并排管道下消防噴頭對(duì)流換熱效果的數(shù)值模擬研究

李 貴

(武警學(xué)院 消防工程系，河北 廊坊 065000)

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并排管道下消防噴頭對(duì)流換熱效果的數(shù)值模擬研究

李 貴

(武警學(xué)院 消防工程系，河北 廊坊 065000)

對(duì)并排管道下消防噴頭的對(duì)流換熱情況建立了合理的傳熱物理模型及數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)設(shè)定的場(chǎng)所進(jìn)行了模擬研究。結(jié)果表明，并排管道下的消防噴頭由于位置低及集熱板對(duì)熱氣流的阻礙作用，其內(nèi)液體的溫度要低于同時(shí)刻鄰近的建筑物頂部的消防噴頭內(nèi)液體的溫度，啟動(dòng)時(shí)間要滯后于建筑物頂部鄰近的消防噴頭，這對(duì)于水平蔓延速度較快的火災(zāi)是個(gè)極大的隱患。最后針對(duì)現(xiàn)有規(guī)范的不足提出了合理的建議。

并排管道；數(shù)值計(jì)算；消防噴頭；熱氣流

我國(guó)《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50084—2001，2005年版)第7.2.3條規(guī)定[1]，當(dāng)成排布置的管道寬度大于1.2 m時(shí)，其下方應(yīng)當(dāng)增設(shè)消防噴頭，增設(shè)噴頭的上方如有縫隙時(shí)應(yīng)設(shè)集熱板。但是在管道下方增設(shè)消防噴頭，就必須要面對(duì)一個(gè)問(wèn)題，那就是噴頭換熱是否有效，因?yàn)檫@關(guān)系到在火災(zāi)初期消防自動(dòng)噴淋系統(tǒng)能否啟動(dòng)。

我國(guó)的最新規(guī)范規(guī)定，一般噴頭安裝在吊頂?shù)纳戏骄嚯x頂板不超過(guò)300 mm的地方，這樣消防噴頭會(huì)與周圍的熱氣流進(jìn)行充分的對(duì)流換熱，確?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，熱敏元件及時(shí)響應(yīng)動(dòng)作，在火災(zāi)初期噴頭灑水滅火?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，熱煙氣流在熱浮力的作用下會(huì)首先在建筑物頂部聚集，因此安裝在管道下方的消防噴頭比建筑物頂部下方的噴頭接觸熱煙氣晚。由于管道之間具有縫隙，按照規(guī)范的要求需要設(shè)置集熱板，但就集熱板的集熱效果來(lái)看，國(guó)內(nèi)外已有的研究結(jié)果表明是無(wú)效的[2-5]，那么并排管道下增設(shè)的消防噴頭能否在火災(zāi)初期及時(shí)啟動(dòng)便成為一個(gè)重要的問(wèn)題。

目前對(duì)于并排管道的對(duì)流換熱研究都集中在管道內(nèi)換熱和橫掠管道換熱[6-10]，對(duì)于并排管道下使用集熱板的集熱效果還沒有相關(guān)的研究。本文對(duì)并排管道下消防噴頭的對(duì)流換熱情況進(jìn)行了模擬研究，得到了并排管道工況下消防噴頭的對(duì)流換熱結(jié)果，并與建筑物頂部的消防噴頭的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，得到了可供借鑒的結(jié)論。

1 物理模型與數(shù)學(xué)模型

本文選用二維計(jì)算模型，由于整個(gè)過(guò)程不需要考慮化學(xué)反應(yīng)而只需要考慮換熱的問(wèn)題，所以用一個(gè)功率為6 MW的矩形熱源代替火災(zāi)場(chǎng)景下的火源。由于火源恰好位于消防噴頭正下方的狀況不具有代表性，因此本文選取了更為一般的工況，即火源不在消防噴頭正下方，這樣更便于客觀評(píng)價(jià)消防噴頭換熱的有效性問(wèn)題。由于消防噴頭熱量的聚集主要是對(duì)流換熱造成的，因此本文忽略了熱輻射的作用。在流動(dòng)區(qū)域，將空氣看作理想不可壓縮流體，同時(shí)假定計(jì)算區(qū)域的墻壁都是絕熱的。

網(wǎng)格的劃分采用分區(qū)混合網(wǎng)格，對(duì)建筑物頂部的消防噴頭周圍及并排管道下方的消防噴頭周圍進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理，建立了直角坐標(biāo)系，如圖1所示。這樣，一方面可以減少網(wǎng)格的數(shù)量，另一方面保證了數(shù)值計(jì)算的精度。

圖1 分區(qū)混合網(wǎng)格劃分圖

空間里的煙氣流動(dòng)滿足以下控制方程：

(1)

(2)

(3)

(4)

p=ρRT

(5)

初始條件為：

t=0時(shí)，T=293 K

(6)

邊界條件為：

(7)

(8)

對(duì)模型的建立及求解通過(guò)應(yīng)用fluent軟件完成。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，方程的離散采用有限容積法，其中時(shí)間項(xiàng)為向前一階差分格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用二階中心差分格式，對(duì)流項(xiàng)采用QUICK格式，壓強(qiáng)項(xiàng)采用SIMPLE算法處理。

離散后的方程采用半隱格式，求解采用ADI方法。能量方程的松弛因子為0.8，動(dòng)量方程與連續(xù)性方程的松弛因子為0.5。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

本文對(duì)未安裝集熱板的兩種工況均進(jìn)行了時(shí)長(zhǎng)為8 min的模擬計(jì)算，得到了換熱過(guò)程中溫度場(chǎng)等值圖及速度場(chǎng)矢量圖。消防噴頭玻璃球內(nèi)液體的溫度不僅與其外部的空氣溫度有關(guān)，還與空氣的流動(dòng)速度有關(guān)。圖2～圖7分別為第6，7，8 min的空氣溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)。

圖2 并排管道場(chǎng)景下6 min的溫度場(chǎng)

圖3 并排管道場(chǎng)景下7 min的溫度場(chǎng)

圖4 并排管道場(chǎng)景下8 min的溫度場(chǎng)

圖5 并排管道場(chǎng)景下6 min的速度場(chǎng)

圖6 并排管道場(chǎng)景下7 min的速度場(chǎng)

圖7 并排管道場(chǎng)景下8 min的速度場(chǎng)

將所有消防噴頭按照從左到右的順序依次編號(hào)，將4～8 min各個(gè)消防噴頭內(nèi)液體計(jì)算的溫度列于表1。

由表1可以看出，并排管道下方消防噴頭內(nèi)液體的溫度低于同時(shí)刻位于建筑頂部消防噴頭內(nèi)液體的溫度。

造成這種結(jié)果的原因有兩方面：一方面，熱氣流的上升過(guò)程遵循的是先垂直上升然后水平展開的規(guī)律，因此，除非管道下方的消防噴頭恰好位于熱源的上方，否則管道下方的消防噴頭要晚于建筑頂部的消防噴頭接觸熱氣流；另一方面，從速度場(chǎng)圖可以發(fā)現(xiàn)集熱板的使用，不僅沒有起到將熱氣流聚集的預(yù)期作用，而且使得流經(jīng)管道下方的消防噴頭的熱氣流的流速減慢，甚至在局部出現(xiàn)了流動(dòng)的死角。這兩方面共同作用，使得管道下方的消防噴頭與熱氣流的對(duì)流換熱的強(qiáng)度要弱于建筑頂部的消防噴頭，從而啟動(dòng)時(shí)間落后于建筑頂部的消防噴頭。

表1 不同位置不同時(shí)刻的消防噴頭內(nèi)液體的溫度

3 結(jié)論

3.1 并排管道下的消防噴頭由于位置低及集熱板對(duì)熱氣流的阻礙作用，噴頭內(nèi)液體的溫度要低于同時(shí)刻的建筑物頂部的噴頭內(nèi)液體的溫度。

3.2 并排管道下的消防噴頭的啟動(dòng)時(shí)間要滯后于建筑物頂部鄰近的消防噴頭，這對(duì)于水平蔓延速度較快的火災(zāi)是個(gè)極大的隱患。

3.3 現(xiàn)有規(guī)范對(duì)并排管道下增設(shè)消防噴頭的類型并沒有規(guī)定，建議增設(shè)的噴頭類型為快速響應(yīng)噴頭。

[1] 中華人民共和國(guó)公安部.自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范(2005年版):GB 50084—2001[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2005.

[2] Stand for the installation of sprinkler systems:NFPA13[S].

[3] 薄立矗.集熱罩對(duì)噴頭啟動(dòng)時(shí)間的數(shù)值模擬研究[J].武警學(xué)院學(xué)報(bào),2011,27(6):5-7.

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[6] THUC P D, KARIMOV M F, VIETSOVPETRO J V, et al.Computer simulation of thermo hydrodynamic and technological processes in active sub-sea oil pipelines[J].SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition,Jakarta,Indonesia,SPE 68685,2001.

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(責(zé)任編輯 馬 龍)

A Study of Numerical Effects of Convective Heat of the Fire Sprinkler under Alongside Pipes

LI Gui

(DepartmentofFireEngineering,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

A numerical calculation method was used in this paper for making a simulation study with a reasonable physical model and mathematical model of heat transfer about the fire sprinkler under alongside pipes. The results show that, fire sprinklers under alongside pipe due to the low position and hindered hot gas stream of the heat collecting plate, whose temperature is lower than the temperature of the liquid within fire sprinklers adjacent the top of the building at the same time, the startup time lags behind on top of the building near the fire sprinklers, which is a great risk with a fire that spreads faster at the horizontal level. Finally, reasonable suggestion was made for the deficiencies of the existing codes.

numerical calculation method; alongside pipe; fire sprinkler; hot gas stream

2016-06-10

李貴(1975— )，男，河北宣化人，講師。

TU892

A

1008-2077(2016)10-0018-03