改進(jìn)點(diǎn)源法在火災(zāi)熱輻射計(jì)算中的應(yīng)用

李 玉，康青春

(中國人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院滅火救援技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北廊坊 065000)

改進(jìn)點(diǎn)源法在火災(zāi)熱輻射計(jì)算中的應(yīng)用

李 玉，康青春

(中國人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院滅火救援技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北廊坊 065000)

為了對火災(zāi)熱輻射進(jìn)行較為準(zhǔn)確的計(jì)算，借鑒CFD計(jì)算理論，對熱輻射點(diǎn)源模型進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)火焰寬度、燃燒速率相同的原則，對火焰進(jìn)行“離散”，對控制點(diǎn)的數(shù)量進(jìn)行分析，并試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)點(diǎn)源模型的精確性。結(jié)果表明:改進(jìn)點(diǎn)源模型實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)熱輻射的快速計(jì)算且精度較高，當(dāng)火焰高度上點(diǎn)源個(gè)數(shù)為71時(shí)，點(diǎn)源個(gè)數(shù)的增加對計(jì)算結(jié)果的改善不明顯;計(jì)算結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值偏高。

火災(zāi);熱輻射;點(diǎn)源模型;試驗(yàn);噴射火焰

石油化工企業(yè)的消防安全問題是關(guān)系到企業(yè)生存、發(fā)展的關(guān)鍵問題，一旦發(fā)生火災(zāi)事故，容易造成事故的升級和重大的經(jīng)濟(jì)損失，如大連中石油國際儲運(yùn)公司“7·16”油罐爆炸火災(zāi)、美國克利夫蘭天然氣火災(zāi)、西安“3·5”液化石油氣爆炸火災(zāi)等?；馂?zāi)撲救中的熱輻射問題是制定作戰(zhàn)方案、疏散周圍人群、控制火災(zāi)蔓延的重要問題，如處理不當(dāng)，易對救援人員和周圍設(shè)施造成傷害和破壞。目前，計(jì)算火災(zāi)熱輻射的模型主要有:點(diǎn)源模型、多點(diǎn)源模型和固體火焰模型。劉詩飛等［1］研究的點(diǎn)源模型認(rèn)為火焰的輻射熱由火焰軸線上半高度位置的一點(diǎn)或多個(gè)等分點(diǎn)發(fā)出，忽略火焰寬度的影響，其計(jì)算較為簡單，精確度差，特別是對大火災(zāi)的情況。楊昭［2］研究的固體火焰模型假設(shè)火焰形狀為半圓錐體，認(rèn)為火焰輻射熱由其表面發(fā)出，計(jì)算精度有所改善，但由于其過分依賴于火焰形狀和表面積分，其實(shí)用性不強(qiáng)。筆者結(jié)合點(diǎn)源模型和固體火焰模型的優(yōu)點(diǎn)，采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的思想，建立一種改進(jìn)的點(diǎn)源模型，以實(shí)現(xiàn)火災(zāi)熱輻射的快速計(jì)算。

1 離散模型

在CFD計(jì)算中，將計(jì)算區(qū)域離散為多個(gè)計(jì)算單元網(wǎng)格，網(wǎng)格上的物理量由其幾何中心點(diǎn)(控制點(diǎn))處的值取代，從而進(jìn)行各個(gè)方程的求解(圖1(a))。借鑒CFD模型，在火焰熱輻射點(diǎn)源模型計(jì)算中，為了較好地與實(shí)際相符，作如下假設(shè):

(1)模型中各個(gè)控制點(diǎn)之間不存在任何的物理量關(guān)系，無須對火焰形狀進(jìn)行實(shí)體的網(wǎng)格劃分，其關(guān)鍵是規(guī)劃好控制點(diǎn)的分布(圖1(b));

(2)各個(gè)控制點(diǎn)的燃燒速率相等，熱輻射通量均勻地從各個(gè)控制點(diǎn)發(fā)出;

(3)忽略由控制點(diǎn)的均勻分布與火焰幾何尺寸不能整分(增加或減少1個(gè)控制點(diǎn))而造成的誤差。

根據(jù)各個(gè)控制點(diǎn)燃燒速率相等的假設(shè)，各控制點(diǎn)之間的間距相等，即

式中，d為控制點(diǎn)間距，m;l、m、n為模型幾何尺寸;ni為控制點(diǎn)個(gè)數(shù)。

圖1 網(wǎng)格和控制點(diǎn)Fig.1 Grids and control points

2 火焰改進(jìn)點(diǎn)源模型

國內(nèi)外學(xué)者對池火焰［3］、氣體噴射火焰［4，7］等火焰形貌進(jìn)行了大量的研究和計(jì)算。在液體火災(zāi)中一般采用 Thomas公式［5］或 Heskestad 關(guān)聯(lián)式［6］;氣體噴射火焰使用Becker和Liang給出的無量綱經(jīng)驗(yàn)公式［7］。在實(shí)戰(zhàn)中，也可以根據(jù)目測的高度和寬度帶入模型?，F(xiàn)以Becker等給出的平截頭錐體火焰形貌(圖2)為例，建立火焰改進(jìn)點(diǎn)源模型。

圖2 平截頭錐體火焰Fig.2 Frustum cone flame

根據(jù)火焰寬度、燃燒速率相同的原則，對火焰進(jìn)行“離散”。當(dāng)火焰幾何尺寸不能整分時(shí)，將靠近邊界處的點(diǎn)移動(dòng)至邊界上，如圖3所示。在環(huán)向方向上，根據(jù)控制點(diǎn)之間間距相等的原則，將360°空間均分成6份。以火焰低端中點(diǎn)為原點(diǎn)，根據(jù)火焰幾何尺寸，按照式(1)進(jìn)行離散。

圖3 控制點(diǎn)分布Fig.3 Distribution of control points

控制點(diǎn)輻射源的熱釋放速率q為

式中，η為燃燒效率因子，一般取0.35;Q為氣體的泄漏量或液體燃燒速率，g/s;H為燃燒熱，W/m2。

單個(gè)控制點(diǎn)對距離該點(diǎn)L處目標(biāo)的熱輻射通量q'i為

式中，χ為輻射分?jǐn)?shù)，一般取0.2;α為目標(biāo)表面與該控制點(diǎn)i徑向方向的夾角，(°);L為目標(biāo)到該控制點(diǎn)i的距離，m。

3 控制點(diǎn)個(gè)數(shù)對結(jié)果的影響

控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)直接影響到計(jì)算的精度，但計(jì)算結(jié)果并不是隨控制點(diǎn)數(shù)量的增加而無限優(yōu)化。當(dāng)控制點(diǎn)達(dá)到一定數(shù)量，結(jié)果的精度達(dá)到基本穩(wěn)定。對不同火焰大小、不同點(diǎn)源個(gè)數(shù)(表1)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖4(圖4(a)～(d)對應(yīng)表1中編號a～d的計(jì)算條件)所示。

表1 計(jì)算條件Table 1 Calculation conditions

由圖4可以看出:單點(diǎn)源模型與改進(jìn)點(diǎn)源模型計(jì)算結(jié)果存在較大差別，誤差分別為1%、20%、6%和33%;隨著火焰的增大，結(jié)果誤差逐漸增大;當(dāng)火焰高度上點(diǎn)源個(gè)數(shù)為71時(shí)，點(diǎn)源個(gè)數(shù)的增加對計(jì)算結(jié)果的改善不明顯。本文在計(jì)算中確定點(diǎn)源數(shù)為71。

圖4 計(jì)算結(jié)果對比Fig.4 Comparison of calculation results

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了便于試驗(yàn)，取家用15 kg液化石油氣儲罐進(jìn)行計(jì)算。常溫常壓下，儲罐在角閥處發(fā)生泄漏，泄漏直徑d=8 mm，儲罐絕對壓力p1=200 kPa，分析其泄漏和熱輻射情況。

整體試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)如圖5所示。由液化氣罐、壓力傳感器、流量傳感器、溫度采集系統(tǒng)和熱輻射采集系統(tǒng)組成。進(jìn)行試驗(yàn)前，必須對管道進(jìn)行耐壓性和氣密性檢測，確保管道的耐壓性和密封性，防止回火和泄漏事故的發(fā)生。

圖5 試驗(yàn)裝置Fig.5 Experimental device

為了安裝方便，試驗(yàn)裝置管道直徑取dg=15 mm，在火焰高度和熱輻射計(jì)算中要進(jìn)行管徑的換算。以噴射口中心點(diǎn)為柱坐標(biāo)系原點(diǎn)，取點(diǎn)1(0.35，0.8)和點(diǎn)2(0.6，1.5)作為輻射熱測試點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果見表2，由誤差分析可知，泄漏量、火焰高度、輻射熱 q1、輻射熱 q2的誤差分別為13.8%、8.1%、2.4%和8.2%。

由表2可以看出，計(jì)算結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值偏大，其中，流量的誤差比較大，誤差主要由理想氣體泄漏方程與實(shí)際泄漏狀態(tài)方程的差別造成，可以根據(jù)實(shí)際泄漏量進(jìn)行修正。根據(jù)最大危險(xiǎn)性原則，可以利用本文的計(jì)算方法和程序?qū)馂?zāi)的熱輻射進(jìn)行快速計(jì)算，為石油化工企業(yè)設(shè)施的火災(zāi)預(yù)防規(guī)劃、滅火救援中警戒區(qū)域的制定和人員疏散等提供參考。

表2 計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對比Table 2 Comparison of calculated and experimental results

5 結(jié)束語

根據(jù)火焰寬度、燃燒速率相同的原則建立了火焰熱輻射改進(jìn)點(diǎn)源模型，計(jì)算精度較單點(diǎn)源模型大大改善。對控制點(diǎn)的數(shù)量進(jìn)行了分析，當(dāng)火焰高度上點(diǎn)源個(gè)數(shù)約為71時(shí)，點(diǎn)源個(gè)數(shù)的增加對計(jì)算結(jié)果的改善不明顯。以氣體噴射火焰為例，試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)點(diǎn)源的計(jì)算精度，計(jì)算結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果偏高。改進(jìn)點(diǎn)源模型實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)熱輻射的快速計(jì)算且精度較高，可為石油化工企業(yè)設(shè)施的火災(zāi)預(yù)防規(guī)劃、滅火救援中警戒區(qū)域的制定和人員疏散等提供參考。

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Application of improved point source model in fire radiation calculation

LI Yu，KANG Qing-chun

(Fire Fighting ＆ Rescue Techniques of Key Laboratory of Ministry of Public Security，Chinese People's Armed Police Force Academy，Langfang 065000，China)

In order to accurately calculate the fire radiation，the point source model was improved based on CFD theory.Fully considering the flame width and uniform burn rate，the fire was scattered.The influence of control point's number was analyzed，and the accuracy of improved point source model was verified through the experiment.The results show that the improved point source model can achieve rapid fire radiation calculation and the precision is high.When the number of point sources on the flame height is 71，the increase in the number of point sources has little effect on the calculation results.The calculated results is higher than the experimental results.

fire;heat radiation;point source model;experiment;jet flame

X 937

A >

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.04.026

1673-5005(2011)04-0140-04

2011－04－11

公安部應(yīng)用創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2008YYCXWJXY115)

李玉(1981－)，男(漢族)，山東茌平人，講師，博士，主要從事消防與應(yīng)急救援領(lǐng)域的研究工作。

(編輯 沈玉英)