不同通风条件下受限空间火溢流模拟研究

2023-06-02宋富美

华北科技学院学报 2023年3期

张超,倪鑫,宋富美

(华北科技学院安全工程学院,北京东燕郊 065201)

0 引言

近年来,以受限空间火灾为代表的建筑火灾事故已成为火灾事故的主要组成部分,造成不良的社会影响。火灾发生时常伴随着受限空间内火溢流现象,进而引起建筑物外立面保温层起火,形成建筑物立体火蔓延现象,造成火灾危害的扩大。因此,关于受限空间内火灾研究显得非常重要[1]。

对于受限空间内火灾温度的研究,前人做了大量工作,如:McCaffrey[2]基于能量守恒定律提出了MQH温度预测公式;Foote[3]补充了强制通风(Forced-ventilation)条件下的温度数据,进而修正了MQH温度预测公式;Beylert[4]基于能量守恒且在已知气流质量流率情况下,提出了温度预测公式;Delichatsios[5]通过确定燃烧室平均热损和绝热情况下最高温度,建立了燃烧室内处于燃料控制与通风控制阶段的温度模型。针对受限空间开口处火溢流温度分布,许多学者也提出了较为典型的开口火溢流竖向温度计算方法。Yokoi[6]利用缩尺寸实验台最早开始对开口火溢流竖向温度的实验研究,实验中开口位于受限空间侧面顶部,实验考虑了多种开口尺寸,通过等效半径的概念提出了开口火溢流竖向温度模型;Ohmiya等[7]通过对外墙附近火焰高度和热流密度的研究,建立了开口火溢流竖向热流密度分布模型;Lee[8]和唐飞[9]等通过实验对Yokoi提出的温度分布公式进行了改进。利用数值模拟进行火溢流现象研究的亦不在少数,其中赵国祥[10]通过FDS软件模拟了通风控制型火灾及其外立面火焰特性的预测情况,其模拟结果与理论值能够较好吻合;亓延军等[11]利用现场实验与数值模拟对比的方法最终得到:窗口火溢流的温度分布、壁面贴附效应、热释放速率及小室温度的数值等均与试验结果较好地吻合;姜玉曦[12]对Law和K lopovic的实验进行数值模拟,其模拟结果与Law、K lopovic关于外部燃烧火焰长度、火焰宽度的实验结果一致。

前人对火溢流的研究主要集中在室内、外火溢流温度分布规律、火焰特性和贴壁效应等方面[13],而对不同通风条件下,受限空间内可燃物燃烧时温度、压力和流速分布变化规律研究的较少。为了更好的掌握不同通风条件对受限空间火灾的影响,剖析火灾发生时室内温度分布、烟气层高度、开口处压力和流速的分布规律,本文采用FDS数值模拟方法,研究不同过流断面受限空间火灾温度、压力、流速的变化,找出通风条件和室内温度、烟气层高度、开口处压力和流速之间的变化规律,为受限空间火灾防治与突发火灾现场应急处置提供理论支持。

1 受限空间火灾模型建立

1.1 火灾基本控制方程

受限空间内火灾气体流动遵循流体动力学相关控制方程,即求解热驱动下的低速流动N-S方程[14]。研究采用FDS(Fire Dynamic Simulation)火灾仿真模拟软件,模拟火灾时热传递过程和烟气流动过程,求解方法为大涡数值模拟(LES),即通过求解某尺度以上所有湍流尺度的运动,适合非稳态过程中出现的大尺度效应的模拟研究,分析计算过程遵循流体力学中的质量方程、动量方程、能量方程和组分方程[15]:

质量方程:

(1)

动量方程:

(2)

能量方程:

(3)

组分方程:

(4)

1.2 受限空间火灾模型参数确定

以有2个通风口的仓室为例,假设有易燃物在仓室内存放,易燃物意外起火。模型各构件尺寸大小和参数见表1。

表1 各构件规格尺寸

如图1(a)所示,在室内中心位置Y=0处设置可燃物,同时监测火源温度、压力、速度变化,如图1(b)所示,距离墙0.2m的角落(测点1)、开口处中心位置(测点2)沿竖直方向设置多个温度传感器,其竖向间距为0.1m。测点1传感器设置优势:一是与火源保持距离,减少火源燃烧时火焰对温度测量的影响,二是与左断面保持距离,以减少调节断面时风流对温度测量的影响。实验设置7个不同的场景见表2,模拟时间设置为1200s。各场景开口角度不同,过流断面不同,引起的受限空间的通风条件不同。

图1 模型示意图

表2 火灾场景设置情况

1.3 火灾特征参数确定

模拟研究网格尺寸不应大于火灾特征直径的1/10[15],依据公式(5)计算火灾特征直径,确定网格大小。

(5)

模型的火灾特征直径D*为1.44m,模型采取0.1m×0.1m×0.1m尺寸的网格。

2 结果分析

2.1 受限空间内部温度发展过程

当可燃物燃烧初期,受放热影响,受限空间内温度迅速升高。场景1(左开口关闭0°)、场景2(左开口15°)、场景3(左开口30°)时,室内温度沿竖直方向变化情况如图2所示。

图2 过流断面(0°、15°、30°)时室内不同高度温度趋势图

图2表明,可燃物燃烧后,室内温度沿竖直方向迅速升高,从整个升温过程来看,室内的温度变化可分为快速上升阶段、调整阶段、稳定阶段三个部分,每个阶段经历的时间略有不同。为了能直观分析可燃物燃烧时不同时刻温度变化规律,分析过流断面(左开口0°、15°、30°,45°以上与30°相似),提取不同时间点Y=0切面的温度分布图,如图3所示。

观察各场景温度变化趋势图,得出温度变化规律如下:

(1) 快速上升阶段:由于受限空间内原有空气与火源处产生的热空气迅速进行热交换,气体受热后向上流动,如图2所示,此阶段在整个燃烧过程中温度升高速率最快。

(2) 调整阶段:此阶段室内温度先下降后缓慢上升。受限空间内温度下降主要有两个原因:一是由于快速上升阶段耗氧过多,造成室内短暂的氧气不足,火源不能完全燃烧,热释放功率下降;二是空间开口处发生了气体交换,含氧较多的冷空气从开口下部流入,进入室内的新鲜空气在火焰卷吸和火羽流抬升的共同作用下,被送到上部烟气层,而室内加热后的高温气体从开口上部流出[16]。在这两种因素的共同作用下,使得室内温度在短时间内有所下降。但火源热释放功率下降引起燃烧耗氧量减少,新鲜空气流进室内的速率减少,火源热辐射升温作用逐渐加强,使得室内温度再次缓慢上升[17]。

(3) 稳定阶段:受限空间内温度没有明显波动,处于稳定状态。室内燃烧所需氧气与开口处进入氧气的速率相吻合,燃烧生热的正效应与壁面热传递散失热量、开口处对流换热损失热量等负效应相互抵消,使燃烧达到动态平衡,室内温度保持稳定。

由图3可知,受限空间内可燃物燃烧室内温度变化趋势呈相似的发展趋势,因过流断面的不同,也体现出了个别差异。

(1) 燃烧初起到稳定状态所需时间不同。室内温度先下降后上升,在图3(b)场景2中此阶段持续时间比图3(a)场景1中要短很多。在图3(c)场景3中,调整阶段中的下降现象几乎可以忽略不计。

(2) 达到稳定阶段的分层现象不同,分层现象随着过流断面左开口的增大而变的明显,如图3(c)分层现象高于图3(a)(b)。

综合分析过流断面左开口7个角度,燃烧初起到稳定状态所需时间和室内不同高度温度变化规律均存在差异,如图4所示。

图4 不同过流断面达到稳定状态所需时间和室内温度变化图

(1) 图4(a)可知,不同通风条件下,随着左开口角度的增大,室内到达稳定状态所需的时间减小。究其原因是左开口角度不断增大,受限空间进风断面不断增大,通风条件逐渐变大,单位时间从外部进入受限空间内的氧气量增多,使室内燃烧反应能够以更快的速度达到稳定状态。

(2) 图4(b)可知,燃烧达到稳定状态后,室内温度随过流断面的增大总体呈降低趋势。究其原因是,随着过流断面增大,受限空间的通风面积逐渐变大,燃烧所产生的热量散失加快,散热使室内整体温度降低,尤其是底部更明显。

2.2 受限空间内烟气层高度变化规律

烟气层高度一般体现为竖直方向上温度明显升高的位置,即温度变化速率最大的高度。火灾发生后,由于热效应使火源上方空气温度升高,密度减小,迅速上升,热空气在空间顶部聚集,形成了一个温度较高的区域,而受限空间下部冷空气不断流入,使空间某区域近似出现上下分界层,分界层所处的高度即为烟气层高度。

将不同通风条件稳定状态下室内温度变化绘制成温度-高度曲线,如图5(a)所示,过流断面关闭进风条件为0时(场景1),0.7m高度位置温度曲线的斜率最大,即温度的变化率最大,可判定烟气层高度处于0.7m附近。同理,依次得出各通风条件下,室内烟气层高度。由图5(b)可以看出随着过流断面的扩大,烟气层高度呈上升趋势,其原因是随着通风条件的增加,室外新鲜气流更容易进入室内参与燃烧,同时出口的顶部也有更大的空间使得室内烟气排出,致使室内烟气层升高。

图5 不同过流断面稳态时室内温度和烟气层高度变化趋势

2.3 火溢流压力、速度分布

受限空间窗口处气体的流动取决于受限空间与环境的压差作用,在稳定状态下时,过流断面关闭(场景1)室内压力和速度分布如图6所示,压力方向与气流速度方向基本一致,压力大小与速度大小成正相关。

图6 过流断面关闭时(场景1)室内压力、速度分布图

将稳定状态窗口处气体压力和流速变化绘制成图,如图7所示。在垂直方向0.9～2.0m内,窗口截面压力随高度的增加而不断增大,在2.0～2.3m范围内,压力随高度增加不断减小,主要原因是此位置室内高温和烟气产生的高压向室外不断扩散,动压增加,相对静压减小,在窗口上方某区域内产生负压现象。在2.3m处的气体流速和压力同时减小,如图7(b)所示主要是因为此高度位于窗口上沿,一方面气体流经此位置发生流向的改变,与其他气体混合导致速度下降;另一方面,气体在紧贴壁面处流动受到墙体的边界效应,导致气体流速减慢[18]。