FDS6 對隧道火災溫度場模擬的適用性研究

鐘 委，李兆周，呂金金，梁天水

(鄭州大學 化工與能源學院，河南 鄭州450001)

0 引言

在隧道火災的相關研究中，F(xiàn)DS 作為國內(nèi)外學者普遍認可的分析和驗證性工具得到了大量運用，如研究隧道火災羽流撞擊區(qū)最高溫度［1］，抑制煙氣逆流臨界縱向風速［2］，隧道自然排煙效果［3］等．因此，F(xiàn)DS 對隧道火災溫度場模擬的準確性尤為重要． Chen［4］通過實驗和FDS5 研究了隧道內(nèi)煙氣流動和溫度分布;Hu［5］針對隧道頂棚下方最高溫度開展了全尺寸火災實驗模擬，并將FDS5 模擬的最高溫度與實驗值進行了對比．研究結(jié)果表明，F(xiàn)DS5 的模擬值與實驗值吻合得相當好，可以有效地模擬火災中煙氣流動和熱傳遞過程．2012 年12 月，NIST 發(fā)布了最新版FDS6，在原有模型的基礎上進行了許多重要改進．其中，在原LES 模型的混合分數(shù)燃燒模型基礎上，采用了部分擾動分批處理反應器模型(Partially - Stirred Batch Reactor)，目的是為了更好地模擬湍流燃燒．當然，增加新特性后，軟件對隧道火災的模擬效果還有待進一步驗證．因此，筆者采用FDS6 中LES 模型模擬隧道火災場景，研究隧道內(nèi)火源區(qū)域溫度分布和縱向風作用下頂棚下方最高溫度．

1 理論基礎

FDS5 包括兩種燃燒模型:混合分數(shù)燃燒模型和有限速率多步反應模型．FDS6 在FDS5 燃燒模型的基礎上進行了較大改進．無化學反應發(fā)生時，網(wǎng)格內(nèi)局部質(zhì)量分數(shù)如下:

式中:Yα為初始物質(zhì)α的質(zhì)量分數(shù);τmix為網(wǎng)格內(nèi)特征混合時間為網(wǎng)格內(nèi)物質(zhì)α 的平均質(zhì)量分數(shù)．

在模型中，網(wǎng)格內(nèi)某一個時刻只存在兩種狀態(tài):完全未混合和完全混合．

次網(wǎng)格的概率密度函數(shù)(PDF)如下:

式中:δ(x)為單位脈沖函數(shù);ψα為組成的樣本空間且ψα∈(0，1);w1，w2，w3為權重．

只有在燃料和氧氣混合后的區(qū)域才可能發(fā)生化學反應．這里分為兩個部分:混合(質(zhì)量從未混合區(qū)到混合區(qū))與反應．在FDS 每一步計算完后，混合區(qū)和未混合區(qū)重新產(chǎn)生最終的網(wǎng)格內(nèi)平均質(zhì)量分數(shù)(t)．

式中:mα為物質(zhì)α 的質(zhì)量;M(t)為已混合質(zhì)量;U(t)為未混合質(zhì)量．一旦知道最后混合區(qū)域的質(zhì)量，通過重組混合區(qū)和非混合區(qū)的份額，計算區(qū)域的結(jié)構(gòu)為

式中:ζ 為未混合分數(shù)．

2 模擬試驗設計

2．1 模型參數(shù)設定

隧道尺寸為60 m ×10 m ×5 m(長× 寬×高)．火源設置在隧道中心30 m 處，尺寸為1 m×1 m×0．2 m(長×寬×高)． 在距隧道入口30 m處的火源中心線上，每隔0．2 m 設置一個熱電偶，共設置24 個．在距隧道頂部0．2 m 處，設置的第一個熱電偶距中心線為0．5 m，設置其它熱電偶的間距為1 m，共設置20 個，如圖1 所示．

圖1 隧道模型示意圖Fig．1 Schematic view of tunnel model

2．2 網(wǎng)格設置

FDS 用戶指南［6］建議在計算網(wǎng)格系統(tǒng)時可以參考特征火源直徑與網(wǎng)格尺寸的比值，即D*/δ(x)．其中，特征火源直徑定義為

研究表明，當D*/δ(x)的取值在4 ～16 時，數(shù)值模型可以很好地解決火災煙氣中的湍流問題．經(jīng)計算，火源功率5 MW 較適合的網(wǎng)格大小在0．10 ～0．45 m 之間．

7 種不同網(wǎng)格大小模擬的火源上方溫度如圖2 所示． 從圖可知，當網(wǎng)格密度大于0．1 m 時，隧道高度4 ～5 m 處溫度變化不大． 因此，網(wǎng)格選取0．1 m×0．1 m×0．1 m 時符合網(wǎng)格獨立性要求．

2．3 試驗算例設置

模擬的算例可以分為2 個系列，隧道尺寸、熱電偶布置、網(wǎng)格設置都相同，火源燃料均為煤油，環(huán)境溫度為20 ℃．在系列1 中分別利用FDS6 和FDS5 模擬火源功率為5 MW，無縱向風時隧道火災羽流區(qū)溫度分布;系列2 中分別利用FDS6 和FDS5 模擬工況4 ～25，所有工況都考慮熱輻射效應，如表1、表2 所示．

圖2 火源上方垂直溫度分布Fig．2 The vertical temperature distribution above the fire source

表1 系列1 工況的參數(shù)設置Tab．1 Parameter settings of series 1

表2 系列2 工況的參數(shù)設置Tab．2 Parameter settings of series 2

3 結(jié)果與討論

3．1 火源區(qū)溫度分布

圖3 給出了火源功率為5 MW 時，采用FDS6和FDS5 模擬得到的火源區(qū)溫度分布． 從圖3 可以看出，F(xiàn)DS6 模擬的火源高溫區(qū)主要集中在火源底部，出現(xiàn)了溫度超過1 000 ℃區(qū)域，而溫度超過800 ℃的區(qū)域主要集中在2 m 以下，頂棚下方出現(xiàn)了470 ℃的溫區(qū)．FDS5 模擬的羽流底部溫度不高于600 ℃，而800 ℃高溫區(qū)出現(xiàn)在羽流中部，并在頂棚下方出現(xiàn)了1 000 ℃的高溫．

在火羽流周圍空氣區(qū)溫度分布方面，F(xiàn)DS5 模擬結(jié)果中火羽流附近空氣溫升不明顯，圖3(b)中25 ℃等溫線高度在4 m 左右，這表明火源對周圍空氣的加熱作用不明顯，絕大部分熱量在羽流內(nèi)部傳遞． 而FDS6 的模擬結(jié)果中火羽流附近空氣有明顯溫升，圖3(a)中25 ℃等溫線高度降到了1．5 m．

圖3 過火源截面溫度分布Fig．3 The temperature distribution of fire section

由以上分析可知，F(xiàn)DS6 對燃燒模型的算法改進后，模擬的燃燒反應主要集中在火羽流底部，且輻射熱損失較大，而FDS5 模擬的燃燒反應主要集中在羽流中上部．因此，隧道頂棚下方羽流撞擊區(qū)的溫度必然低于FDS5 的模擬結(jié)果．

3．2 熱輻射對羽流溫度的影響

為了驗證熱輻射對羽流溫度分布的影響，在算例3 中關閉了FDS6 中的熱輻射選項，對火源功率為5 MW 時羽流溫度分布進行了模擬，結(jié)果如圖4 所示．可以看出，在不考慮羽流熱輻射的情況下，羽流周圍空氣溫度有明顯的降低，其中25℃等溫線升高至4 m 左右;而羽流高溫區(qū)也升溫明顯，800 ℃高溫區(qū)超過了2 m，頂棚下方出現(xiàn)了500 ℃以上的高溫．對比圖3(a)可見:FDS6 中由于熱輻射作用，導致羽流內(nèi)部溫度下降．

圖4 不考慮熱輻射時羽流溫度分布Fig．4 The plume temperature distribution without radiant heat

3．3 頂棚下最高溫度

在隧道火災中，火源上方及近火源區(qū)域產(chǎn)生的高溫常常對隧道拱頂結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴重破壞，因而對隧道頂棚下方煙氣最高溫度的研究具有重要意義．Kurioka［7］通過小尺寸試驗，對不同縱向風速下隧道內(nèi)火源區(qū)溫度進行了研究，建立了經(jīng)驗關系式預測頂棚下最高溫度． 將Kurioka 最高溫度模型的預測值與FDS6、FDS5、Li［8］(FDS5)、周湘川［9］(FDS5)的模擬值及Liu［10］、Ingason［11］、王彥富［12］的實驗結(jié)果進行比較，如圖5 所示．

圖5 Kurioka 最高溫度模型與模擬值和實驗值比較Fig．5 Comparison of maximum temperature by the model of Kurioka，simulations and previous experiments

從圖5 可知，F(xiàn)DS5 模擬的羽流撞擊區(qū)最高溫度與Kurioka 模型的預測值符合的較好，Liu、王彥富和Ingason 的實驗也驗證了Kurioka 模型的有效性．FDS6 模擬的最高溫度增長趨勢與Kurioka模型基本一致，也可分為增長段和穩(wěn)定段． 然而FDS6 模擬的最高溫度明顯低于Kurioka 模型的預測值，當火源功率較小或者縱向風較大，即Q'2/3/Fr1/3＜0．4 時，二者的偏差尤為嚴重．

4 結(jié)論

(1)采用新的湍流燃燒模型后，F(xiàn)DS6 模擬的燃燒反應主要集中在火羽流底部，且輻射熱損失較大，羽流的熱量有相當部分通過熱輻射的形式向周圍空氣傳遞，導致以對流形式在羽流內(nèi)部傳遞的熱量減少．

(2)FDS5 模擬的隧道頂棚最高溫度值與Kurioka 模型的預測值及實驗值符合較好;而FDS6模擬的最高溫度值則明顯低于Kurioka 模型的預測值，在火源功率較小或者縱向風較大的情況下，F(xiàn)DS6 的模擬結(jié)果與Kurioka 模型預測值偏離較為嚴重，在使用FDS6 對隧道火災進行數(shù)值模擬計算時應注意．

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