不同通風條件下受限空間火溢流模擬研究

張 超,倪 鑫,宋富美

(華北科技學院 安全工程學院,北京 東燕郊 065201)

0 引言

近年來,以受限空間火災為代表的建筑火災事故已成為火災事故的主要組成部分,造成不良的社會影響。火災發生時常伴隨著受限空間內火溢流現象,進而引起建筑物外立面保溫層起火,形成建筑物立體火蔓延現象,造成火災危害的擴大。因此,關于受限空間內火災研究顯得非常重要[1]。

對于受限空間內火災溫度的研究,前人做了大量工作,如:McCaffrey[2]基于能量守恒定律提出了MQH溫度預測公式;Foote[3]補充了強制通風(Forced-ventilation)條件下的溫度數據,進而修正了MQH溫度預測公式;Beylert[4]基于能量守恒且在已知氣流質量流率情況下,提出了溫度預測公式;Delichatsios[5]通過確定燃燒室平均熱損和絕熱情況下最高溫度,建立了燃燒室內處于燃料控制與通風控制階段的溫度模型。針對受限空間開口處火溢流溫度分布,許多學者也提出了較為典型的開口火溢流豎向溫度計算方法。Yokoi[6]利用縮尺寸實驗臺最早開始對開口火溢流豎向溫度的實驗研究,實驗中開口位于受限空間側面頂部,實驗考慮了多種開口尺寸,通過等效半徑的概念提出了開口火溢流豎向溫度模型;Ohmiya等[7]通過對外墻附近火焰高度和熱流密度的研究,建立了開口火溢流豎向熱流密度分布模型;Lee[8]和唐飛[9]等通過實驗對Yokoi提出的溫度分布公式進行了改進。利用數值模擬進行火溢流現象研究的亦不在少數,其中趙國祥[10]通過FDS軟件模擬了通風控制型火災及其外立面火焰特性的預測情況,其模擬結果與理論值能夠較好吻合;亓延軍等[11]利用現場實驗與數值模擬對比的方法最終得到:窗口火溢流的溫度分布、壁面貼附效應、熱釋放速率及小室溫度的數值等均與試驗結果較好地吻合;姜玉曦[12]對Law和K lopovic的實驗進行數值模擬,其模擬結果與Law、K lopovic關于外部燃燒火焰長度、火焰寬度的實驗結果一致。

前人對火溢流的研究主要集中在室內、外火溢流溫度分布規律、火焰特性和貼壁效應等方面[13],而對不同通風條件下,受限空間內可燃物燃燒時溫度、壓力和流速分布變化規律研究的較少。為了更好的掌握不同通風條件對受限空間火災的影響,剖析火災發生時室內溫度分布、煙氣層高度、開口處壓力和流速的分布規律,本文采用FDS數值模擬方法,研究不同過流斷面受限空間火災溫度、壓力、流速的變化,找出通風條件和室內溫度、煙氣層高度、開口處壓力和流速之間的變化規律,為受限空間火災防治與突發火災現場應急處置提供理論支持。

1 受限空間火災模型建立

1.1 火災基本控制方程

受限空間內火災氣體流動遵循流體動力學相關控制方程,即求解熱驅動下的低速流動N-S方程[14]。研究采用FDS(Fire Dynamic Simulation)火災仿真模擬軟件,模擬火災時熱傳遞過程和煙氣流動過程,求解方法為大渦數值模擬(LES),即通過求解某尺度以上所有湍流尺度的運動,適合非穩態過程中出現的大尺度效應的模擬研究,分析計算過程遵循流體力學中的質量方程、動量方程、能量方程和組分方程[15]:

質量方程:

(1)

動量方程:

(2)

能量方程:

(3)

組分方程:

(4)

1.2 受限空間火災模型參數確定

以有2個通風口的倉室為例,假設有易燃物在倉室內存放,易燃物意外起火。模型各構件尺寸大小和參數見表1。

表1 各構件規格尺寸

如圖1(a)所示,在室內中心位置Y=0處設置可燃物,同時監測火源溫度、壓力、速度變化,如圖1(b)所示,距離墻0.2m的角落(測點1)、開口處中心位置(測點2)沿豎直方向設置多個溫度傳感器,其豎向間距為0.1m。測點1傳感器設置優勢:一是與火源保持距離,減少火源燃燒時火焰對溫度測量的影響,二是與左斷面保持距離,以減少調節斷面時風流對溫度測量的影響。實驗設置7個不同的場景見表2,模擬時間設置為1200s。各場景開口角度不同,過流斷面不同,引起的受限空間的通風條件不同。

圖1 模型示意圖

表2 火災場景設置情況

1.3 火災特征參數確定

模擬研究網格尺寸不應大于火災特征直徑的1/10[15],依據公式(5)計算火災特征直徑,確定網格大小。

(5)

模型的火災特征直徑D*為1.44m,模型采取0.1m×0.1m×0.1m尺寸的網格。

2 結果分析

2.1 受限空間內部溫度發展過程

當可燃物燃燒初期,受放熱影響,受限空間內溫度迅速升高。場景1(左開口關閉0°)、場景2(左開口15°)、場景3(左開口30°)時,室內溫度沿豎直方向變化情況如圖2所示。

圖2 過流斷面(0°、15°、30°)時室內不同高度溫度趨勢圖

圖2表明,可燃物燃燒后,室內溫度沿豎直方向迅速升高,從整個升溫過程來看,室內的溫度變化可分為快速上升階段、調整階段、穩定階段三個部分,每個階段經歷的時間略有不同。為了能直觀分析可燃物燃燒時不同時刻溫度變化規律,分析過流斷面(左開口0°、15°、30°,45°以上與30°相似),提取不同時間點Y=0切面的溫度分布圖,如圖3所示。

觀察各場景溫度變化趨勢圖,得出溫度變化規律如下:

(1) 快速上升階段:由于受限空間內原有空氣與火源處產生的熱空氣迅速進行熱交換,氣體受熱后向上流動,如圖2所示,此階段在整個燃燒過程中溫度升高速率最快。

(2) 調整階段:此階段室內溫度先下降后緩慢上升。受限空間內溫度下降主要有兩個原因:一是由于快速上升階段耗氧過多,造成室內短暫的氧氣不足,火源不能完全燃燒,熱釋放功率下降;二是空間開口處發生了氣體交換,含氧較多的冷空氣從開口下部流入,進入室內的新鮮空氣在火焰卷吸和火羽流抬升的共同作用下,被送到上部煙氣層,而室內加熱后的高溫氣體從開口上部流出[16]。在這兩種因素的共同作用下,使得室內溫度在短時間內有所下降。但火源熱釋放功率下降引起燃燒耗氧量減少,新鮮空氣流進室內的速率減少,火源熱輻射升溫作用逐漸加強,使得室內溫度再次緩慢上升[17]。

(3) 穩定階段:受限空間內溫度沒有明顯波動,處于穩定狀態。室內燃燒所需氧氣與開口處進入氧氣的速率相吻合,燃燒生熱的正效應與壁面熱傳遞散失熱量、開口處對流換熱損失熱量等負效應相互抵消,使燃燒達到動態平衡,室內溫度保持穩定。

由圖3可知,受限空間內可燃物燃燒室內溫度變化趨勢呈相似的發展趨勢,因過流斷面的不同,也體現出了個別差異。

(1) 燃燒初起到穩定狀態所需時間不同。室內溫度先下降后上升,在圖3(b)場景2中此階段持續時間比圖3(a)場景1中要短很多。在圖3(c)場景3中,調整階段中的下降現象幾乎可以忽略不計。

(2) 達到穩定階段的分層現象不同,分層現象隨著過流斷面左開口的增大而變的明顯,如圖3(c)分層現象高于圖3(a)(b)。

綜合分析過流斷面左開口7個角度,燃燒初起到穩定狀態所需時間和室內不同高度溫度變化規律均存在差異,如圖4所示。

圖4 不同過流斷面達到穩定狀態所需時間和室內溫度變化圖

(1) 圖4(a)可知,不同通風條件下,隨著左開口角度的增大,室內到達穩定狀態所需的時間減小。究其原因是左開口角度不斷增大,受限空間進風斷面不斷增大,通風條件逐漸變大,單位時間從外部進入受限空間內的氧氣量增多,使室內燃燒反應能夠以更快的速度達到穩定狀態。

(2) 圖4(b)可知,燃燒達到穩定狀態后,室內溫度隨過流斷面的增大總體呈降低趨勢。究其原因是,隨著過流斷面增大,受限空間的通風面積逐漸變大,燃燒所產生的熱量散失加快,散熱使室內整體溫度降低,尤其是底部更明顯。

2.2 受限空間內煙氣層高度變化規律

煙氣層高度一般體現為豎直方向上溫度明顯升高的位置,即溫度變化速率最大的高度?；馂陌l生后,由于熱效應使火源上方空氣溫度升高,密度減小,迅速上升,熱空氣在空間頂部聚集,形成了一個溫度較高的區域,而受限空間下部冷空氣不斷流入,使空間某區域近似出現上下分界層,分界層所處的高度即為煙氣層高度。

將不同通風條件穩定狀態下室內溫度變化繪制成溫度-高度曲線,如圖5(a)所示,過流斷面關閉進風條件為0時(場景1),0.7m高度位置溫度曲線的斜率最大,即溫度的變化率最大,可判定煙氣層高度處于0.7m附近。同理,依次得出各通風條件下,室內煙氣層高度。由圖5(b)可以看出隨著過流斷面的擴大,煙氣層高度呈上升趨勢,其原因是隨著通風條件的增加,室外新鮮氣流更容易進入室內參與燃燒,同時出口的頂部也有更大的空間使得室內煙氣排出,致使室內煙氣層升高。

圖5 不同過流斷面穩態時室內溫度和煙氣層高度變化趨勢

2.3 火溢流壓力、速度分布

受限空間窗口處氣體的流動取決于受限空間與環境的壓差作用,在穩定狀態下時,過流斷面關閉(場景1)室內壓力和速度分布如圖6所示,壓力方向與氣流速度方向基本一致,壓力大小與速度大小成正相關。

圖6 過流斷面關閉時(場景1)室內壓力、速度分布圖

將穩定狀態窗口處氣體壓力和流速變化繪制成圖,如圖7所示。在垂直方向0.9～2.0m內,窗口截面壓力隨高度的增加而不斷增大,在2.0～2.3m范圍內,壓力隨高度增加不斷減小,主要原因是此位置室內高溫和煙氣產生的高壓向室外不斷擴散,動壓增加,相對靜壓減小,在窗口上方某區域內產生負壓現象。在2.3m處的氣體流速和壓力同時減小,如圖7(b)所示主要是因為此高度位于窗口上沿,一方面氣體流經此位置發生流向的改變,與其他氣體混合導致速度下降;另一方面,氣體在緊貼壁面處流動受到墻體的邊界效應,導致氣體流速減慢[18]。

3 結論

(1) 受限空間內可燃物燃燒大致分為三個階段,即快速上升階段、調整階段、穩定階段。隨著過流斷面的增大,可燃物達到穩定燃燒狀態所需的時間逐漸減小;當燃燒進入穩定期后,室內煙氣層的溫度隨過流斷面的增加而逐漸減小。

(2) 受限空間內可燃物處于穩定燃燒階段時,隨過流斷面增大,室內煙氣層高度逐漸升高;火溢流壓力和氣體流動方向一致,壓力大小和速度大小成正相關,窗口處壓力隨著高度的增加呈現先增加后減小趨勢,壓力減小的原因是空氣在此處流速增大,動壓變大,相對靜壓變小。

(3) 受限空間內火災與過流斷面大小有直接聯系。結合生活實際,如果存有大量易燃物的倉室發生火災,在不了解室內燃燒情況時,不可冒然打開房門。如果冒然開門,一方面溢出的火焰會對自身帶來傷害,另一方面開門將加快室內火災蔓延,增加滅火難度。