不同通风条件下受限空间火溢流模拟研究.pdf

收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；河北省教育厅科技项目（）；中央高校基本科研业务资助项目（，）作者简介：张超（），男，河北涞水人，华北科技学院安全工程学院副教授，研究方向：矿山安全技术及管理、安全监管监察技术。：移动扫码阅读：张超，倪鑫，宋富美 不同通风条件下受限空间火溢流模拟研究 华北科技学院学报，（）：，（）：不同通风条件下受限空间火溢流模拟研究张 超，倪 鑫，宋富美（华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊）摘 要：为研究不同通风条件对受限空间内可燃物燃烧时温度、压力、风速的影响，采用 数值模拟的方法，通过在受限空间火灾场景下设置不同的过流断面，对室内温度、烟气层高度、窗口处压力和流速进行模拟分析。结果表明，随着过流断面的增大，进风面积逐渐增大，烟气层逐渐升高，烟气层温度逐渐降低，窗口处压力和流速随着高度的增加呈现先增加后减小趋势。研究结果证明了受限空间火灾如果处于通风不良状态时，应尽量不要改变室内通风条件，以便减小火灾影响，为受限空间现场处置、应急救援方法制定和火灾防治奠定了基础。关键词：受限空间；通风条件；烟气层；温度分布；数值模拟中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；第 卷第 期 年 月华北科技学院学报 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。对于受限空间内火灾温度的研究，前人做了大量工作，如：基于能量守恒定律提出了 温度预测公式；补充了强制通风（）条件下的温度数据，进而修正了 温度预测公式；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；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。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；等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；和唐飞等通过实验对 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，其中赵国祥通过 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；姜玉曦对 和 的实验进行数值模拟，其模拟结果与、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，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 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。受限空间火灾模型建立 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 方程。研究采用（）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（），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：质量方程：（）动量方程：（）（）能量方程：（）（）（）组分方程：（）（）式中，为气体密度，；为时间，；为气体速度，；为压力，；为体积力，；为切应力，；为焓，；为单位体积燃料的热释放率，；为对流与辐射热流率，；为耗散函数；为第 种组分的质量分数；为第 种组分的扩散系数；为单位体积内第 种组分的生成率（或损失率）。受限空间火灾模型参数确定以有 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。第 期张 超等：不同通风条件下受限空间火溢流模拟研究表 各构件规格尺寸名 称规格 尺寸名 称规格 尺寸受限空间内部 墙体厚 左开口尺寸 墙体热导系数 （）火源尺寸 火源热通量密度 右侧开口尺寸 火源功率 开口最低点高度 如图（）所示，在室内中心位置 处设置可燃物，同时监测火源温度、压力、速度变化，如图（）所示，距离墙 的角落（测点）、开口处中心位置（测点）沿竖直方向设置多个温度传感器，其竖向间距为 。测点 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 个不同的场景见表，模拟时间设置为。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 模型示意图表 火灾场景设置情况名 称开 口 条 件场景 左开口（关闭）场景 左开口 场景 左开口 场景 左开口 场景 左开口 场景 左开口 场景 左开口 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，依据公式（）计算火灾特征直径，确定网格大小。（）式中，为火灾特征直径，；为总热释放速率，；为环境空气密度，；为环境空气比热，；为环境空气温度，；为重力加速度，。模型的火灾特征直径 为 ，模型采取 尺寸的网格。结果分析 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（左开口关闭）、场景（左开口）、场景（左开口）时，室内温度沿竖直方向变化情况如图 所示。图 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、，以上与 相似），提取不同时间点 切面的温度分布图，如图 所示。华北科技学院学报 年第 期图 过流断面（、）时室内不同高度温度趋势图图 不同场景可燃物燃烧不同阶段温度分布图观察各场景温度变化趋势图，得出温度变化规律如下：（）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 所示，此阶段在整个燃烧过程中温度升高速率最快。（）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 第 期张 超等：不同通风条件下受限空间火溢流模拟研究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。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。（）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 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。（）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（）场景 中此阶段持续时间比图（）场景 中要短很多。在图（）场景 中，调整阶段中的下降现象几乎可以忽略不计。（）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（）分层现象高于图（）（）。综合分析过流断面左开口 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 所示。图 不同过流断面达到稳定状态所需时间和室内温度变化图（）图（）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。（）图（）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。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（）所示，过流断面关闭进风条件为 时（场景），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 附近。同理，依次得出各通风条件下，室内烟气层高度。由图（）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。华北科技学院学报 年第 期图 不同过流断面稳态时室内温度和烟气层高度变化趋势 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）室内压力和速度分布如图 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 过流断面关闭时（场景）室内压力、速度分布图图 不同通风条件火溢流压力、速度变化图将稳定状态窗口处气体压力和流速变化绘制成图，如图 所示。在垂直方向 内，窗口截面压力随高度的增加而不断增大，在 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 第 期张 超等：不同通风条件下受限空间火溢流模拟研究区域内产生负压现象。在 处的气体流速和压力同时减小，如图（）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。结论（）受限空间内可燃物燃烧大致分为三个阶段，即快速上升阶段、调整阶段、稳定阶段。随着过流断面的增大，可燃物达到稳定燃烧状态所需的时间逐渐减小；当燃烧进入稳定期后，室内烟气层的温度随过流断面的增加而逐渐减小。（）受限空间内可燃物处于稳定燃烧阶段时，随过流断面增大，室内烟气层高度逐渐升高；火溢流压力和气体流动方向一致，压力大小和速度大小成正相关，窗口处压力随着高度的增加呈现先增加后减小趋势，压力减小的原因是空气在此处流速增大，动压变大，相对静压变小。（）受限空间内火灾与过流断面大小有直接联系。结合生活实际，如果存有大量易燃物的仓室发生火灾，在不了解室内燃烧情况时，不可冒然打开房门。如果冒然开门，一方面溢出的火焰会对自身带来伤害，另一方面开门将加快室内火灾蔓延，增加灭火难度。参考文献：任飞 不同通风及上下双层腔室火灾演化与开口火溢流行为研究 中国科学技术大学，：，（）：，：，（）：，（），：，（）：唐飞 不同外部边界及气压条件下建筑外立面开口火溢流行为特征研究 中国科学技术大学，：赵国祥，朱国庆 通风控制型火灾及外立面火焰模拟准确性研究 消防科学与技术，（）：亓延军，崔嵛，赵艳萍，等 窗口溢流火燃烧试验与数值模拟研究 安全与环境学报，（）：姜玉曦，任玉新