并排管道下消防喷头对流换热效果的数值模拟研究

李 贵

(武警学院 消防工程系，河北 廊坊 065000)



并排管道下消防喷头对流换热效果的数值模拟研究

李 贵

(武警学院 消防工程系，河北 廊坊 065000)

对并排管道下消防喷头的对流换热情况建立了合理的传热物理模型及数学模型，应用数值计算的方法对设定的场所进行了模拟研究。结果表明，并排管道下的消防喷头由于位置低及集热板对热气流的阻碍作用，其内液体的温度要低于同时刻邻近的建筑物顶部的消防喷头内液体的温度，启动时间要滞后于建筑物顶部邻近的消防喷头，这对于水平蔓延速度较快的火灾是个极大的隐患。最后针对现有规范的不足提出了合理的建议。

并排管道；数值计算；消防喷头；热气流

我国《自动喷水灭火系统设计规范》(GB 50084—2001，2005年版)第7.2.3条规定[1]，当成排布置的管道宽度大于1.2 m时，其下方应当增设消防喷头，增设喷头的上方如有缝隙时应设集热板。但是在管道下方增设消防喷头，就必须要面对一个问题，那就是喷头换热是否有效，因为这关系到在火灾初期消防自动喷淋系统能否启动。

我国的最新规范规定，一般喷头安装在吊顶的上方距离顶板不超过300 mm的地方，这样消防喷头会与周围的热气流进行充分的对流换热，确保火灾发生时，热敏元件及时响应动作，在火灾初期喷头洒水灭火。火灾发生时，热烟气流在热浮力的作用下会首先在建筑物顶部聚集，因此安装在管道下方的消防喷头比建筑物顶部下方的喷头接触热烟气晚。由于管道之间具有缝隙，按照规范的要求需要设置集热板，但就集热板的集热效果来看，国内外已有的研究结果表明是无效的[2-5]，那么并排管道下增设的消防喷头能否在火灾初期及时启动便成为一个重要的问题。

目前对于并排管道的对流换热研究都集中在管道内换热和横掠管道换热[6-10]，对于并排管道下使用集热板的集热效果还没有相关的研究。本文对并排管道下消防喷头的对流换热情况进行了模拟研究，得到了并排管道工况下消防喷头的对流换热结果，并与建筑物顶部的消防喷头的相应数据进行了对比，得到了可供借鉴的结论。

1 物理模型与数学模型

本文选用二维计算模型，由于整个过程不需要考虑化学反应而只需要考虑换热的问题，所以用一个功率为6 MW的矩形热源代替火灾场景下的火源。由于火源恰好位于消防喷头正下方的状况不具有代表性，因此本文选取了更为一般的工况，即火源不在消防喷头正下方，这样更便于客观评价消防喷头换热的有效性问题。由于消防喷头热量的聚集主要是对流换热造成的，因此本文忽略了热辐射的作用。在流动区域，将空气看作理想不可压缩流体，同时假定计算区域的墙壁都是绝热的。

网格的划分采用分区混合网格，对建筑物顶部的消防喷头周围及并排管道下方的消防喷头周围进行了网格加密处理，建立了直角坐标系，如图1所示。这样，一方面可以减少网格的数量，另一方面保证了数值计算的精度。

图1 分区混合网格划分图

空间里的烟气流动满足以下控制方程：

(1)

(2)

(3)

(4)

p=ρRT

(5)

初始条件为：

t=0时，T=293 K

(6)

边界条件为：

(7)

(8)

对模型的建立及求解通过应用fluent软件完成。湍流模型采用标准的k-ε模型，方程的离散采用有限容积法，其中时间项为向前一阶差分格式，扩散项采用二阶中心差分格式，对流项采用QUICK格式，压强项采用SIMPLE算法处理。

离散后的方程采用半隐格式，求解采用ADI方法。能量方程的松弛因子为0.8，动量方程与连续性方程的松弛因子为0.5。

2 计算结果及分析

本文对未安装集热板的两种工况均进行了时长为8 min的模拟计算，得到了换热过程中温度场等值图及速度场矢量图。消防喷头玻璃球内液体的温度不仅与其外部的空气温度有关，还与空气的流动速度有关。图2～图7分别为第6，7，8 min的空气温度场与速度场。

图2 并排管道场景下6 min的温度场

图3 并排管道场景下7 min的温度场

图4 并排管道场景下8 min的温度场

图5 并排管道场景下6 min的速度场

图6 并排管道场景下7 min的速度场

图7 并排管道场景下8 min的速度场

将所有消防喷头按照从左到右的顺序依次编号，将4～8 min各个消防喷头内液体计算的温度列于表1。

由表1可以看出，并排管道下方消防喷头内液体的温度低于同时刻位于建筑顶部消防喷头内液体的温度。

造成这种结果的原因有两方面：一方面，热气流的上升过程遵循的是先垂直上升然后水平展开的规律，因此，除非管道下方的消防喷头恰好位于热源的上方，否则管道下方的消防喷头要晚于建筑顶部的消防喷头接触热气流；另一方面，从速度场图可以发现集热板的使用，不仅没有起到将热气流聚集的预期作用，而且使得流经管道下方的消防喷头的热气流的流速减慢，甚至在局部出现了流动的死角。这两方面共同作用，使得管道下方的消防喷头与热气流的对流换热的强度要弱于建筑顶部的消防喷头，从而启动时间落后于建筑顶部的消防喷头。

表1 不同位置不同时刻的消防喷头内液体的温度

3 结论

3.1 并排管道下的消防喷头由于位置低及集热板对热气流的阻碍作用，喷头内液体的温度要低于同时刻的建筑物顶部的喷头内液体的温度。

3.2 并排管道下的消防喷头的启动时间要滞后于建筑物顶部邻近的消防喷头，这对于水平蔓延速度较快的火灾是个极大的隐患。

3.3 现有规范对并排管道下增设消防喷头的类型并没有规定，建议增设的喷头类型为快速响应喷头。

[1] 中华人民共和国公安部.自动喷水灭火系统设计规范(2005年版):GB 50084—2001[S].北京:中国计划出版社,2005.

[2] Stand for the installation of sprinkler systems:NFPA13[S].

[3] 薄立矗.集热罩对喷头启动时间的数值模拟研究[J].武警学院学报,2011,27(6):5-7.

[4] 冯小军,张文华,孔祥欣,等.集热板在大空间场所作用效果的讨论[J].消防科学与技术,2008,27(2):86-90.

[5] SANNA P K, SASTRY C V N, RAO V D, et al.Convective condensation heat transfer in a horizontal condenser tube[J].Int J Thermal Sciences,2002,41:295-301.

[6] THUC P D, KARIMOV M F, VIETSOVPETRO J V, et al.Computer simulation of thermo hydrodynamic and technological processes in active sub-sea oil pipelines[J].SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition,Jakarta,Indonesia,SPE 68685,2001.

[7] CHEBOUBA A, YALAOUI F, SMATI A, et al.Optimization of natural gas pipeline transportation using ant colony optimization[J].Computers & Operations Research,2009,36:1916-1923.

[8] 齐守良,李庆领.横掠椭圆管的换热及流动特性分析[J].青岛科技大学学报,2003,24(3):74-77.

[9] 刘希女,杨永安.叉排椭圆管强迫对流换热的数值模拟[J].制冷与空调,2004(1):32-37.

[10] Bonn John.Vacuum insulated pipe seeks increased use with LNG[J].Pipeline & Gas Journal,2004,231(11):78-80.

(责任编辑 马 龙)

A Study of Numerical Effects of Convective Heat of the Fire Sprinkler under Alongside Pipes

LI Gui

(DepartmentofFireEngineering,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

A numerical calculation method was used in this paper for making a simulation study with a reasonable physical model and mathematical model of heat transfer about the fire sprinkler under alongside pipes. The results show that, fire sprinklers under alongside pipe due to the low position and hindered hot gas stream of the heat collecting plate, whose temperature is lower than the temperature of the liquid within fire sprinklers adjacent the top of the building at the same time, the startup time lags behind on top of the building near the fire sprinklers, which is a great risk with a fire that spreads faster at the horizontal level. Finally, reasonable suggestion was made for the deficiencies of the existing codes.

numerical calculation method; alongside pipe; fire sprinkler; hot gas stream

2016-06-10

李贵(1975— )，男，河北宣化人，讲师。

TU892

A

1008-2077(2016)10-0018-03