風況對露天油池燃燒特性的數(shù)值模擬

崔岳峰，林興華，李德順，李宏濤，張敏革

(沈陽理工大學 環(huán)境與化學工程學院，遼寧 沈陽 110159)

風況對露天油池燃燒特性的數(shù)值模擬

崔岳峰，林興華，李德順，李宏濤，張敏革

(沈陽理工大學 環(huán)境與化學工程學院，遼寧 沈陽 110159)

采用Fluent軟件對不同風況下煤油池的燃燒特性進行數(shù)值模擬研究，通過選擇非預混燃燒模型、P1輻射模型和k-ε湍流模型，分別對無風、常風和變風三種情況下油池燃燒過程中的溫度、熱輻射量和火焰傾角等參數(shù)的變化進行對比分析。結果發(fā)現(xiàn)，在無風情況下，熱輻射量隨徑向距離的變化曲線近似呈現(xiàn)高斯分布；風力的大小對燃燒的溫度場影響很大，但變化頻率對其影響不明顯；風況的改變主要是對火焰溫度、熱輻射量等傳播特性產(chǎn)生影響，對燃燒反應的反應程度影響不大。研究為以后油池燃燒事故的預防及處理措施提供了參考依據(jù)。

數(shù)值模擬；油池火；燃燒特性；PDF數(shù)學模型；P1輻射模型

油池燃燒是石油化工行業(yè)中常見的一種火災，主要是可燃液體因泄露等原因在地面或水面上形成液池后引發(fā)的火災。油池的燃燒過程一般可以分為增長階段、穩(wěn)定燃燒階段和熄滅階段[1],并在燃燒過程中產(chǎn)生強烈的沸騰現(xiàn)象，燃燒速率、火焰高度等時刻發(fā)生改變[2]，因此研究油池的燃燒流場特征及其影響因素具有重要的實際意義。

火焰高度、位置、形狀和燃燒速率是油池燃燒過程中的基本特性參數(shù)，而燃燒過程中產(chǎn)生的熱輻射量則會影響燃燒過程的發(fā)展。通常油池失火發(fā)生在露天環(huán)境當中，風力情況對其燃燒過程影響顯著，許多學者對此做了大量實驗研究，如V.Babrauska[3]和Apte[4]等人以航空煤油為研究對象，分別對煤油池在無風和有風的情況下的燃燒過程進行了研究，探討了燃燒速率預測模型的適用性和火羽流的特征描述；Babrauskas[5]分析研究了環(huán)境溫度和風速對燃燒速率的影響，發(fā)現(xiàn)有風時,燃燒速率將隨風速的增大而減小；Janssens[6]和易亮[7]等分別以庚烷和甲醇油油池的燃燒特性和影響因素進行了研究。由于火災的特殊性，使得該類研究受環(huán)境因素影響，不僅實施難度大、存在危險性，并且容易引起實驗誤差，造成試驗結果不準確。

20世紀80年代，Computational Fluid Dynamics(CFD)技術開始應用到火災的模擬研究中。Sinai[8]等對有風情況下，直徑為20m的圓形液池燃燒過程進行了CFD模擬研究，發(fā)現(xiàn)橫向風對下風向的區(qū)域內(nèi)熱輻射量有較大影響；馮瑞等[9]討論了通風條件和油池燃面積以及通風口高度對燃料燃燒速率的影響，初步確定了受限空間中的池火燃燒速率與油池面積、通風因子的關系。然而，上述模擬研究對不同風況下油池的燃燒特性變化情況并沒有給出確定的結論，使得人們無法清楚的認識風力情況對油池燃燒火焰的具體影響。

本文采用Fluent軟件對不同風況下油池火燃燒過程特征進行模擬研究，通過選則非預混和燃燒模型、P1輻射模型和k-ε湍流模型，分別對無風、常風和變風三種情況下，煤油油池燃燒過程中的溫度、熱輻射量和火焰傾角的變化進行對比分析。

1 數(shù)學模型

1.1 基本控制方程

油池燃燒過程所用模型主要為場模型，是根據(jù)連續(xù)性方程、動量方程和能量方程等基本物理守恒方程建立的理論模型，三大基本控制方程的形式分別見式(1)～(3)。

連續(xù)性方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

1.2 湍流模型

油池火燃燒過程的模擬中所運用的湍流模型有多種形式，如Spatart-Allmaras模型、標準k-ε模型、RNGk-ε模型和SSTk-ω模型等，其中標準k-ε以其計算時間快、精度高等優(yōu)點成為最常用的模型之一，本研究選擇標準k-ε模型為湍流模型，其形式見式(4)、式(5)。

(4)

(5)

式中：σk和σε為k方程和ε方程的湍流Prandtl數(shù)；Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動能；Sk和Sε為用戶自定義修正量。

1.3 輻射模型

火焰中具有輻射能力的成分主要為H2O、CO2和各種懸浮的固體粒子，對于燃油而言，火災中的主要燃燒產(chǎn)物為懸浮固體粒子炭黑，也是最主要的火焰熱輻射載體。Fluent軟件中提供了五種不同的輻射模型，其中P1輻射模型和DTRM輻射模型是兩種常用的輻射模型，但是在大尺度輻射情況的模擬計算中，P1輻射模型相比DTRM輻射模型具有計算量小、包含散射效應等優(yōu)點，對模擬露天環(huán)境下油池的燃燒過程更適合，因此本文選用P1輻射模型作為池火焰的模擬模型，其方程形式見式(6)。

(6)

式中：α為吸收系數(shù)；σs為散射系數(shù)；G為入射輻射；c為線性各項異性相位函數(shù)系數(shù)。

1.4 燃燒模型

本文選用非預混和燃燒模型對煤油油池火的燃燒情況進行模擬研究，為使燃燒反應過程中涉及的物質密度、溫度、體積分率等參數(shù)更加精確，在本次模擬中利用概率密度函數(shù)(PDF)數(shù)學模型對非預混和燃燒模型進行封閉，其中概率密度函數(shù)(PDF)的數(shù)值形式見式(7)。

(7)

式中：p(f)為概率密度函數(shù)；f為某個瞬間的反應狀態(tài)；T為設定的時間步長;τi為f變化Δf時所用的時間。

2 物理模型與計算方法

煤油燃燒速度快，火焰溫度高，本文在對油池燃燒的模擬過程中，選擇煤油作為燃料，煤油的物理性質見表1。

表1 煤油的物理性質

物理模型為露天環(huán)境下置于地面的圓柱狀油池，外部模擬區(qū)域為長200m、寬200m、高100m的長方體區(qū)域。其物理模型如圖1所示，為更加確切的模擬周圍環(huán)境對油池燃燒的影響，共設置了5個相同油罐，其中中間油罐為燃燒油罐，周圍4個油罐不進行燃燒，5個油罐的直徑均為12m，油罐之間的距離為10m，罐體高度為5m，油池液面低于灌口0.5m。物理模型中的邊界類型分別為地面、壁面、速度入口和壓力出口。罐體的上表面為著火點，設定溫度初始值為800K，煤油的初始含率為0.2，此初始條件如同“火花”，在開始進行迭代計算時將點燃煤油，使燃燒反應開始。由于所選用的物理模型存在對稱性特點，所以采用六面體結構化網(wǎng)絡進行網(wǎng)格劃分，所得網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為53萬，面單元為150萬。

圖1 區(qū)域物理模型

在邊界條件的設置上，分別考慮了無風、常風和變風三種速度入口形式，其中無風情況是在模型空間的x、y、z三個方向上的風速均為0，但為更直觀的觀察流場的變化情況，將入口風速設置為0.2m/s，方向為沿x軸自右向左；常風情況是假設風速不隨高度的變化而變化，通常風速為3.5～5.4m/s，本文的選擇值為5m/s；變風情況是指風速會隨高度、時間等因素產(chǎn)生變化，本文主要考慮風速隨高度的變化情況，其變化規(guī)律見式(8)。

(8)

式中：v為距離地面高度h時的風速，m/s；v1為距離地面高度h1時的風速，文中h1為10m，其平均速度v1=5m/s；n為經(jīng)驗指數(shù)，主要取決于大氣穩(wěn)定度和地面的粗糙度，本文選取量為0.1；常風和變風情況下的風向為沿x軸自左向右。

3 結果與討論

3.1 無風情況下的燃燒特性分析

在無風情況下，中間油罐的燃燒在y=0平面上的溫度分布情況和火焰形狀描述分別如圖2和圖3所示。

圖2 y=0平面上火焰溫度分布云圖

圖3 y=0平面上CO質量分數(shù)分布云圖

由圖2可知，煤油燃燒過程中的最高溫度約為1775～1830K之間，出現(xiàn)在離開著火口一定距離處，最高溫度區(qū)域呈現(xiàn)錐形；溫度隨高度的分布呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，高度越高，溫度越低，其中處于900～1000K之間的區(qū)域最大，隨后溫度降低速率加快，當離著火點100m處時，溫度減小到600K左右；在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，始終保持著良好的緊密性，向外發(fā)散情況不明顯，并始終保持垂直方向的傳播。如圖3所示，通過燃燒過程中產(chǎn)生的CO的質量分數(shù)為參考量，對火焰的形狀與高度進行描述，以CO質量分數(shù)為0.01時為標準，則火焰高度大約為25m，在無風的情況下不發(fā)生偏斜。

無風情況下油池火災對周圍環(huán)境的熱輻射分布情況如圖4和圖5所示，由圖中可以看出，穩(wěn)態(tài)油池火的熱輻射流在中心處時最大，高達17600W/m2，并以著火點處為中心,在向四周傳播過程中逐漸降低，傳播過程中存在快速降低和緩慢降低兩個階段，快速降低階段處于離中心位置半徑為20m的圓形區(qū)域內(nèi)，即油池所在區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)熱輻射值從17600W/m2迅速降低到7000W/m2，隨后的降低速度非常緩慢，整體分布呈現(xiàn)近似高斯分布。

圖4 無風下z=0平面上火焰對周圍的輻射熱流分布云圖

圖5 無風下熱輻射隨距離變化曲線圖

3.2 常風和變風情況下的燃燒特性分析

在常風和變風情況下，煤油油池火燃燒過程中的溫度分布情況和產(chǎn)生的CO質量分數(shù)分布云圖分別如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7中可以看出，在常風情況下，煤油燃燒的火焰最高溫度約在1580～1650K之間，而在變風情況下，最高溫度為1200～1300K，與無風情況下相比，最高溫度明顯降低，這主要是由于風力的影響，使得氣化的燃料得以分散，濃度降低，燃燒不如無風時劇烈，同時風力增大了火焰的散熱速度，使得溫度降低；與無風情況下相比，常風和變風情況下火焰都向下風向傾斜明顯，火焰高度明顯降低，但是常風和變風時的火焰高度相差不大，這說明火焰高度主要與風力大小有關，與風的變化頻率關系不大。三種情況下所產(chǎn)生的CO沒明顯改變，這說明風力的改變主要影響的是火焰在外部的傳播情況，而對本身的燃燒反應程度影響不大。

圖6 y=0平面上溫度的分布

圖7 y=0平面上CO的質量組分圖

圖8為火焰對周圍的輻射熱流分布云圖。圖9為常風和變風情況下熱輻射隨距離變化曲線圖。

圖8 z=0平面上火焰對周圍的輻射熱流分布云圖

圖9 熱輻射隨距離變化曲線圖

圖8和圖9可知，常風和變風情況下穩(wěn)態(tài)油池火災的輻射因為風的影響，向下風向產(chǎn)生較大的偏移，最高輻射值為12100～12600W/m2，最高輻射值的位置出現(xiàn)在偏離中心位置10m左右；從其分布云圖上可以看出，在常風情況下輻射熱流降低梯度分布均勻，而變風時其變化梯度在靠近中心處比較小，隨后增大，這說明熱輻射的傳播與風的變化頻率有關；輻射值快速降低階段所出現(xiàn)的區(qū)域沒有發(fā)生改變，仍在一個以20m為半徑的圓形區(qū)域內(nèi)，但降低幅度明顯減小，僅從1200W/m2左右降低到800W/m2左右，在緩慢降低區(qū)域內(nèi)其降低速度略有增加。

4 結論

(1) 無風情況下，溫度隨高度的分布呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，高度越高，溫度越低，并且在傳播過程中保持緊密性；熱輻射向四周傳播時分為快速降低階段和緩慢降低階段，隨距離的變化曲線呈現(xiàn)高斯分布。

(2) 常風和變風情況下，離開地面一段距離后油池燃燒流場中的最高溫度和火焰高度都比無風時顯著降低，但常風和變風兩種情況下的火焰高度相同，說明油池燃燒火焰溫度和高度與風力大小密切相關，但火焰高度與風力大小的變化頻率關系不大。

(3) 三種風況下，火焰內(nèi)部CO的質量分數(shù)分布情況無明顯不同，說明風力大小對燃燒反應的反應程度影響不大。

(4) 在常風情況下，輻射熱流的降低梯度分布均勻，而變風時分布比較雜亂，這說明熱輻射量的傳播與風力大小的變化有關，變化頻率越大，傳播越雜亂。

[1]康泉勝.小尺度油池火非穩(wěn)態(tài)燃燒特性[D].合肥：中國科技大學，2009.

[2]李權威.狹長空間縱向通風條件下細水霧抑制油池火的實驗研究[D].合肥：中國科技大學，2010.

[3]V.Babrauskas.The SFPE handbook of fire protection engineering[M].Massachusetts:National Fire Protection Association,1995:251-261.

[4]V.B.Apte,J.H.Green.Proceeding of the Third International Symposium on Fire Safety Science[C].London:Elsevier,1991.

[5]Babrauskas V.Estimation large pool fire burning rates[J].Fire Technology,1983,19(4):251-261.

[6]Janssens M L,Tran H C.Data reduction of room tests for zone model validation [J].Journal of Fire Science,1992,10(6):528-555.

[7]易亮,楊洋,李勇,等.水平風作用下火羽流的質量流率[J].燃燒科學與技術,2011,17(6):505-511.

[8]Sinai Y L,Owens M P.Validation of CDF modeling of unconfined pool fires with cross-wind:Flame geometry[J].Fire Safety Journal,1995,24(1):1-34.

[9]馮瑞，霍然，于海春.受限空間油池火燃燒特性的實驗研究[J].消防科學與技術，2005,24(3):288-291.

(責任編輯：趙麗琴)

Numerical Simulation for the Influence of Wind Conditions on the Burning Characteristics of Open-air Pool

CUI Yuefeng,LIN Xinghua,LI Deshun,LI Hongtao,ZHANG Minge

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

The burning characteristic of oil pool under different wind conditions was studied by FLUENT software,and the Non-Premixed combustion model,P1 radiation model andk-εturbulence model were selected to calculate the parameters in the combustion progress of oil pool,such as the temperature,thermal radiation and flame inclination under the conditions of no wind,constant wind and variable wind,respectively.The results show that,the curve of thermal radiation varies with the radial distance approximately shows the Gaussian distribution under the condition of no wind;the effects on flame temperature is large from the size of wind,but it has no significant changes under the different change frequency of the size of wind;the changing of wind conditions primarily affects the spreading progress of combustion,but has little of impact on the extent of combustion reaction.Research provides the reference basis for the accident prevention and treatment measures of oil pool burning.

numerical simulation;pool fire;combustion characteristics;PDF;radiation model.

2014-10-15

遼寧省教育廳項目(L2013090)；遼寧省博士后集聚工程項目(2011921015)；遼寧省教育廳科學研究一般項目(L2012060)

崔岳峰(1957—)，男，副教授，研究方向:含能材料與器材安全技術；通訊作者：李德順(1980—)，男，副教授，博士，研究方向：系統(tǒng)安全分析.

1003-1251(2015)03-0061-06

TQ027

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