基于有限元热分析的原木楞堆火焰温度场1)

薛 伟 耿志伟 汪洪涛

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

东北林区贮木场具有木材生产、贮存和销售三大特性，在木材的产销之间起调节和缓冲作用。因木材生产季节性强，贮木场内长时间存放大量原木、原条和木材加工产品，且原木贮存方式以楞堆为主[1]。一旦贮木场发生火灾，由于楞堆的特殊结构及分布，大量原木、原条以及木产品将被烧毁，经济损失非常惨重。许多学者对原木楞堆火焰温度场进行过相关研究。如:贮木场楞堆燃烧温度场数值模拟试验[2]、贮木场楞堆火灾的实验研究[3]、贮木场楞堆火灾场景模拟设计[4]等。但利用有限元热分析，对原木楞堆火焰温度场进行模拟，目前还未见报道。本文结合实验布置以及有限元软件的可视化[5]，运用有限元热分析，对贮木场原木楞堆表面火焰温度场进行模拟，可直观了解原木楞堆火灾发展过程，为及时控制楞堆火灾提供数据参考。

1 原木楞堆火焰温度场的实验

1.1 实验概述

所选的落叶松的直径在0.25～0.30 m，长度为1 m，平均含水率15%，共五层，底层10根，向上依次为9根、8根、7根，最上层6根。周围环境温度10℃，最大风速7 m/s，平均风速3 m/s。测点装置为K型热电偶，测量燃烧过程中楞堆内部及楞堆周围的温度。楞堆外部距离楞堆侧面0.5 m处分别布置4个热电偶(分两层，每层2个)共16个，T1～T16;楞堆内部的热电偶分两排，每排7个，下层4个，上层3个，第一排编号T17～T23，第二排编号T24～T30。从左侧中间点火，引燃用燃料为汽油，20 L汽油装入3 m×0.8 m×0.05 m 的燃料池内，500 mL 在原木堆叠过程中均匀喷洒。原木排列方式、电偶分布位置及编号(见图1)。

1.2 实验数据处理结果

运用软件PCAuto 3.62采集实验数据，实时数据采集系统每隔3秒自动采集各个测试点的温度值，将采集的数据导入到excel中进行处理。在楞堆内部两排测点中选取上下两层的代表测点、楞堆周边的所有测点得到楞堆的实时温度变化曲线(见图2～3)。

图2表明，楞堆燃烧最高温度可达1100℃左右，楞堆内部温度高于楞堆表面温度。楞堆内部燃烧滞后于楞堆表面，楞堆上层的燃烧滞后于楞堆底层。

图3表明，楞堆周围空气的温度均升高，最低40℃，最高可达400℃。这充分说明了，在原木楞堆表面火蔓延的研究当中，已燃区域对未燃区域的辐射作用不可忽略。不仅会对单一的原木楞堆未燃烧区域产生预热作用，也会辐射到周围楞堆预热原木[6]。

2 原木楞堆火焰温度场的有限元分析

有关研究表明:热通量一定，火蔓延速度会趋于定值;其他常数不变，若木材厚度足够厚，则其热解前锋处的温度与厚度无关。楞堆高度一般大于1 m，那么在有限元分析过程中，可以采用平面模型逐层分析原木楞堆温度变化和温度分布。

图1 实验装置简图

图2 各测点各层温度变化曲线

结合实验布置，在有限元分析过程中，取测点所在的两个垂直面，将楞堆在垂直方向上平均划分5层，逐层分析。燃烧阶段的热传导过程，采用二维四节点平面热分析plane55单元，设置边长为0.025 m的正方形，进行有限元分析。

2.1 原木楞堆平均热释放速率的确定

外部辐射热源可以直接影响楞堆的平均热释放速率。在外界热辐射强度对落叶松热释放速率影响的研究中，以y表示落叶松平均热释放速率，x表示外部辐射强度，得到关系式 y=1.267x+39.35[7]。

引燃过程运用有限元辐射线性单元link31，求得引燃阶段的热流率为50.465 kW/m2，由公式计算得到楞堆燃烧过程中的平均热释放速率为103.278 kW/m2。

2.2 火焰蔓延阶段原木楞堆温度场的有限元分析

施加面对流与生成热，设置燃烧初始温度400℃，最终稳态结果(即为楞堆表面和楞堆内部燃烧时的温度)，如图4所示。

2.2.1 楞堆表面温度场的有限元分析

施加线对流、生成热，对楞堆表面即第一排测点平面进行分析，令第一层燃烧初始温度为400℃，读取楞堆高度方向温度变化曲线上温度设置为第二层燃烧初始温度，分析结果(见图5～9)。其中:图(a)为各层原木燃烧阶段的温度分布，图(b)以楞堆高度为横坐标，得到各层原木燃烧阶段温度分布曲线。

图3 各侧面温度变化曲线

图4 楞堆表面及内部的面对流分析图

图5 表面第一层原木燃烧阶段温度分布图及燃烧阶段温度分布曲线

图6 表面第二层原木燃烧楞堆温度分布图及燃烧阶段温度分布曲线

图7 表面第三层原木燃烧楞堆温度分布图及燃烧阶段温度分布曲线

图8 表面第四层原木燃烧阶段温度分布图及燃烧阶段温度分布曲线

由有限元的分析图可知，楞堆表面五层燃烧的最高温度分别为 864.27、849.49、848.08、837.73、806.36℃。其中，顶层温度低于底层温度，主要原因是原木数量的减少和顶层对流的加强。

2.2.2 楞堆内部温度场的有限元分析

对楞堆内部进行分析，第一层原木燃烧初始温度由表面稳态分析结果得出为761℃，同样取第一层原木燃烧时，楞堆高度方向温度变化曲线上温度设置为第二层的燃烧初始温度，施加线对流、生成热，进行分析。以此类推，分析结果(见图10～14)。其中:图(a)为各层原木燃烧阶段的温度分布，图(b)是以楞堆高度为横坐标，得到各层原木燃烧阶段温度分布曲线。

图9 表面第五层原木燃烧楞堆温度分布图及燃烧阶段温度分布曲线

图10 内部第一层原木燃烧楞堆温度分布图及燃烧阶段温度分布曲线

图11 内部第二层原木燃烧楞堆温度分布图及燃烧阶段温度分布曲线

图12 内部第三层原木燃烧楞堆温度分布图及燃烧阶段温度分布曲线

图13 内部第四层原木燃烧楞堆温度分布图及燃烧阶段温度分布曲线

图14 内部第五层原木燃烧楞堆温度分布图及燃烧阶段温度分布曲线

由有限元的分析图可知，楞堆内部五层燃烧的最高温度分别为 1155.00、1143.00、1165.00、1161.00、1136℃。楞堆内部各层温度相差不大，总体比较平稳。

2.2.3 楞堆火焰蔓延阶段楞堆周围温度场分析

分析楞堆外部距离楞堆0.5 m处各侧面的温度分布情况(见图15)，图 a、b、c、d分别为前后左右四侧面温度分布曲线，图中A、B两点分别代表下风向和上风向处测点。图中距离单位为米，温度单位摄氏度。

图15 楞堆各侧面温度分布曲线

利用有限元软件分析楞堆外部距离楞堆外侧面0.5 m处垂直平面的温度变化，得出前后左右侧面温度变化范围分别为 50～110、100～400、40～60、60～85℃。其中，左右两侧面温度分布曲线相似，温度最高点接近火峰位置，但位于火峰后;前后两侧面温度分布曲线中间部分变化平缓，初步表现出火焰蔓延的特征，温度最高点也接近火峰位置。

3 有限元分析结果与实验数据的分析与讨论

通过有限元分析和实验分别得到了原木楞堆燃烧过程中的温度分布及其变化。结合实验过程当中热电偶测点的位置读取对应有限元单元的分析结果(见表1～表2)。

表1 实验实测数据和有限元分析结果数据表 ℃

通过表1中数据的对比可以发现，楞堆表面温度的有限元分析数据要低于实验的实测数据，大约15℃(取第一排测点上、下层温度的平均值来计算);楞堆内部温度有限元分析结果要高于实验的实测数据，约9℃(取第二排测点上、下层温度的平均值来计算)。有限元分析楞堆内部燃烧时的平均温度(1151℃)高于楞堆表面的平均温度(844℃)约307℃，实验测得楞堆内部燃烧时的平均温度(1142℃)高于楞堆表面的平均温度(859℃)283℃。同时发现楞堆各层温度分布不同:第一排测点中，第二层测点温度低于第一层测点温度约20℃;第二排测点中，第二层测点温度高于第一层测点温度约30～40℃。

表2详细列出了相对应的楞堆燃烧有限元分析数据与实验实测数据，计算得出相差的具体数值和偏差百分比。

第一排测点分析所得的温度比实际测得温度低，相差约14～16 ℃，偏差百分比1.61%～1.88%;第二排测点分析所得温度比实际测得温度高，相差约13～18 ℃，偏差百分比约为 0.43% ～1.16%;楞堆四周距离0.5 m处，测点分析所得温度与实验所得数据存在±(1～5)℃的偏差，但是并没有一定的规律性，偏差百分比为0.91%～3.70%。计算结果表明，偏差百分比均在允许范围以内。

表2 有限元分析数据与实验数据比较

但在有限元模拟过程中，温度变化曲线相对平滑，短时间小范围的温度波动没能如实验过程中那样表现出来。这主要是由于模拟的楞堆燃烧环境及过程，与实际的燃烧环境及过程存在差异，并且有限元分析过程中各影响因素的变化相对于实际实验来说都较为稳定造成的。因此，在未来的研究中，应充分考虑原木楞堆燃烧过程中各影响因素的非线性变化。

4 结语

本文运用有限元建立贮木场原木楞堆火焰温度场分析的平面模型，结合有限元的可视化，从另一角度对贮木场原木楞堆的火焰温度场进行模拟。利用有限元plane55单元建立原木楞堆的平面模型，逐层分析楞堆火焰温度场。通过实验证明，有限元分析结果的偏差均在允许范围内，说明利用有限元热分析建立平面模型，模拟贮木场原木楞堆火灾的发展过程是可行的。有限元操作简单，结果直接，应用有限元热分析对贮木场原木楞堆火焰温度场进行模拟，可直观了解原木楞堆火灾发展过程，为及时掌控火灾发展提供理论指导。

[1]辛颖，薛伟.落叶松原木楞堆全尺寸火蔓延实验研究[J].消防科学与技术，2010，29(7):557－561.

[2]辛颖，薛伟.贮木场楞堆燃烧温度场数值模拟试验[J].西部林业科学，2011，40(3):28－35.

[3]卞伟，薛伟.贮木场楞堆火灾的实验研究[J].森林工程，2006，22(3):1－4.

[4]张光俊.贮木场楞堆燃烧的数值模拟[D].哈尔滨:东北林业大学，2007.

[5]苏君.面向可视化的温度场有限元分析建模原理、方法及实现技术研究[D].杭州:浙江大学，2002.

[6]张德新.贮木场木材加工剩余物燃烧特性的研究[D].哈尔滨:东北林业大学，2011.

[7]张德新，薛伟.外界热辐射对落叶松木材燃烧热释放速率影响的研究[J].西部林业科学，2010，39(2):38－41.