多火源通道火灾流场特性的实验与数值研究

李树声，战咏梅

(1.哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨150001;2.顺阳汽车检测维修服务有限公司，海南三亚572000)

多火源燃烧现象是群发性火灾向区域性火灾发展过程中的基本现象.由于相邻多火源之间存在复杂的相互作用行为，多火源燃烧与单火源燃烧有很大不同.Liu[1-2]曾对多火源相互作用强度、多火源火灾熄灭时间等进行过一些研究.

前人对通道内单火源火灾关注较多[3-6]，而对通道内多火源火灾却鲜有研究，现实隧道火灾中多车辆同时起火现象很多，所以有必要对通道内多火源热流场进行研究，从而为通道火灾的预防、早期控制提供科学指导.本文主要进行了多火源通道火灾实验与模拟数值，对多火源通道火灾流场特性进行了研究.

1 中尺度通道火灾实验

1.1 实验概述

实验装置如图1(a)所示，是一个矩形通道，两侧均有开口，通道尺寸为8.0 m(长)× 1.5 m(宽)×1.0 m(高);实验采用3种油池，直径分别为0.16 m、0.20 m 及 0.26 m，油池高度均为 5 cm，见图1(b)，燃料采用的是93#汽油，每次实验每个油池用油600 ml;本实验采用K型铠装热电偶，数据采集设备选用安捷伦Agilent349470A多通道数据采集仪，采集通道数为42，如图1(c).

如图2所示，实验共布置了T1-T17等17个热电偶，热电偶布置于通道中截面顶棚下5 cm处，热电偶间距0.5 m，主要测量了通道顶棚下纵向烟气层内温度分布.实验环境温度为26℃.

图1 实验装置

图2 通道火灾示意Fig.2 Schematic view for tunnel fire

1.2 实验工况

表1描述了通道火灾的实验工况.实验进行了单火源、两火源及三火源火灾实验，对于TF1单火源火灾，油池置于温度测点T6正下方;对于TF2两火源火灾，两油池火分别置于温度测点T6及T8正下方;对于TF3三火源火灾，三油池火分别置于温度测点T4、T6及T8的正下方.通道火灾实验见图3.

火源的质量损失速率与热释放速率的关系为

可以看出，TF3三火源火灾中φ1及φ2的火源热释放速率均高于TF2两火源火灾中的φ1及φ2的火源热释放速率，这是由于火源越多，火源间的相互热辐射越能加剧燃料的汽化，进而增大了各个火源的热释放速率.

图3 多火源通道火灾Fig.3 Tunnel multiple fires

表1 通道火灾实验工况Table 1 Experimental conditions for tunnel fires

2 浮力差

通道中烟气的浮力是影响烟气层对下层空气卷吸及烟气蔓延的重要因素，烟气层与下层冷空气的浮力差表征了烟气层与下层冷空气的卷吸、换热的程度.浮力差可以由下式表示[7]:

式中:F表示浮力，ρ表示烟气平均密度，ρ0表示下层冷空气的密度，g为重力加速度，ΔT为烟气与下层空气温度差值，T为烟气层平均温度.

图4给出了单火源、两火源和三火源浮力差对比情况.随火源增多，相同位置处烟气层与下层冷空气间的浮力差逐渐增大，3个实验条次在X=0 m处均布置了φ=0.20 m的火源，但浮力差却是三火源的最大，两火源的次之，单火源的浮力差最小.这说明了当多个油池火互相靠近时，单个油池内液体燃料不仅受到自身辐射的反馈，液体燃料表面还会受到周围火源的热辐射，致使燃料蒸发加快，自身及相邻火源燃烧加剧，烟气层温度升高，相应的浮力差也随之增大.

图4 浮力差对比Fig.4 Comparison of buoyancy force differences

3 多火源通道火灾流场研究

3.1 FDS数值模拟设定

FDS(fire dynamics simulator)[8-9]是美国标准与技术研究院NIST研制开发的一款计算流体力学火灾场模拟软件，适合解决热浮力驱动、低速流动的Navier-Stokes方程.FDS采用大涡模拟模型(LES)来求解火灾热驱动流的紊态流动问题.FDS简单易用，可靠性高，广泛应用于模拟火灾导致的烟气传播、蔓延等状况.

本文采用FDS5.5.3软件对单火源、两火源及三火源通道火灾实验进行了数值模拟，以便更加深入研究此类火灾热流场内流体蔓延情况.

3.2 FDS有效性验证

为验证FDS软件对于多火源火灾仿真的可靠性，现将实验结果与模拟结果在实验测量点上的温度值进行对比，见图5.可以看出，FDS预测温度值与实验测得温度值相对紧密的分布于斜率为1的参考线两侧，说明FDS对多火源火灾的模拟是可靠的.

图5 实验与模拟温度对比Fig.5 Comparison of temperatures

3.3 流场特性分析

单火源火灾TF1温度场及速度场如图6所示.热驱动流在浮力的作用下竖直上升，当撞击到顶棚后形成顶棚射流，沿通道顶棚向两侧均匀蔓延.

图6 单火源火灾TF1Fig.6 Single fire in the tunnel

两火源火灾TF2温度场及速度场如图7所示，两火源通道火灾流场内火焰区域相互靠拢，速度矢量也呈靠近交会趋势.三火源火灾TF3中的情形与两火源火灾流场TF2类似，如图8所示，两侧火源发生倾斜并均向中间火源聚拢，并且对应的速度矢量也发生偏转指向中间火源.这是由于火焰受到热流场的影响形成空间压力梯度，致使火焰拉伸倾斜，高温区域相互倾斜靠拢，一定条件下将会发生火焰融合(fire merging)现象.此时，火焰倾斜后两侧的空气卷吸压力差与浮力达到平衡，非连续分布的火源将表现出大面积火灾的燃烧特征，使得破坏加剧.

图7 两火源火灾TF2Fig.7 Two fires in the tunnel

图8 三火源火灾TF3Fig.8 Three fires in the tunnel

4 结束语

本文进行了单火源、两火源及三火源通道火灾实验，测量了通道顶棚下5 cm处烟气层温度.对单火源及多火源条件下浮力差的研究发现:多个油池火靠近时，单个油池内液体不仅受到自身辐射的反馈，还受到周围火源的影响，致使火源自身及相邻火源燃烧加剧，相应的浮力差也随之增大.与单火源通道火灾相比，多火源通道火灾分散的火源表现出了大面积火灾燃烧特征.

采用计算流体力学软件FDS对通道火灾实验进行数值模拟，主要对温度场及速度场进行了研究.发现在空间压力梯度的作用下，火焰会发生相互倾斜靠拢现象，致使火灾加剧.

[1]刘琼.多火源燃烧动力学机制与规律研究[D].合肥:中国科学技术大学，2010:1-82.LIU Qiong.Dynamical mechanism and behaviors of multiple fires burning[D].Hefei:University of Seienee and Technology of China，2010:1-82.

[2]LIU N A，LIU Q，DENG Z H，et al.Burn-out time data analysis on interaction effects among multiple fires in fire arrays[J].Proceedings of the Combustion Institute，2007，31(2):2589-2597.

[3]WU Y，BAKAR M Z A.Control of smoke flow in tunnel fires using longitudinal ventilation systems-a study of critical velocity[J].Fire Safety Journal，2000，35(4):363-390.

[4]PATHAK K.Numerical simulation of dynamics of a tunnel fire[D].[s.l.]:Engineering Science of Lamar University，2004:1-119.

[5]GAO P Z，LIU S L，CHOW W K.Large eddy simulations for studying tunnel smoke ventilation[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2004，19(6):577-586.

[6]HU L H，HUO R，LI Y Z，et al.Tracking a ceiling jet front for hot smoke tests in tunnels[J].Journal of Fire Sciences，2007，25(2):99-108.

[7]阳东.狭长受限空间火灾烟气分层与卷吸特性研究[D].合肥:中国科学技术大学，2010:61-64.YANG Dong.Studies on characteristics of stratification and entrainment of smoke layers in channel fires[D].Hefei:University of Seienee and Technology of China，2010:61-64.

[8]McGRATTAN K B.Fire dynamics simulator(version 5)-user guide.NIST Special Publication 1019-5[R].Washington D C:National Institute of Standards and Technology，2010.

[9]McGRATTAN K B.Fire dynamics simulator(version 5)-technical reference guide.NIST Special Publication 1018-5[R].Washington D C:National Institute of Standards and Technology，2010.