基于FDS大涡模拟的工业建筑喷射火模拟分析

张 城 王子云 陈星百 向 月

（1.四川大学建筑与环境学院 成都 610065；2.宜宾四川大学产业技术研究院 宜宾 644002；3.重庆科技学院安全工程学院 重庆 401331）

0 引言

工业火灾事故的频发造成了人员伤亡和财产损失，给社会带来不利影响。喷射火事故是工业建筑火灾的一种形式，由加压的可燃物质泄漏时形成射流，在泄漏口处点燃而形成。喷射火火焰及其热辐射会对周围人员、建筑和设备造成伤害。并且喷射火具有较大的初速度，带有很大的冲击力，会给泄漏口附近的设施带来巨大的破坏，甚至可能引发二次灾害，合适条件下火焰能迅速扩展到几十米以外，充分与周围空气进行混合，燃烧更为剧烈，热辐射影响范围大[1]。

各位学者针对喷射火展开了许多研究，陈东生等[2]对室外高压天然气管道进行喷射火燃烧特性实验。聂璇等[3]对气固体混合物喷射火的火焰温度、高度展开实验研究。Zhou 等[4]提出了高压氢气/天然气泄漏引发的火灾理论框架。Tong 等[5]建立了射流火灾模型，并利用Matlab 软件确定喷射火的影响区域；何杰等[6]提出了精度更高且更符合实际喷射火危害区域的线性积分模型。张媛媛等[7]利用FDS 软件模拟矩形泄漏孔在不同泄漏速度下的喷射火热辐射分布。王小完等[8]利用PHAST 平台基于大孔模型对天然气管道泄漏火灾进行模拟分析。还有学者利用FLACS 软件[9]、Fluent 软件[10]对喷射火进行数值模拟。

学者们在实验、理论研究、数值模拟方面对喷射火的燃烧特性以及危害进行研究，在前人研究的基础上，比较FDS 大涡模拟结果与喷射火经验模型计算结果，探究两者间热辐射强度和伤害半径的差异，验证喷射火模型的有效性。再利用FDS 软件在不同风速条件下对某工业建筑罐区喷射火事故进行数值模拟，探究喷射火的火焰发展、热辐射强度和对相邻建筑造成的影响。

1 FDS 大涡模拟

FDS 是由美国标准技术研究院NIST（National Institute of Standards and Technology）开发，用于分析火灾的模拟软件，通过求解Navier-Stokes 方程来模拟计算火灾的烟气流动以及热传递的过程，还能够模拟安装喷淋设施以及其他的灭火设施时火灾的发展蔓延过程。FDS 常使用大涡模拟（Large Eddy Simulation，简称LES）求解真实火灾场景下的湍流问题，首先是需要通过滤波函数从瞬时N-S方程将尺度小于滤波函数尺度的涡过滤掉，从而得到可以直接模拟的大涡场的运动方程，而被滤掉的小尺度涡对大涡流动的影响，则通过在大涡流场的运动方程中引入附加应力项来体现，被引入的应力项称为亚格子尺度应力，而构建亚格子尺度应力的数学模型称为亚格子尺度模型（SubGrid-Scale Model，简称SGS）。

滤波后的Navier-Stokes 控制方程为[11]：

式中，τij为亚格子尺度应力；为应变率张量。亚格子尺度模型中的亚格子尺度应力可表示为：

式中，μt为亚格子湍流粘性系数,采用Smagorinsky-Lilly 模型计算：

式中，LS为亚格子尺度混合长度；k为Karman常数；d是到最近壁面的距离；V为计算控制体的体积；CS为Smagorinsky 常数。

2 喷射火经验模型

喷射火理论模型主要分为单点源模型、多点源模型和圆锥体模型三种。单点源模型是把喷射火看成一个点源，喷射火能量由此点源向四周进行传递；多点源模型将喷射火看成一条线段，喷射火能量由此线段逐渐向四周进行传递；圆锥体模型则是把喷射火看成一个处于倒立状态的圆锥体，与单点源模型和多点源模型相比，此种模型的能量传递方式与实际喷射火焰更为相像，在理论研究中，更多的科研工作者将喷射火看成圆锥体模型[7,12]。

以圆锥体模型为基础的喷射火研究过程中，Thornton 模型是Chamberlain 在前人研究基础上，基于（烃类）喷射火焰形状研究得出的半经验模型，该模型接受了风洞实验和现场实验的检验，包括陆地和水面上的大量实验，应用范围较为广泛[13]。根据理论分析和实验数据对比验证结果，Chamberlain总结得出距泄露孔距离r处的热辐射强度计算公式如下[14,15]：

式中：Ir为r处的热辐射强度，kW/m2；η为效率因子，取0.35；M为物质泄露量，kg/s；Hc为物质燃烧热，kJ/kg；Tjet为辐射率系数，喷射火取1；r为目标到泄露口处的距离，m。

3 数值模拟模型验证

以甲烷为例通过FDS 大涡模拟结果验证喷射火经验模型热辐射强度和伤害半径的准确性。甲烷的理化性质如表1 所示。

表1 甲烷的理化性质Table 1 Physical and chemical properties of methane

3.1 热辐射强度验证

本次验证取0.4m 的网格尺寸进行模拟，模拟区域为20m×50m×50m。喷射火通常发生在室外条件下，在FDS 软件PyroSim 内将除地面外的其他边界设为开放边界，添加甲烷的燃烧反应和粒子模型，设置点火源表面和泄露表面，添加点火口和泄露口，泄露口面积为0.36m2，位置为（10，5，0），泄露质量速率为3.6kg/s。在X=10m 所在平面横向和纵向间隔2m 分别设置热辐射强度探测器（Radiative Heat Flux Gas），设置模拟时间为30s。

已知甲烷的泄露质量速率为3.6kg/s，燃烧热为55687.5kJ/kg，根据式（4）可得甲烷喷射火模型距离泄露孔r处的热辐射强度可表示为式（5），函数图像如图1 所示。

图1 甲烷Thornton 模型热辐射强度和与泄露孔距离关系曲线Fig.1 The relationship curve of thermal radiation intensity and distance from leakage hole in Thornton model of methane

经过FDS 模拟，甲烷喷射火在5s 左右达到稳定状态，在30s 的模拟时间内，得到各测点热辐射数据1000 组，在泄露孔附近的几个测点所得辐射强度数据较大，主要受到黑体辐射和火焰影响；在喷射火焰最高处附近的辐射强度波动较大，受到火焰脉动的影响。喷射火焰可以分为两部分，火焰内部的稳态火焰和火焰外部的间歇性火焰。稳态火焰燃烧比较稳定，传热比较稳定，因此所形成的热辐射强度也比较稳定。间歇性火焰是由于随着火灾的持续发展，热驱动火焰周围空气流动，冷空气下沉，热空气上升，促使火焰附近周围空气形成卷吸现象，进而可能会干扰稳态火焰的稳定性，使得稳态火灾周围出现湍流现象，间歇性火焰由此产生，引起火焰的不稳定和传热的不稳定。

为了数据的准确性，只统计火焰影响范围外20-30s 内处于较稳定状态的测点的热辐射强度，以同一高度最大的平均值作为此距离的热辐射强度，所得结果与Thornton 喷射火模型进行比较，比较结果如图2 所示。Thornton 喷射火模型计算结果与FDS 模拟结果所得的热辐射强度变化趋势是一致的，与泄露孔距离越远，热辐射强度越小，其变化率也越小。FDS 模拟结果与Thornton 喷射火模型经验公式计算结果最大误差为20%，随着距离的增大，误差逐渐减小，Thornton 喷射火模型是在理想化的辐射环境下进行计算，而实际的喷射火辐射强度受到火焰黑体辐射的影响，距离泄露孔越近，黑体辐射越强，对热辐射强度的影响越大，距离越远，其影响越小，所以Thornton 喷射火模型与FDS 大涡模拟的热辐射强度结果的差值会随着距离的增大而减小。

图2 Thornton 喷射火模型与FDS 大涡模拟结果比较Fig.2 The result compared between Thornton Jet fire model and FDS Large Eddy Simulation

3.2 伤害半径验证

根据式（5）计算各热辐射强度对应的理论伤害半径，与FDS 大涡模拟及拟合结果比较如表2所示。由于黑体辐射的影响，导致同一距离内FDS大涡模拟热辐射强度大于Thornton 喷射火模型，等热辐射强度条件下，FDS 大涡模拟结果与泄露孔距离更近，所以Thornton 喷射火模型的理论伤害半径比FDS 模拟伤害半径更大，并且随着距离的增大，误差逐渐减小。

表2 Thornton 喷射火模型与FDS 大涡模拟伤害半径比较Table 2 Damage radius compared between Thornton Jet fire model and FDS Large Eddy Simulation

4 喷射火场景模拟

4.1 模型建立与参数设置

以某化工企业罐区为例，依照建筑图纸和现场图片信息，通过SketchUp 软件处理生成该企业罐区几何模型，完成建模后，将在SketchUp 建立的工厂三维立体模型以DXF 格式导出并保存，然后通过Pyrosim 导入上述DXF 格式文件并加以修改，最后转换为FDS 输入文件格式。构建如图3 所示的几何模型。

图3 几何模型Fig.3 Geometric model

设置0.25m2方形泄露口、泄露速率为9.625kg/s的喷射火场景。环境压力为常压101325Pa，环境温度为20℃，模拟时间为30s，网格大小为0.5m。在FDS 软件PyroSim 内将除地面外的其他边界设为开放边界，模拟自然环境下网格边界动力和热量的传递。探究储罐高压储存甲烷时沿-Y 方向发生喷射火事故，不同风速条件下对喷射火热辐射强度和对相邻建筑的影响。

4.2 模拟结果与分析

对于火焰发展过程，图4 表示无风环境下喷射火灾火焰发展过程，燃烧初期，泄露的甲烷具有很高的初速度，火焰处空气压力降低，并且空气受热上升，受气压影响，甲烷与空气充分混合，喷射火在0.5s 时形成蘑菇云形状，在1.5s 时持续沿泄露方向喷射，2.5s 时，火焰到达沿泄露方向最远距离，并迅速向左右和上方膨胀，蘑菇云形状的喷射火焰逐渐变大，在3.5s 时，泄露的甲烷经过充分燃烧，蘑菇云火焰膨胀至最大范围后消失。5.5s 后，喷射火焰形态与喷射距离不再有大的变化。图5 至图7分别表示沿X 方向风速为2m/s、5m/s、8m/s 时的喷射火火焰发展过程，与无风环境下的喷射火焰发展过程类似，风速条件下增加了喷射火焰的扰动，火焰沿X 方向倾斜，喷射距离有所减少，并且随着沿X 方向风速的增大，喷射火焰沿X 方向更加倾斜且倾斜得越来越快，火焰稳定前的喷射距离越来越短，喷射火焰没有直接接触到喷射方向的相邻建筑。相比于无风环境下，随着风速的增大，蘑菇云状的喷射火焰越不明显，并且消散更快，风速为8m/s 时，蘑菇云状火焰迅速向X 方向膨胀，充分燃烧消散后火焰倾角逐渐变缓，最后稳定沿倾斜方向形成喷射火。

图4 无风环境下喷射火火焰发展过程Fig.4 The flame development of jet fire in a windless environment

图5 沿X 方向2m/s 风速下喷射火火焰发展过程Fig.5 The flame development of jet fire at a wind speed of 2m/s along the X direction

图6 沿X 方向5m/s 风速下喷射火火焰发展过程Fig.6 The flame development of jet fire at a wind speed of 5m/s along the X direction

图7 沿X 方向8m/s 风速下喷射火火焰发展过程Fig.7 The flame development of jet fire at a wind speed of 8m/s along the X direction

图8 表示各风速条件下30s 时沿喷射方向的温度场分布状况。火焰的最高温度均达到970℃，由于风速的影响，随着风速的增大，火焰逐渐倾斜，沿喷射方向的温度分布范围逐渐减小，火焰沿平面的覆盖面积增大。

图8 各风速条件下30s 时喷射火温度场分布Fig.8 Temperature distribution of jet fire at 30s under different wind speed conditions

各风速条件下与事故储罐相邻的储罐温度监测均为环境温度，事故未对相邻储罐造成影响。对于喷射方向上的相邻建筑，无风环境下喷射方向相邻建筑30s 内最大热辐射强度在2.64s 时达到最大值，为84.37kW/m2；2m/s 时在2.22s 达到最大值，为17.57kW/m2；8m/s 时在6.6s 达到最大值，为7.7kW/m2。随着风速的增大，喷射方向相邻建筑受到的最大热辐射减小，并且达到最大值的时间延长。图9 表示了各风速条件下喷射方向上相邻建筑的温度变化。随着时间的增加，相邻建筑的表面温度呈现先增加后减小的趋势，无风时的温度最高为35℃，随着风速的增大，温度的波动增强，20s 后喷射火焰较为稳定时的建筑表面温度随着风速的增大而减小，喷射火事故对相邻建筑的影响减小。

图9 各风速条件下喷射方向上相邻建筑的温度变化Fig.9 Temperature changes of adjacent buildings in the direction of injection under different wind speed conditions

5 结论

通过比较喷射火经验模型和FDS 大涡模拟的热辐射强度和伤害半径，验证模型的有效性，并用FDS 大涡模拟软件对某企业罐区建筑进行喷射火场景模拟，模拟不同风速条件下喷射火焰的发展过程和热辐射强度变化，通过对结果的比较分析，得出了以下结论：

（1）喷射火经验模型与FDS 大涡模拟结果基本吻合，由于火焰黑体辐射的影响，FDS 大涡模拟的热辐射强度结果高于喷射火经验模型，并且热辐射强度和伤害半径的误差均随着离泄露孔距离的增大而减小。

（2）随着风速的增大，喷射火焰受到扰动增强，更加沿来风的方向倾斜，火焰覆盖的面积增大。

（3）相邻罐区未受到喷射火的影响，喷射方向上的相邻建筑受到的最大热辐射强度为84.37kW/m2，并且建筑表面的热辐射强度和温度随着风速的增大而减小，企业要加强对极端天气的防范和对建筑间的合理布局。

（4）不足与展望：未在变风速条件下和不同喷射位置对工业建筑喷射火进行模拟分析，未来可以继续模拟更多的工业建筑喷射火场景，深入探究各类参数对喷射火的影响。