基于有限元熱分析的原木楞堆火焰溫度場(chǎng)1)

薛 偉 耿志偉 汪洪濤

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

東北林區(qū)貯木場(chǎng)具有木材生產(chǎn)、貯存和銷售三大特性，在木材的產(chǎn)銷之間起調(diào)節(jié)和緩沖作用。因木材生產(chǎn)季節(jié)性強(qiáng)，貯木場(chǎng)內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間存放大量原木、原條和木材加工產(chǎn)品，且原木貯存方式以楞堆為主[1]。一旦貯木場(chǎng)發(fā)生火災(zāi)，由于楞堆的特殊結(jié)構(gòu)及分布，大量原木、原條以及木產(chǎn)品將被燒毀，經(jīng)濟(jì)損失非常慘重。許多學(xué)者對(duì)原木楞堆火焰溫度場(chǎng)進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究。如:貯木場(chǎng)楞堆燃燒溫度場(chǎng)數(shù)值模擬試驗(yàn)[2]、貯木場(chǎng)楞堆火災(zāi)的實(shí)驗(yàn)研究[3]、貯木場(chǎng)楞堆火災(zāi)場(chǎng)景模擬設(shè)計(jì)[4]等。但利用有限元熱分析，對(duì)原木楞堆火焰溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，目前還未見報(bào)道。本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)布置以及有限元軟件的可視化[5]，運(yùn)用有限元熱分析，對(duì)貯木場(chǎng)原木楞堆表面火焰溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，可直觀了解原木楞堆火災(zāi)發(fā)展過(guò)程，為及時(shí)控制楞堆火災(zāi)提供數(shù)據(jù)參考。

1 原木楞堆火焰溫度場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)概述

所選的落葉松的直徑在0.25～0.30 m，長(zhǎng)度為1 m，平均含水率15%，共五層，底層10根，向上依次為9根、8根、7根，最上層6根。周圍環(huán)境溫度10℃，最大風(fēng)速7 m/s，平均風(fēng)速3 m/s。測(cè)點(diǎn)裝置為K型熱電偶，測(cè)量燃燒過(guò)程中楞堆內(nèi)部及楞堆周圍的溫度。楞堆外部距離楞堆側(cè)面0.5 m處分別布置4個(gè)熱電偶(分兩層，每層2個(gè))共16個(gè)，T1～T16;楞堆內(nèi)部的熱電偶分兩排，每排7個(gè)，下層4個(gè)，上層3個(gè)，第一排編號(hào)T17～T23，第二排編號(hào)T24～T30。從左側(cè)中間點(diǎn)火，引燃用燃料為汽油，20 L汽油裝入3 m×0.8 m×0.05 m 的燃料池內(nèi)，500 mL 在原木堆疊過(guò)程中均勻噴灑。原木排列方式、電偶分布位置及編號(hào)(見圖1)。

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

運(yùn)用軟件PCAuto 3.62采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每隔3秒自動(dòng)采集各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度值，將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到excel中進(jìn)行處理。在楞堆內(nèi)部?jī)膳艤y(cè)點(diǎn)中選取上下兩層的代表測(cè)點(diǎn)、楞堆周邊的所有測(cè)點(diǎn)得到楞堆的實(shí)時(shí)溫度變化曲線(見圖2～3)。

圖2表明，楞堆燃燒最高溫度可達(dá)1100℃左右，楞堆內(nèi)部溫度高于楞堆表面溫度。楞堆內(nèi)部燃燒滯后于楞堆表面，楞堆上層的燃燒滯后于楞堆底層。

圖3表明，楞堆周圍空氣的溫度均升高，最低40℃，最高可達(dá)400℃。這充分說(shuō)明了，在原木楞堆表面火蔓延的研究當(dāng)中，已燃區(qū)域?qū)ξ慈紖^(qū)域的輻射作用不可忽略。不僅會(huì)對(duì)單一的原木楞堆未燃燒區(qū)域產(chǎn)生預(yù)熱作用，也會(huì)輻射到周圍楞堆預(yù)熱原木[6]。

2 原木楞堆火焰溫度場(chǎng)的有限元分析

有關(guān)研究表明:熱通量一定，火蔓延速度會(huì)趨于定值;其他常數(shù)不變，若木材厚度足夠厚，則其熱解前鋒處的溫度與厚度無(wú)關(guān)。楞堆高度一般大于1 m，那么在有限元分析過(guò)程中，可以采用平面模型逐層分析原木楞堆溫度變化和溫度分布。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

圖2 各測(cè)點(diǎn)各層溫度變化曲線

結(jié)合實(shí)驗(yàn)布置，在有限元分析過(guò)程中，取測(cè)點(diǎn)所在的兩個(gè)垂直面，將楞堆在垂直方向上平均劃分5層，逐層分析。燃燒階段的熱傳導(dǎo)過(guò)程，采用二維四節(jié)點(diǎn)平面熱分析plane55單元，設(shè)置邊長(zhǎng)為0.025 m的正方形，進(jìn)行有限元分析。

2.1 原木楞堆平均熱釋放速率的確定

外部輻射熱源可以直接影響楞堆的平均熱釋放速率。在外界熱輻射強(qiáng)度對(duì)落葉松熱釋放速率影響的研究中，以y表示落葉松平均熱釋放速率，x表示外部輻射強(qiáng)度，得到關(guān)系式 y=1.267x+39.35[7]。

引燃過(guò)程運(yùn)用有限元輻射線性單元link31，求得引燃階段的熱流率為50.465 kW/m2，由公式計(jì)算得到楞堆燃燒過(guò)程中的平均熱釋放速率為103.278 kW/m2。

2.2 火焰蔓延階段原木楞堆溫度場(chǎng)的有限元分析

施加面對(duì)流與生成熱，設(shè)置燃燒初始溫度400℃，最終穩(wěn)態(tài)結(jié)果(即為楞堆表面和楞堆內(nèi)部燃燒時(shí)的溫度)，如圖4所示。

2.2.1 楞堆表面溫度場(chǎng)的有限元分析

施加線對(duì)流、生成熱，對(duì)楞堆表面即第一排測(cè)點(diǎn)平面進(jìn)行分析，令第一層燃燒初始溫度為400℃，讀取楞堆高度方向溫度變化曲線上溫度設(shè)置為第二層燃燒初始溫度，分析結(jié)果(見圖5～9)。其中:圖(a)為各層原木燃燒階段的溫度分布，圖(b)以楞堆高度為橫坐標(biāo)，得到各層原木燃燒階段溫度分布曲線。

圖3 各側(cè)面溫度變化曲線

圖4 楞堆表面及內(nèi)部的面對(duì)流分析圖

圖5 表面第一層原木燃燒階段溫度分布圖及燃燒階段溫度分布曲線

圖6 表面第二層原木燃燒楞堆溫度分布圖及燃燒階段溫度分布曲線

圖7 表面第三層原木燃燒楞堆溫度分布圖及燃燒階段溫度分布曲線

圖8 表面第四層原木燃燒階段溫度分布圖及燃燒階段溫度分布曲線

由有限元的分析圖可知，楞堆表面五層燃燒的最高溫度分別為 864.27、849.49、848.08、837.73、806.36℃。其中，頂層溫度低于底層溫度，主要原因是原木數(shù)量的減少和頂層對(duì)流的加強(qiáng)。

2.2.2 楞堆內(nèi)部溫度場(chǎng)的有限元分析

對(duì)楞堆內(nèi)部進(jìn)行分析，第一層原木燃燒初始溫度由表面穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果得出為761℃，同樣取第一層原木燃燒時(shí)，楞堆高度方向溫度變化曲線上溫度設(shè)置為第二層的燃燒初始溫度，施加線對(duì)流、生成熱，進(jìn)行分析。以此類推，分析結(jié)果(見圖10～14)。其中:圖(a)為各層原木燃燒階段的溫度分布，圖(b)是以楞堆高度為橫坐標(biāo)，得到各層原木燃燒階段溫度分布曲線。

圖9 表面第五層原木燃燒楞堆溫度分布圖及燃燒階段溫度分布曲線

圖10 內(nèi)部第一層原木燃燒楞堆溫度分布圖及燃燒階段溫度分布曲線

圖11 內(nèi)部第二層原木燃燒楞堆溫度分布圖及燃燒階段溫度分布曲線

圖12 內(nèi)部第三層原木燃燒楞堆溫度分布圖及燃燒階段溫度分布曲線

圖13 內(nèi)部第四層原木燃燒楞堆溫度分布圖及燃燒階段溫度分布曲線

圖14 內(nèi)部第五層原木燃燒楞堆溫度分布圖及燃燒階段溫度分布曲線

由有限元的分析圖可知，楞堆內(nèi)部五層燃燒的最高溫度分別為 1155.00、1143.00、1165.00、1161.00、1136℃。楞堆內(nèi)部各層溫度相差不大，總體比較平穩(wěn)。

2.2.3 楞堆火焰蔓延階段楞堆周圍溫度場(chǎng)分析

分析楞堆外部距離楞堆0.5 m處各側(cè)面的溫度分布情況(見圖15)，圖 a、b、c、d分別為前后左右四側(cè)面溫度分布曲線，圖中A、B兩點(diǎn)分別代表下風(fēng)向和上風(fēng)向處測(cè)點(diǎn)。圖中距離單位為米，溫度單位攝氏度。

圖15 楞堆各側(cè)面溫度分布曲線

利用有限元軟件分析楞堆外部距離楞堆外側(cè)面0.5 m處垂直平面的溫度變化，得出前后左右側(cè)面溫度變化范圍分別為 50～110、100～400、40～60、60～85℃。其中，左右兩側(cè)面溫度分布曲線相似，溫度最高點(diǎn)接近火峰位置，但位于火峰后;前后兩側(cè)面溫度分布曲線中間部分變化平緩，初步表現(xiàn)出火焰蔓延的特征，溫度最高點(diǎn)也接近火峰位置。

3 有限元分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與討論

通過(guò)有限元分析和實(shí)驗(yàn)分別得到了原木楞堆燃燒過(guò)程中的溫度分布及其變化。結(jié)合實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中熱電偶測(cè)點(diǎn)的位置讀取對(duì)應(yīng)有限元單元的分析結(jié)果(見表1～表2)。

表1 實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元分析結(jié)果數(shù)據(jù)表 ℃

通過(guò)表1中數(shù)據(jù)的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，楞堆表面溫度的有限元分析數(shù)據(jù)要低于實(shí)驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，大約15℃(取第一排測(cè)點(diǎn)上、下層溫度的平均值來(lái)計(jì)算);楞堆內(nèi)部溫度有限元分析結(jié)果要高于實(shí)驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，約9℃(取第二排測(cè)點(diǎn)上、下層溫度的平均值來(lái)計(jì)算)。有限元分析楞堆內(nèi)部燃燒時(shí)的平均溫度(1151℃)高于楞堆表面的平均溫度(844℃)約307℃，實(shí)驗(yàn)測(cè)得楞堆內(nèi)部燃燒時(shí)的平均溫度(1142℃)高于楞堆表面的平均溫度(859℃)283℃。同時(shí)發(fā)現(xiàn)楞堆各層溫度分布不同:第一排測(cè)點(diǎn)中，第二層測(cè)點(diǎn)溫度低于第一層測(cè)點(diǎn)溫度約20℃;第二排測(cè)點(diǎn)中，第二層測(cè)點(diǎn)溫度高于第一層測(cè)點(diǎn)溫度約30～40℃。

表2詳細(xì)列出了相對(duì)應(yīng)的楞堆燃燒有限元分析數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得出相差的具體數(shù)值和偏差百分比。

第一排測(cè)點(diǎn)分析所得的溫度比實(shí)際測(cè)得溫度低，相差約14～16 ℃，偏差百分比1.61%～1.88%;第二排測(cè)點(diǎn)分析所得溫度比實(shí)際測(cè)得溫度高，相差約13～18 ℃，偏差百分比約為 0.43% ～1.16%;楞堆四周距離0.5 m處，測(cè)點(diǎn)分析所得溫度與實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)存在±(1～5)℃的偏差，但是并沒(méi)有一定的規(guī)律性，偏差百分比為0.91%～3.70%。計(jì)算結(jié)果表明，偏差百分比均在允許范圍以內(nèi)。

表2 有限元分析數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

但在有限元模擬過(guò)程中，溫度變化曲線相對(duì)平滑，短時(shí)間小范圍的溫度波動(dòng)沒(méi)能如實(shí)驗(yàn)過(guò)程中那樣表現(xiàn)出來(lái)。這主要是由于模擬的楞堆燃燒環(huán)境及過(guò)程，與實(shí)際的燃燒環(huán)境及過(guò)程存在差異，并且有限元分析過(guò)程中各影響因素的變化相對(duì)于實(shí)際實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)都較為穩(wěn)定造成的。因此，在未來(lái)的研究中，應(yīng)充分考慮原木楞堆燃燒過(guò)程中各影響因素的非線性變化。

4 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用有限元建立貯木場(chǎng)原木楞堆火焰溫度場(chǎng)分析的平面模型，結(jié)合有限元的可視化，從另一角度對(duì)貯木場(chǎng)原木楞堆的火焰溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬。利用有限元plane55單元建立原木楞堆的平面模型，逐層分析楞堆火焰溫度場(chǎng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，有限元分析結(jié)果的偏差均在允許范圍內(nèi)，說(shuō)明利用有限元熱分析建立平面模型，模擬貯木場(chǎng)原木楞堆火災(zāi)的發(fā)展過(guò)程是可行的。有限元操作簡(jiǎn)單，結(jié)果直接，應(yīng)用有限元熱分析對(duì)貯木場(chǎng)原木楞堆火焰溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，可直觀了解原木楞堆火災(zāi)發(fā)展過(guò)程，為及時(shí)掌控火災(zāi)發(fā)展提供理論指導(dǎo)。

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