水霧與頂棚射流火焰相互作用的數(shù)值模擬分析*

王琳，孟子龍，梁天水

(1.西安市消防支隊，陜西西安710075;2.鄭州大學化工與能源學院，河南鄭州450000)

水霧與頂棚射流火焰相互作用的數(shù)值模擬分析*

王琳1，孟子龍2，梁天水2

(1.西安市消防支隊，陜西西安710075;2.鄭州大學化工與能源學院，河南鄭州450000)

∶針對隧道內(nèi)重型車輛起火，在考慮不同起火高度的情況下，通過計算流體動力學軟件Fluent對隧道火災(zāi)中形成的頂棚射流火焰的燃燒特性及其與水霧的相互作用進行了數(shù)值模擬研究。研究發(fā)現(xiàn)，在浮力卷吸的影響下，起火高度越低，煙氣層厚度越厚;水霧可以有效地降低頂棚射流火焰溫度，能夠抑制火焰，但水霧受重力作用，在頂棚射流火焰中未完全蒸發(fā)的液滴將進入冷空氣層，水霧的吸熱作用并不能得到充分的發(fā)揮;水霧施加帶來的湍流作用，引起了可燃蒸氣與空氣的混合，增加了煙氣層厚度，這將會對人體造成致命的傷害，影響人員疏散。

∶頂棚射流火焰;水霧;數(shù)值模擬;隧道火災(zāi)

0 引言

當火源距離頂棚較近或者火源強度足夠大時，自然擴散火焰容易直接撞擊頂棚，沿頂棚水平傳播并在頂棚下方繼續(xù)燃燒，形成頂棚射流火焰。這一情形多出現(xiàn)在隧道火災(zāi)中［1-3］，并且很容易造成人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失。進入21世紀，隨著人們對出行的便捷性提出越來越高的要求，以及為了緩解城市化進程過快帶來的嚴重交通問題，鐵路建設(shè)工程發(fā)展地越來越迅猛，地鐵隧道、公路隧道等隧道工程的規(guī)模日益增大、數(shù)量日益增多。然而，隧道在發(fā)揮其自身功能的同時，由于其空間結(jié)構(gòu)的特殊性，往往具有較高的火災(zāi)危險性，因此對隧道內(nèi)頂棚射流火焰的研究具有重要意義。目前國內(nèi)外學者對純煙氣羽流直接撞擊頂棚的情況已有諸多研究，發(fā)現(xiàn)水霧不僅可以降低煙氣溫度，還可以洗刷碳煙顆粒，提高能見度［4-6］，但是對頂棚射流火焰的研究及其相關(guān)實驗數(shù)據(jù)還很缺乏，且是在類似獨頭巷道的槽道中進行的［7-9］，這種情況與隧道相比差距較大。Hinkley等人對夾帶火焰頂棚射流的研究表明，頂棚射流對空氣的卷吸過程對頂棚射流火焰結(jié)構(gòu)有重要影響［10］。

水是一種清潔髙效、環(huán)境友好、無毒無害的滅火介質(zhì)。細水霧具有對環(huán)境無污染、滅火迅速、耗水量少和對防護對象破壞小等特點，己得到了國際火災(zāi)科學研究者的廣泛關(guān)注和重視。目前，對細水霧滅火技術(shù)的研究主要是借助于數(shù)值模擬。

文中在考慮不同起火高度的情況下，采用計算流體動力學軟件Fluent對頂棚射流火焰的燃燒特性及其與水霧的相互作用進行了數(shù)值模擬，分析了水霧抑制頂棚射流火焰的有效性。這不僅有助于預(yù)防和控制火災(zāi)的發(fā)展，還有利于提高控制和撲滅火災(zāi)的有效性和經(jīng)濟性，為細水霧系統(tǒng)設(shè)計提供指導(dǎo)。

圖1 計算區(qū)域示意圖Fig.1 Diagram of computational region

1 模型介紹

1.1 物理模型及邊界條件設(shè)置

計算區(qū)域是一個沿x方向長30 m，沿y方向高5 m的面對稱空間。模擬燃料入口寬1.0 m，燃料為正庚烷，進口速度為2.475×10-7m/s.圖1為火源位置為地面和離地面3 m高時的模擬算例的幾何示意圖。噴頭設(shè)置位置，如圖1所示，邊界長度及屬性分別見表1和表2.

表1 起火高度為地面時模型的邊界長度及屬性Tab.1 Boundary condition，geometry dimension and mesh for floor fire situation m

表2 起火高度為離地面3 m高時模型的邊界長度及屬性Tab.2 Boundary condition，geometry dimension and mesh for fire source w ith 3 m height m

在火焰達到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)后開始噴射水霧，噴頭設(shè)置在距離頂棚0.2 m處，實心錐角為60°，從火源中心線位置處起每隔3 m設(shè)置一個，共設(shè)置11個，水霧為單分散相，粒徑為300μm.釋放的水霧溫度為298 K，流量為0.005 kg/s，出口處液滴x軸向速度為-11.5～11.5 m/s，y軸向速度為-20 m/s.

網(wǎng)格劃分見表1和表2，豎直方向由于梯度較大，采用較細的0.02m的網(wǎng)格，縱向由于梯度小于豎直方向，采用0.04 m的網(wǎng)格。

1.2 數(shù)學模型

火災(zāi)中燃燒流動現(xiàn)象［11］是一種伴隨著物質(zhì)和能量傳遞的三維、非定常湍流流動，在隧道火災(zāi)過程中的煙氣運動受質(zhì)量守恒定律、牛頓第二運動定律、能量守恒定律和組分輸運守恒定律的控制。這些定律的數(shù)學描述構(gòu)成了化學流體力學的基本方程組，再加上有浮力修正的湍流兩方程模型，即構(gòu)成煙氣運動的封閉方程組［12］。

實際火災(zāi)中流動都是湍流，并且浮力對火災(zāi)過程有重要影響。浮力的作用既影響平均流場又影響湍流結(jié)構(gòu)，從而影響流動參數(shù)(速度、溫度和成分等)的空間分布及時間變化，因此，火災(zāi)過程的動力學模擬必須考慮湍流與浮力的相互影響［13］。不加水霧情況下選用的模型∶湍流模型選用有浮力修正的Realizable k-ε模型。Fluent提供的P1輻射模型［14］，該模型適用于計算流體與顆粒的輻射換熱作用。湍流和化學反應(yīng)的相互作用模型采用ED模型，該模型中化學反應(yīng)受湍流控制。施加水霧時，除以上模型外，還添加了離散相模型，用于模擬液滴運動、吸熱和蒸發(fā)。

圖2 頂棚射流火焰溫度分布Fig.2 Temperature distribution of ceiling jet flame

圖3 火源中心線不同距離的溫度隨高度的變化曲線Fig.3 Change of temperature with height at fire source center line

2 結(jié)果與分析

2.1 不施加水霧的頂棚射流火焰溫度分布

頂棚射流火焰的溫度分布如圖2所示，火源中心線不同距離的溫度隨高度的變化曲線，如圖3所示。從圖2可以看出，起火高度地面低時，煙氣層較厚，這是因為浮力羽流卷吸了更多的冷空氣。但是頂棚溫度仍然較高，溫度在火源上方明顯高于起火高度為3 m的情況，如圖3所示，這可能是因為卷吸的空氣促進了可燃氣體的燃燒，而起火高度為3 m時燃燒不充分，溫度反而低于地面火源。

2.2 施加水霧后頂棚射流火焰的最高溫度變化

圖4為施加水霧后120 s內(nèi)頂棚射流火焰的最高溫度變化(該溫度為計算區(qū)域內(nèi)的最大溫度值)。從圖4可以看出，剛施加水霧時，水霧通過熱容吸熱和潛熱吸熱過程吸收大量的熱量，使得頂棚射流火焰的溫度迅速降低;但隨后由于水霧施加的湍流作用促進了燃料蒸氣和氧氣的混合，因此最高溫度出現(xiàn)了先降低后稍微升高的現(xiàn)象。地面火源情況下，最高溫度升高的發(fā)生時間早于起火高位為3m時的情況，這是因為地面火源的煙氣層厚度大，水霧吸熱蒸發(fā)較為顯著，湍流混合作用更為強烈。由于細水霧的吸熱作用，火焰溫度已經(jīng)顯著降低，在湍流作用下出現(xiàn)波動。起火高度為3 m時，由于頂棚的高溫區(qū)域較薄，水霧與頂棚射流火焰相互作用的空間區(qū)域較與浮力火羽流作用的范圍要小的多，水霧在頂棚射流火焰很快進入冷空氣層，水霧的吸熱和蒸發(fā)效果不顯著;因此起火高度為3 m時最高溫度下降較地面火源要緩慢。

2.3 水霧施加前后組分濃度變化

圖5～圖7分別給出了起火高度為3 m的頂棚射流火焰在水霧施加前后的O2摩爾分數(shù)、CO2摩爾分數(shù)及水蒸氣摩爾分數(shù)的分布。從圖中可以看出，隧道內(nèi)組分分布分為上下2層，上層為由燃燒產(chǎn)物、水蒸氣和卷吸空氣組成的含氧量極低的熱煙氣層;下部為空氣層。在施加水霧一段時間后，由于噴射水霧的蒸發(fā)，在燃燒區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了大量的水蒸氣，水蒸氣向燃燒產(chǎn)物和卷吸空氣組成的熱煙氣層擴散并與之混合，降低了煙氣中可燃物和氧氣的摩爾分數(shù)，并隨之一起向下運動，增加了煙氣層的厚度。

圖4 水霧施加后頂棚射流火焰最高溫度變化Fig.4 Change ofmaximum temperature in flame after the application ofwatermist

圖5 水霧施加前后O2摩爾分數(shù)分布Fig.5 Distribution of O2before and after the application ofwatermist

圖6 水霧施加前后CO2摩爾濃度分布Fig.6 Distribution of CO2before and after the application ofwatermist

圖7 水霧施加前后水蒸氣的摩爾分數(shù)分布Fig.7 Distribution of water vapor before and after the application of watermist

可以看出，水霧施加導(dǎo)致煙氣層降低，這將會對人體造成致命的傷害，影響人員疏散。從圖中還可以看出，在水霧作用60 s時，水蒸氣與CO2充滿了隧道空間的一半。高濃度的水蒸氣和CO2能夠稀釋氧氣和燃料蒸氣，從而降低燃燒速率，可以有效地抑制隧道火災(zāi)［14］。

3 結(jié)論

1)起火位置靠近頂棚時，形成的頂棚射流火焰充分發(fā)展后，高溫區(qū)域都聚集在頂棚下方。但是，由于空氣卷吸量小，燃燒不完全，起火高度較高時，頂棚射流火焰的最高溫度較地面火源時要小，其煙氣層厚度遠小于地面火源所形成的頂棚射流火焰;

2)水霧施加的湍流作用會促進燃料蒸氣和氧氣的混合，使燃燒的區(qū)域擴大，火焰被抑制后溫度在湍流作用下隨時間發(fā)生波動。由于水霧與頂棚射流火焰的作用區(qū)域較小，水霧的吸熱作用并不能得到充分的發(fā)揮;

3)水霧施加的湍流作用還會導(dǎo)致煙氣層降低，這將會對人員疏散帶來負面影響。

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Numerical simulation of the interaction between water m ist and the ceiling jet flame

WANG Lin1，MENG Zi-long2，LIANG Tian-shui2

(1.Xi’an Fire Brigade，Xi’an 710075，China; 2.School of Chemical Engineering and Energy，Zhengzhou University，Zhengzhou 450000，China)

∶This paper studied the combustion characteristics of ceiling jet flame and the interaction between watermistand ceiling jet flame in a tunnel fire through numerical simulation.Differentheightof fire source was considered.Itwas found that the lower the fire source height，the thicker the smoke layer because the effect of buoyancy entrainmentof flame.Watermist could effectively reduce the ceiling jet flame temperature，and could suppress the flame.Comparing with floor fire source，the effect of watermist decrease ceiling jet flamewas not so significantwhen fire sourcewas3m height，which is because the ceiling jet flame is thinner and the heat absorbing effect of water mist was not fully activated.The turbulence caused by watermist could enhance the mixture of flammable vapor and air，increased the thickness of smoke layer，and might cause fatal harm to occupant，so the ASET for evacuation was shorted.

∶ceiling jet flame;watermist;numerical simulation;tunnel fire

∶X 932

∶A

00/j.cnki.xakjdxxb.2015.0309

∶1672-9315(2015)03-0325-06

∶2015-02-10責任編輯∶劉潔

∶國家自然科學基金(51404215)

∶王琳(1980-)，女，陜西西安人，工程師，E-mail∶38287439@qq.com