限空間，其火災研究的邊界條件具有一定應用價值。如：頂部開口厚度遠小于開口直徑，側(cè)壁開口高度和寬度相同，火場溫度一般在200～1 000 ℃等，均利于揭示頂部開口對室內(nèi)火災發(fā)展的影響規(guī)律。本文對同時具有頂部和側(cè)壁開口起火房間的熱釋放速率進行研究，為建筑空間消防工程設計提供依據(jù)。

1 模型建立與場景設計

1.1 FDS軟件

火災動力學模擬工具FDS是采用數(shù)值方法求解一組描述熱驅(qū)動的低速流動Navier-Stokes方程的計算模型，可用于計算火災煙氣流動和熱傳遞過程。對于本文所涉及的同時具有頂部和側(cè)壁開口起火房間，其發(fā)展過程主要受控于開口流體流動的影響，適于采用FDS進行研究。

1.2 模型建立

同時具有頂部和側(cè)壁開口房間模型如圖1所示，其內(nèi)尺寸為2.5 m×1.6 m×1.7 m，4個側(cè)壁和頂部壁厚均為0.1 m，材料導熱性設為絕熱。側(cè)壁開口靠底部居中設置在1.6 m×1.7 m一側(cè)壁面，在房間頂部中央處設置一正方形水平開口。火源為邊長0.4 m的正方形，設置在側(cè)壁開口對面的地面中心線，一側(cè)貼鄰側(cè)壁。溫度測點設置在側(cè)壁開口與頂部開口邊緣的中心線。

圖1 房間模型示意圖

1.3 獨立性分析

FDS模擬結(jié)果的準確性受網(wǎng)格數(shù)影響。通常情況下，網(wǎng)格數(shù)越多計算結(jié)果越準確，但其運行所需時間也會大幅增加。因此，在考慮計算結(jié)果精確性的同時必須考慮計算機運行能力。本文采用折中方法，選取不同比例網(wǎng)格，考察其測量結(jié)果，如果兩種網(wǎng)格運行結(jié)果相近，數(shù)據(jù)收斂基本一致，則可認為所選網(wǎng)格合適。如表1所示，采用特征火焰尺寸的1/8～1/12進行網(wǎng)格獨立性分析，火源選擇熱釋放速率1 800 kW·m-2、燃燒面積0.25 m2的固體，側(cè)壁開口尺寸為0.6 m×0.6 m。由不同網(wǎng)格尺寸下溫度變化情況可知，場景MESH5的網(wǎng)格相比場景MESH1的網(wǎng)格較為精細，其模擬結(jié)果更具有代表性。因此，選定場景MESH5對應的網(wǎng)格作為模擬網(wǎng)格設定。

表1 獨立性分析網(wǎng)格設置

1.4 場景設計

火源位置、開口位置見圖1，火源熱釋放速率設為恒定值426 kW·m-2。為研究頂部開口與側(cè)壁開口的耦合影響關(guān)系，選取不同開口尺寸設定模擬場景，如表2所示。

表2 模擬場景及熱釋放速率

表2(續(xù))

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 無頂部開口場景

從圖2可以看出，對于無頂部開口場景，熱釋放速率呈現(xiàn)出兩種不同變化規(guī)律。如圖2(a)所示，對于側(cè)壁開口較小的模擬場景，熱釋放速率會在短時間內(nèi)迅速升高，隨后下降到近似為0。模擬場景A、B、C曲線基本重合，模擬場景D快速下降后呈現(xiàn)出一定程度振蕩，最終降至近似為0。這說明，由于火源遠離側(cè)壁開口，通過較小側(cè)壁開口流入的新鮮空氣難以到達燃燒區(qū)域，導致后期火焰熄滅。如圖2(b)所示，對于側(cè)壁開口較大的模擬場景，熱釋放速率會在短時間內(nèi)迅速升高，之后穩(wěn)定在某一固定值附近振蕩，趨于穩(wěn)態(tài)燃燒狀態(tài)。除場景H平均熱釋放速率(424.12)接近火源熱釋放速率設定值外，其余場景熱釋放速率均小于預設火源熱釋放速率，說明場景均處于通風控制階段。

通過開口處煙氣溫度可以更直觀地觀察到房間內(nèi)火焰變化趨勢。圖3和圖4選取的是幾種典型模擬場景的溫度切片。可以看出，側(cè)壁開口處煙氣流動呈現(xiàn)雙向流動和單向流動兩種形式。如圖3所示，場景A在火焰未熄滅時，火焰主要集中在開口處，氣體流動形式以向外單向流動和向內(nèi)單向流動為主，未出現(xiàn)雙向流動現(xiàn)象，火焰熄滅后，冷熱氣體的交換主要集中在房間外，可認為外界冷空氣無法進入房間。圖4所示為側(cè)壁開口稍大的模擬場景C、D、E，隨著通風因子的增大，開口處氣體流動形式從單向流動轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向流動，其混合區(qū)域也逐漸變大，并且出現(xiàn)游離火和溢流火現(xiàn)象。

(a)較小側(cè)壁開口

2.2 側(cè)壁開口的影響

如圖5所示，對于無頂部開口場景，火災熱釋放速率隨側(cè)壁開口通風因子(WH3/2)的增大而增加，二者近似成線性關(guān)系，這與前人研究結(jié)果一致。然而，隨著頂部開口出現(xiàn)，火災發(fā)展的基礎水平(即側(cè)壁開口較小場景的平均熱釋放速率)顯著提升。與無頂部開口場景相比，在頂部開口尺寸為0.1 m×

圖3 場景A的溫度切片

圖4 側(cè)壁開口尺寸較大場景的溫度切片

0.1 m、0.15 m×0.15 m，側(cè)壁開口尺寸為0.2 m×0.2 m兩個場景中，HRR提升了近2倍，說明頂部開口的出現(xiàn)促進了新鮮空間的流入，增強了火勢。在所有頂部開口場景中，HRR與WH3/2依然具有一定線性關(guān)系。但隨著頂部開口尺寸的增大，通風因子對火災熱釋放速率的影響程度明顯降低，特別是頂部開口尺寸0.3 m以上的場景，通風因子對HRR幾乎無影響，而僅與頂部開口尺寸相關(guān)。這說明，利用側(cè)壁開口通風因子預測具有頂部開口場景的熱釋放速率依然可行，但需要考慮頂部開口尺寸對HRR～WH3/2關(guān)系式初值和斜率的影響。

圖5 側(cè)壁開口條件對HRR的影響規(guī)律

2.3 頂部開口的影響

如圖6所示，頂部開口尺寸對側(cè)壁開口尺寸較小的場景影響較為明顯。隨著頂部開口尺寸的增加，HRR逐漸增加，最終達到火源HRR預設值，即可能達到最大熱釋放速率。對于通風受限火災，HRR的增加表明進入燃燒區(qū)域的氧氣在增加，頂部開口尺寸的變大使更多空氣進入燃燒區(qū)域，促進火災的發(fā)展。此外，頂部開口尺寸與HRR之間并非良好線性關(guān)系，存在一個臨界開口尺寸使得HRR大幅提升。這說明，對于特定場景，當頂部開口尺寸增加到某一特定數(shù)值時，起火房間開口煙氣流動模式將發(fā)生改變。

圖6 頂部開口條件對HRR的影響規(guī)律

3 耦合開口通風因子的擬合分析

表3 側(cè)壁開口尺寸及對應通風因子

由此可得，無頂部開口房間HRR(y)與側(cè)壁開口通風因子(x)的擬合關(guān)系式為：

y=609.36x+19.1

(1)

當存在0.2 m×0.2 m頂部開口時，房間HRR和側(cè)壁開口通風因子的擬合關(guān)系式為：

y=177.49x+275.72

(2)

最終得到，0.2 m×0.2 m頂部開口場景下折算通風因子與側(cè)壁開口通風因子的關(guān)系，如表4所示。

表4 折算通風因子與關(guān)系

y=0.3192x+0.4106

(3)

通過校正，得出在有頂部開口情況下，通風因子的估算式為：

(4)

式中，As為頂部開口面積。

(a)無頂部開口場景

(b)頂部開口較小(0.2×0.2)場景

為驗證公式的計算精度，對不同頂部開口尺寸下折算通風因子(見表5)與式(4)所得到的估算值(見表6)進行對比分析。可見，在頂部開口為0.1 m×0.1 m和0.15 m×0.15 m時，用式(4)計算出來的估算值與折算通風因子相差很多。分析原因，主要是模擬場景中火源遠離側(cè)壁開口，當側(cè)壁開口尺寸較小時，開口處氣體流動并未呈現(xiàn)出理論上下入/上出的流動模式，外界空氣難以到達燃燒區(qū)域，導致火焰熄滅，這與理論上HRR與WH3/2存在線性關(guān)系相背。因此，估算通風因子明顯高于折算通風因子，在工程應用上會使計算結(jié)果趨于安全。隨著側(cè)壁開口尺寸的增加，通風因子的估算值與折算值逐漸趨于一致。而在頂部開口為0.25 m×0.25 m和0.3 m×0.3 m時，通風因子的估算值與折算值較為相近。可以看出，隨著頂部開口尺寸的增加，較大頂部開口在一定程度上彌補較小側(cè)壁開口帶來的計算誤差，通風因子預測效果得以改善。此時，通風因子計算誤差可能更多來自于復雜耦合開口煙氣流動模式，以及頂部開口煙氣流動對火源燃燒狀態(tài)的影響。式(4)適于燃燒雖處于通風控制條件下，但火焰并未熄滅房間的通風因子估算。

表5 不同頂部開口下折算通風因子

表6 不同頂部開口下式(4)估算的通風因子

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬方法，對頂部和側(cè)壁開口對起火房間熱釋放速率影響進行研究。結(jié)果表明：頂部開口和側(cè)壁開口均會對起火房間的HRR產(chǎn)生影響，且為正相關(guān)。頂部開口會對起火房間通風模式產(chǎn)生影響，進而使HRR與WH3/2的線性關(guān)系發(fā)生改變。通過模擬分析耦合開口對火災熱釋放速率的影響規(guī)律，建立有頂部開口情況與無頂部開口情況的通風因子換算關(guān)系式，得到適于計算同時具有頂部和側(cè)壁開口起火房間通風因子的估算式。本文估算通風因子在一定程度上可以體現(xiàn)頂部開口尺寸對起火房間熱釋放速率的影響規(guī)律，且計算結(jié)果整體趨于安全，因此具有一定工程應用價值。