橫流作用下天然氣火焰結(jié)構(gòu)分區(qū)及熱參數(shù)研究

徐琳，常健

（1.山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東建筑大學(xué)可再生能源建筑利用技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101；3.山東建筑大學(xué)山東省可再生能源建筑應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101）

橫流作用下天然氣火焰結(jié)構(gòu)分區(qū)及熱參數(shù)研究

徐琳1，2，3，常健1

（1.山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東建筑大學(xué)可再生能源建筑利用技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101；3.山東建筑大學(xué)山東省可再生能源建筑應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101）

集中排煙隧道具有縱向通風(fēng)和集中排煙等優(yōu)點(diǎn)。隨著交通運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展，集中排煙隧道已廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)大隧道設(shè)計(jì)中，隧道內(nèi)火源局部熱參數(shù)的變化規(guī)律研究一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。文章基于集中排煙隧道系統(tǒng)設(shè)計(jì)，圍繞火源局部熱參數(shù)，針對(duì)天然氣火災(zāi)，通過數(shù)值模擬研究，探索15種工況橫流作用下火羽流軸線偏移軌跡、火焰結(jié)構(gòu)分區(qū)及頂板下方煙氣最大溫升。結(jié)果表明：模擬火焰與自由火焰結(jié)構(gòu)的分區(qū)規(guī)律類似，但分區(qū)轉(zhuǎn)折點(diǎn)隨火災(zāi)強(qiáng)度增大而減?。坏刃эL(fēng)速對(duì)火羽流軸線溫升有顯著影響；引入風(fēng)速修正，回歸整理可得到3個(gè)分區(qū)軸線溫升的無量綱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式；頂板下方煙氣最大溫升隨等效風(fēng)速增大而減小，且模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化規(guī)律具有相似性。

橫流；天然氣火焰；分區(qū)；火羽流軸線；溫升

0 引言

近年來，公路隧道建設(shè)日益興起，隧道通風(fēng)排煙系統(tǒng)的選擇成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。為了維持高溫?zé)煔獾淖匀怀两担赃_(dá)到良好的煙氣控制效果，集中排煙系統(tǒng)正逐步代替縱向通風(fēng)系統(tǒng)成為設(shè)計(jì)人員的首選。集中排煙模式（如圖1所示）兼顧縱向通風(fēng)、局部排煙等優(yōu)點(diǎn)，通過開啟火源周圍大尺度排風(fēng)口配合射流風(fēng)機(jī)就近將煙氣排出隧道，以最大程度降低對(duì)行車空間的影響，應(yīng)用極為廣泛。針對(duì)縱向通風(fēng)系統(tǒng)的研究，Hu等利用FDS模擬分析了CO濃度的縱向分布規(guī)律，并搭建模型試驗(yàn)臺(tái)實(shí)測(cè)隧道頂板下方煙氣的最大溫度［1］；Ingason等以木垛為火源，搭建模型試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)測(cè)縱向風(fēng)速作用下煙氣溫度分布規(guī)律［2］；王震等通過建立煙氣逆流兩區(qū)域模型，分析隧道內(nèi)煙氣擴(kuò)散規(guī)律［3］；易亮等通過縮尺模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)頂板下方煙氣最高溫度隨火災(zāi)強(qiáng)度及縱向風(fēng)速的變化規(guī)律［4］；李穎臻利用理論分析與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究含救援站的特長(zhǎng)隧道內(nèi)火災(zāi)特性及煙氣控制機(jī)理［5］；趙紅莉等通過建立理論模型，研究一定坡度隧道內(nèi)煙氣溫度縱向衰減規(guī)律［6］。吳小華等通過CFD模擬，研究不同風(fēng)閥開啟條件下隧道內(nèi)煙氣蔓延規(guī)律［7］。針對(duì)集中排煙系統(tǒng)，已有的研究成果多圍繞3個(gè)風(fēng)口（1＃、2＃、3＃）內(nèi)火災(zāi)煙氣控制問題，而對(duì)火源局部熱參數(shù)的研究則較少，這與火源設(shè)置、火焰本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)密切相關(guān)［8］。而針對(duì)縱向通風(fēng)系統(tǒng)的研究成果是否適用于集中排煙系統(tǒng)也值得討論。為此，文章結(jié)合某集中排煙隧道設(shè)計(jì)參數(shù)，以燃?xì)鈿庠礊檠芯繉?duì)象，利用FLUENT詳細(xì)預(yù)測(cè)橫流作用下火焰偏轉(zhuǎn)、受限發(fā)展、結(jié)構(gòu)分區(qū)等變化，進(jìn)而預(yù)測(cè)頂板下方煙氣最大溫升隨橫流風(fēng)速、火災(zāi)強(qiáng)度的變化規(guī)律。

圖1 隧道集中排煙系統(tǒng)及計(jì)算模型示意圖／m（a）隧道集中排煙系統(tǒng)；（b）計(jì)算模型縱斷面；（c）計(jì)算模型橫斷面

1 物理模型的確定

1.1 計(jì)算模型

如圖1（a）所示，在射流風(fēng)機(jī)送風(fēng)，排煙風(fēng)機(jī)排煙綜合作用下，火源上游形成一等效風(fēng)流，直接影響火源發(fā)展及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。為了更好地分析火焰結(jié)構(gòu)，提高計(jì)算精度，由圖1（a）中提取火源局部區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域，將其抽象為橫流作用下火羽流偏轉(zhuǎn)受限發(fā)展問題，計(jì)算模型如圖1（b）、（c）所示。

1.2 火源設(shè)置

已往研究人員會(huì)考慮隧道內(nèi)油池著火，很少涉及燃?xì)饣鹪?，而隧道火?zāi)事故統(tǒng)計(jì)中也不乏液化氣罐車燃燒爆炸案例。本次模擬考慮隧道中心斷面地板上布置有多孔燃燒床（4 m×1.5 m），燃燒床位置如圖1（b）、（c）所示。以天然氣為燃料，甲烷／空氣質(zhì)量比為1：7.76。模擬中調(diào)節(jié)燃料消耗量以考慮3、6和9 MW三種火災(zāi)強(qiáng)度變化。

1.3 等效風(fēng)速

為了便于分析，取等效風(fēng)流速度平均值定義為等效風(fēng)速V，結(jié)合火災(zāi)強(qiáng)度變化，模擬考慮等效風(fēng)速V取1.5、2.0、2.5、3.0和3.5 m／s五種工況變化。每種火災(zāi)的強(qiáng)度（3、6和9 MW）分別對(duì)應(yīng)五種等效風(fēng)速，共計(jì)15種模擬工況。

1.4 網(wǎng)格的繪制

計(jì)算區(qū)域采用非均勻網(wǎng)格劃分，近火源溫度梯度變化大的區(qū)域布置密集網(wǎng)格，遠(yuǎn)離火源溫度梯度變化小的區(qū)域布置稀疏網(wǎng)格，首次網(wǎng)格劃分后依次增加x、y、z軸網(wǎng)格數(shù)目50%，在保證火災(zāi)強(qiáng)度、等效風(fēng)速相同情況下，觀察頂板下方煙氣最大溫升。當(dāng)兩者最小差值小于0.1℃時(shí)，網(wǎng)格劃分結(jié)束，共計(jì)438254個(gè)網(wǎng)格。

2 控制方程的建立及邊界條件的確定

2.1 控制方程的建立

模擬計(jì)算考慮甲烷兩步燃燒反應(yīng)，由反應(yīng)式（1）表示為

模擬火災(zāi)還涉及紊流、傳熱等多項(xiàng)流動(dòng)過程，計(jì)算時(shí)選擇浮力修正κ-ε模型，在κ方程中引入浮力源項(xiàng)Gb反應(yīng)浮力造成的湍流削弱效應(yīng)，同時(shí)在ε方程中增大ε產(chǎn)生項(xiàng)，進(jìn)一步突出浮力作用［9-10］。鑒于計(jì)算對(duì)象尺度范圍較大，輻射模型采用相對(duì)簡(jiǎn)單的DTRM模型，通過跟蹤射線數(shù)目和調(diào)整網(wǎng)格疏密程度提高計(jì)算精度?？刂品匠探M由式（2）表示，模型基本參數(shù)見表1［11-12］。

式中：φ為待求通用物理量；V1為速度矢量；Гφ為對(duì)應(yīng)變量的輸運(yùn)系數(shù)；Sφ為對(duì)應(yīng)變量的源項(xiàng)，控制方程組通用變量見表1。

表1 控制方程組通用變量

表1中，Gk為剪切應(yīng)力產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為浮力產(chǎn)生項(xiàng)；μ為動(dòng)力粘度，m2／s；Pr為普朗克數(shù)；t為時(shí)間，s；P為壓力，Pa；ρ為密度，kg／m3；σ為切應(yīng)力，N／m2；xi為i方向單位長(zhǎng)度；gi為i方向重力加速度，m／s2?？刂品匠讨谐?shù)取值見表2，其中，C1、C2、C3分別代表組分1、2和3的附加系數(shù)，Cμ為組分動(dòng)力粘度系數(shù)；σk、σε、σC、σH分別為動(dòng)能項(xiàng)系數(shù)、耗散項(xiàng)系數(shù)、組分項(xiàng)系數(shù)、焓值系數(shù)。此外，數(shù)值求解過程中還需附加狀態(tài)方程。

表2 控制方程組中常數(shù)取值

2.2 邊界條件的確定

隧道入口考慮速度入口邊界，外界環(huán)境溫度T0＝ 303 K，O2／N2的體積比為21／79。隧道出口考慮恒壓邊界?；鹪纯紤]質(zhì)量入口邊界。壁面采用Launder和Spalding推薦標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，不計(jì)與外界熱量交換［13］。

3 火焰結(jié)構(gòu)分區(qū)

3.1 自由火焰分區(qū)理論

McCaffery實(shí)測(cè)無風(fēng)狀態(tài)下甲烷火焰斷面中心溫度，并根據(jù)溫度沿火焰高度y變化規(guī)律，將自由火羽流分為3個(gè)不同的區(qū)域，如圖2所示。連續(xù)火焰區(qū)，斷面中心溫度趨于定值；間歇火焰區(qū)，斷面中心溫度與Q2／5／y成比例；浮力羽流區(qū)，斷面中心溫度與Q2／3／y3／5成比例。

3.2 橫流作用下火羽流軸線偏轉(zhuǎn)

在等效風(fēng)橫流作用下，火羽流將發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)。根據(jù)經(jīng)典自由火焰點(diǎn)源理論，羽流斷面溫度成正態(tài)分布，其中斷面中心溫度最高。為此，CFD模擬以火源為起點(diǎn)，沿羽流偏轉(zhuǎn)方向，選取斷面溫度最高點(diǎn)標(biāo)記為斷面中心，斷面中心點(diǎn)相連即可得到火羽流軸線，如圖3所示。

圖2 自由火羽流結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 火焰分區(qū)

模擬不同火災(zāi)強(qiáng)度火羽流軸線溫升圖（如圖4所示）。不同火災(zāi)強(qiáng)度，隧道內(nèi)部受限火羽流軸線溫升變化規(guī)律與自由火焰軸線溫升變化規(guī)律具有一定相似性。連續(xù)火焰區(qū)，軸線溫升趨于定值；間歇火焰區(qū)，軸線溫升沿軸線方向急劇下降；浮力羽流區(qū)，軸線溫升繼續(xù)下降，但變化趨緩。此外，等效風(fēng)速影響也不容忽視，尤其當(dāng)V＝1.5 m／s時(shí)，隨著火災(zāi)強(qiáng)度增大，不同等效風(fēng)速其軸線溫升差別愈發(fā)明顯。同時(shí)，火羽流分區(qū)轉(zhuǎn)折點(diǎn)L／Q2／5數(shù)值不同于自由火焰，前者隨火災(zāi)強(qiáng)度增大呈減小趨勢(shì)，后者則與火災(zāi)強(qiáng)度無關(guān)［14］。自由火焰，隨火災(zāi)強(qiáng)度Q增大，火焰長(zhǎng)度L不斷增加，兩者之比（L／Q2／5）趨于定值。而隧道內(nèi)部火焰受圍護(hù)結(jié)構(gòu)遮擋，無法充分發(fā)展，火焰長(zhǎng)度L增長(zhǎng)受限，隨火災(zāi)強(qiáng)度Q增大，兩者之比（L／Q2／5）不斷減小。

引入無量綱參數(shù)，由式（3）表示，經(jīng)回歸整理得到隧道內(nèi)受限火羽流3個(gè)分區(qū)無量綱軸線溫升準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，見表3。

式中：Q為火災(zāi)熱釋放速率，MW；ρa(bǔ)為環(huán)境空氣密度，kg／m3；cp為環(huán)境空氣比熱容，kJ／（kg·K）；g為重力加速度，m／s2；H為隧道高度，m；T0為外界環(huán)境溫度，K；V為等效橫流風(fēng)速，m／s；L為火焰長(zhǎng)度，m；ΔT為煙氣溫升，K。

圖3 不同火災(zāi)強(qiáng)度火羽流軸線圖（a）3 MW；（b）6 MW；（c）9 MW

圖4 不同火災(zāi)強(qiáng)度火羽流軸線溫升圖（a）3 MW火羽流軸線溫升圖；（b）6 MW火羽流軸線溫升圖；（c）9 MW火羽流軸線溫升圖

表3 軸線溫升無量綱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式

顯然，引入風(fēng)速修正后，軸線溫升回歸關(guān)聯(lián)式與McCaffrey半經(jīng)驗(yàn)公式形式相似。

3.4 頂板下方煙氣最大溫升

由圖4可知，上述工況火焰高度均未達(dá)到隧道頂拱，頂板下方為浮羽流區(qū)控制，在頂板下方形成一定厚度煙氣層，煙氣層平均厚度Hy滿足式（4）為［15］

式中：Ep為頂板下方空氣卷吸系數(shù)，取0.12；H為隧道高度，m。

不同火災(zāi)強(qiáng)度頂板下方Hy厚度處煙氣最大溫升隨等效風(fēng)速變化規(guī)律如圖5所示。當(dāng)火災(zāi)強(qiáng)度一定時(shí)，頂板下方煙氣最大溫升ΔTmax隨等效風(fēng)速V的增大急劇下降。當(dāng)?shù)刃эL(fēng)速V＞2.0 m／s時(shí)，煙氣最大溫升變化趨緩。

圖5 頂板下方煙氣最大溫升圖

為進(jìn)一步驗(yàn)證模擬結(jié)果可靠性，選取部分國(guó)內(nèi)外火災(zāi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果［16-21］，隧道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)情況見表4，其中前三組為縮尺模型實(shí)驗(yàn)，后三組為大尺度火災(zāi)實(shí)驗(yàn)。定性比較頂板下方煙氣最大溫升（如圖6所示）。

表4 隧道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)一覽表

圖6 煙氣最大溫升模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較圖

模擬結(jié)果與縮尺模型實(shí)驗(yàn)及大尺度火災(zāi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化規(guī)律極為相似，證明模擬計(jì)算結(jié)果是可靠的。

為使模擬成果不失普遍性，進(jìn)一步將頂板下方煙氣最大溫升ΔTmax回歸整理，得無量綱準(zhǔn)則關(guān)系式（5）為

式中：0.022≤Q*≤0.066；0.182≤V*≤0.424。

4 結(jié)論

通過上述研究可知：

（1）模擬計(jì)算火焰與自由火焰分區(qū)規(guī)律類似，但自由火焰分區(qū)轉(zhuǎn)折點(diǎn)與火災(zāi)強(qiáng)度無關(guān)，而模擬計(jì)算火焰分區(qū)轉(zhuǎn)折點(diǎn)隨火災(zāi)強(qiáng)度增大不斷減?。浑S著火災(zāi)強(qiáng)度增大，等效風(fēng)速對(duì)火羽流軸線溫升的影響越發(fā)明顯，尤其當(dāng)風(fēng)速V＝1.5 m／s時(shí)，差別更顯著；

（2）參考McCaffrey半經(jīng)驗(yàn)公式，引入風(fēng)速修正，回歸整理得到3個(gè)分區(qū)軸線溫升無量綱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式；

（3）頂板下方煙氣最大溫升隨等效風(fēng)速增大而減小，且模擬計(jì)算結(jié)果與經(jīng)典實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果變化規(guī)律相似，證明模擬計(jì)算結(jié)果是可靠的。

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（學(xué)科責(zé)編：吳芹）

Study on structure partition and thermal parameters of natural gas flame under the influence of cross w ind

Xu Lin1，2，3，Chang Jian1

（1.School of Thermal Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Key Laboratory of Renewable Energy Utilization Technologies in Building，Ministry of Education，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；3.Key Laboratory of Renewable Energy Utilization Technologies in Building，Shandong Province，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

The central smoke extraction system is often brought into the tunnel design because of the advantages of both the longitudinal ventilation and central smoke extraction system with the development of transportation.The way ofmastering the change rule of thermal parameters was the focus of attention.Based on the design of a highway tunnel with central smoke extraction systems，nature gas fire has been simulated to evaluate the trajectory and structure partition of the fire plume and themaximum temperature rise of smoke underneath tunnel ceiling.3 kinds of heat release rate and 5 kinds of equivalent velocity are chosen in the study.According to the results，the structure partition of simulation flame is similarwith thatof free flame.However，the turning pointof simulation flame decreaseswith the augmentof heat release rate.Furthermore，the equivalent velocity has a great influence on the temperature rise of fire plume axis with the increase of heat release rate.Introducedwind speed modified，the dimensionless formulae of temperature of fire plume axis for application use are given out.Themaximum temperature rise decreaseswith the augment of equivalent velocity，and the change rule of simulation results are similar to the previous experiments results.

crosswind；nature gas flame；partition；fire plume axis；temperature rise

U453.5s

A

1673-7644（2015）02-0110-06

2014-12-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51108254）；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2009FQ008）

徐琳（1979-），女，副教授，博士，主要從事隧道通風(fēng)防災(zāi)等方面的研究.E-mail：xlzxq＠sohu.com