移动正压风机风场模拟研究

彭城林，梁 强

(中国人民警察大学，河北 廊坊 065000)

0 引言

火灾中对人员危害最大的是火灾产生的高温有毒烟气，及时有效地控制火灾现场的烟气流动有利于消防救援人员行动的展开，且能大大减少火灾时的人员伤亡。固定排烟设施往往因温度过高(达到280 ℃)、日常维护或人为因素等原因无法正常工作，且灵活性较差。移动排烟设备具有更强的灵活性和适应性，更能满足火场实际情况的需要。基于移动排烟设备的负压排烟，往往不能达到理想效果，而近年兴起的正压送风排烟方式，则可以根据火场实际情况进行调整，有效提高排烟效果[1]。正压送风排烟是在火灾现场利用移动式排烟机向着火建筑内部送风，增大房间内部压强达到排烟的目的，并能阻止烟气的进一步蔓延。

为了研究移动正压风机产生的流场能否适用于火灾模拟软件进行数值模拟计算，需要进行实验与模拟的对比验证。移动正压风机产生的气流为气体淹没紊流射流，紊流的横向脉动造成射流与周围空气不断发生质量、动量交换，带动周围介质流动，同时射流风与周围空气交换能力也是通过紊流的状态实现的，因此只有FDS采用的大涡模型能够较好地模拟出射流风的紊流状态，使模拟结果更接近实际[2]。本文建立了适用于目前各基层中队普遍配备的移动正压风机的FDS模型，通过两类移动正压风机进行的送风实验，验证风机模型的有效性，给未来利用FDS进行移动式正压排烟风机的模拟研究提供参考。

1 风机实验

实验用于确定不同类型正压送风机产生的流场与风速，为了在FDS中模拟正压风机，必须根据风机本身的各项参数对FDS进行输入，用以表征正压风机。实验是在一个密闭的大空间环境中，将风机放置于一定高度的支架上(对流量的影响可以忽略不计)，这种布置最大限度地减少了墙壁和门等障碍物对流场的影响。

1.1 实验条件

实验于长16.2 m、宽10.8 m、高5 m的房间内进行，在实验过程中将门、窗保持关闭，避免室外风对风机的流场产生扰动。搭建1.1 m×1.0 m的铁丝网格框架，每个网格为0.015 m×0.015 m，四角用铁钉进行加固。在网格中以1号测点为中心对称共布置19个测点，将黑色幕布网格框架垂直放置，以便为烟气的流动提供对比背景，增强正压风机流场的可视化效果，如图1所示。

图1 测点布置

所用风机采用目前基层中队使用较多的两款正压风机，即电动风机(EFC120)和机油风机(HONDAGX160T-E1)进行实验，将风机设置在1 m的高度，风机叶轮的中心位于网格的中心线上(1号测点)。实验采用加野KA23热式风速仪。测速范围为0～50.0 m·s-1，精度为读数的0.5%。为了能够更准确地测量每个测点的速度，实验中采取加长探头，避免由于手、肘部对气流产生阻碍。

为了在实验过程中更好地观察移动正压风机产生的流场形状，采用CNI(希爱)MGL-F-532型半导体泵浦固体绿光激光器，为了能够更加直观地观察到移动正压风机产生的流场，在实验中加入发烟器并采取黑色背景。在黑色背景下拍摄照片如图2所示。

图2 发烟器

1.2 实验内容

1.2.1 电动风机

将电动风机放置于高1 m的桌面上，测得其叶轮轴心离地面1.25 m，在距离风机9 m处放置激光器，调整镜头高度，使其与叶轮轴心位于同一高度。开启激光器，调整网格框架使得1号测点与风机中心轴平行，如图2所示；将网格框架分别设置于距离风机1 m、2.5 m、4 m、5.5 m、7 m处进行测速。

开启风机并以最大速度运行一段时间，待其稳定送风后，利用KA23热式风速仪开始对各个测点进行风速测量。测量过程中要保持探头进风口与送风方向垂直，每10 s记录一次风速仪输出值，每个点持续1min，最终每个测点取平均值。

1.2.2 机油风机

将机油风机放置于0.78 m高度，测得叶轮轴心距离地面1.1 m，调整网格测点位置，使得1号测点与风机中心轴平行，重复电动风机实验过程并记录数据。

1.3 实验结果

根据各个水平距离的测点平均速度整理绘制变化曲线如图3所示。分析图3可以看出，实验条件下测得风机下游流场风速均值呈现先增大，在约3.5 m处达到峰值，之后呈现逐渐减小的趋势，这与风机的可视化流场十分相近。

图3 速度变化曲线与可视化流场

移动风机在最高档位下的控制半径从风机口开始呈现上升趋势，在到达距离风机4 m时控制半径达到最大，之后呈现下降趋势，在距离风机水平距离5 m处到达波谷，之后又呈现缓慢上升趋势，在6 m处到达波峰，之后呈现下降趋势。通过绘制的图表与拍摄的实验照片(见图4)对比，发现根据数据所绘制的正压式消防移动风机控制半径变化与实验所测试的控制半径变化一致。

2 FDS模型建立

FDS是由美国国家标准与技术研究院(NIST)与芬兰的VTT技术研究中心合作专为火灾模拟开发的软件。该软件采用数值方法求解热驱动的低速流动N-S方程，具体数值方法是空间和时间上具有二阶精度的显式预测校正算法，主要用于火灾中烟气流动和热传递过程的数值模拟，其结果准确性已经得到大量实验的验证[3]。

图4 实验拍摄照片

2.1 模型的不确定性

FDS模型的输出取决于各种输入参数和默认值，例如计算单元大小，材料属性，障碍物和通风口的设置等。对于相对简单的气流实验，例如FDS预测在浮力羽流实验中测量值的不确定性范围，如果气体流速为0.5 m·s-1，实验不确定度为±0.05 m·s-1，则FDS模型气体流速预测也在0.45 m·s-1和0.55 m·s-1之间。在Panindre论述的大规模火灾试验中，发现FDS温度预测在测量温度的15%以内，并且FDS放热率预计在测量值的20%以内[4]。这些实验证明如果输入正确的相关参数，FDS就能够在理想的不确定性范围内对移动正压风机产生的流场进行建模。

2.2 模型建立

2.2.1 注意事项

为了对移动式正压排烟机进行建模，需要对FDS进行域尺寸，计算单元尺寸，模拟持续时间，通风速度，通风口几何形状，风机几何形状，速度切片位置和速度测量点的输入。

为了使得建立的模型更加切合实验所用风机，需要考虑许多因素，最重要的是计算单元大小。多次模拟后的结果表明，网格尺寸大约需要0.025 m，一旦取用的单元网格大于0.028 m，风机产生的流场就变得线性且不准确[5]。为了便于计算，本次模型的建立采用网格密度为0.02 m。

下一个考虑因素是域大小。移动式正压送风机在工作时需要保证后方至少1 m范围内无障碍物遮挡。因此在建立模型时如果风机在边界1 m内，无论边界条件是否为“开敞”状态，风机模型都无法较为准确地产生流场[6]。

FDS软件中的网格划分只能是矩形，而移动正压排烟机的通风口、叶轮旋转以及风机外壳为圆形，因此为了使模型能够产生适当的流场，需要在最小单元精度基础上对风机的通风口和机壳部分进行微元化处理，该处理方法使得模拟结果更加精确。模型与圆柱形接近的程度取决于最小单元格的精度，如果计算机条件允许，可以令模型的机壳等部位更加接近圆柱体。

将通风口设置在风机内部，位于风机外壳的前端约0.3 m处(如果通风口放置在风机的后部或中间，则流动模式将呈线性且不切实际)，与发动机和手柄相对。在通风口的表面设置宽度为0.02 m的格栅来模拟移动风机的网格罩。对于模型中发动机、风机后部的手柄以及风扇轴心的设置，都是为了产生更加真实的流场，这些设置影响通过FDS模型中空气的流动，尤其是发动机的设置会显著影响流动模式，因此必须将其包含在模型中。最后按照实验条件设定速度场切面与测点。将速度场切面设置在垂直于风机中心的位置和测点所在的各个水平平面，以便更好地观察流场状态[7]。

2.2.2 参数输入

根据上述进行实验的两种风机尺寸及参数，在FDS软件中进行同尺寸建模，设置EFC120电动风机的产生风速为17.8m·s-1；HONDAGX160T-E1机油风机的产生风速为15.8m·s-1。

2.3 运行结果

2.3.1 EFC120电动风机

模拟测得在距风机水平距离为1 m、2.5 m、4 m、5.5 m、7 m的平均速度为6.41 m·s-1、7.53 m·s-1、6.53 m·s-1、5.22 m·s-1、4.68 m·s-1。将FDS模型中Y=2.5 m处的Smokeview切片(图5)与流场可视化实验中的图形(图6)比较可以看出模型产生的流场与实验风机产生的流场基本相同。

通过电动风机的实验和模拟在各个水平距离上的测点速度比较可以看出，在不同距离处的模拟速度场与实验测得速度场基本相同，如表1所示。同时可以发现，随着距离风机水平距离的增加，切面速

图5 电动风机模型中心切面流场

图6 电动风机实验流场

表1 电动风机平均风速实验数据和模拟数据的比较

度场逐步由中心处为峰值(14 m·s-1)，周边速度场较小(1 m·s-1)，转变至中心与周边的速度基本相同(5.5 m·s-1)。

2.3.2 机油风机

模拟测得在距风机水平距离为1 m、2.5 m、4 m、5.5 m、7 m的平均速度为7.19 m·s-1、7.45 m·s-1、6.07 m·s-1、4.81 m·s-1、4.38 m·s-1。将FDS模型中Y=2.5 m处的Smokeview切片与流场可视化实验中的图形(图7)比较可以看出模型产生的流场与实验风机产生的流场基本相同。

图7 机油风机模型中心切面流场

测得实验数据和模拟数据的平均风速比较如表2。通过图表可以看出，模拟得到的数据和实验测得数据平均差异均小于10%，因此可以认为建立的机油风机模型可以很好地进行模拟。

表2 机油风机平均风速实验数据和模拟数据比较

3 结语

通过对移动正压风机进行的全尺寸实验，研究了风机产生下游流场的特性，发现风机下游流场的风速呈现逐渐衰减的趋势，在垂直界面上的风速变化趋势，是先缓慢增大后缓慢减小，同时风机的控制半径从风机口开始逐渐增大，增大到一个波峰又逐渐减小，减小到波谷，开始缓慢增加，增加到第二个个波峰后开始缓慢减小，总体上呈现一个“M”字的形状。然后使用FDS对实验风机进行建模，为了保证模型产生的下游风场模拟的准确性，通过对空间单元尺寸、网格密度、边界条件的不断完善，得出一些普适性结论：

3.1 多次模拟后的结果表明，计算单元网格尺寸为0.025 m，一旦单元网格大于0.028 m，风机产生的流场就变得线性且不准确。

3.2 模拟结果表明，在建立FDS模型时要保证风机后方1 m内无障碍物，使得风机顺利地向外界送风。

3.3 在对风机内部元件进行建模时需要注意将通风口设置在风机机壳内部，与发动机和手柄相对。由于通风口、叶轮旋转以及风机外壳是圆柱形，需要在最小单元精度基础上对风机的通风口和机壳部分进行微元化处理，模型与圆柱形接近的程度取决于最小单元格的精度，该处理方法使得模拟结果更加精确。这些设置使得模型产生的流场更接近实际。