船用長(zhǎng)通道頂棚下方煙氣溫度分布規(guī)律及蔓延運(yùn)動(dòng)分析

鄭源，黃玉彪，黃丹妍，楊立中

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230026)

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船用長(zhǎng)通道頂棚下方煙氣溫度分布規(guī)律及蔓延運(yùn)動(dòng)分析

鄭源，黃玉彪，黃丹妍，楊立中

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230026)

基于大渦模擬(LES)方法獲得煙氣溫度與速度，結(jié)合煙氣在特殊長(zhǎng)通道的結(jié)構(gòu)特征，分析其溫度分布規(guī)律與運(yùn)動(dòng)規(guī)律,發(fā)現(xiàn)溫度邊界層與速度邊界層可以很好地表征煙氣運(yùn)動(dòng)，頂棚下方0.015m處的煙氣溫度可以代替最高溫度，與壁面對(duì)流傳熱的最高溫度預(yù)測(cè)公式符合很好。

煙氣船用長(zhǎng)通道溫度

火災(zāi)煙氣是熱浮力驅(qū)動(dòng)的特殊流體，其蔓延范圍廣，危險(xiǎn)性高。

在煙氣研究中數(shù)值模擬的方法被廣泛使用[1]，大量研究工作主要集中在長(zhǎng)通道隧道這類(lèi)結(jié)構(gòu)的溫度分布[2-6]，在一系列尺寸實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立隧道頂棚下方最高煙氣溫升的經(jīng)驗(yàn)公式[7]；對(duì)火災(zāi)車(chē)艙的火災(zāi)發(fā)展規(guī)律進(jìn)行研究提出檢驗(yàn)整體最大熱釋放速率系數(shù)，并且基于火羽流的理論建立了頂棚下方最高溫升的多區(qū)域表達(dá)模型[8-9]；有研究者提出頂棚下最高溫升的指數(shù)公式，其形式簡(jiǎn)潔使用方便[10-11]；有研究者對(duì)隧道火災(zāi)進(jìn)行大量研究，從基本方程推導(dǎo)一維下頂棚下方最高溫度分布情，并對(duì)指數(shù)型溫度分布公式進(jìn)行了分析驗(yàn)證[12]。

由于溫度邊界層的波動(dòng)，最高溫度的分布很難獲取，在大量的分析溫度數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，嘗試尋找頂棚下方一定高處的溫度分布來(lái)進(jìn)行替代。

1 計(jì)算模型的建立

1.1 數(shù)值模擬軟件FDS簡(jiǎn)介

針對(duì)水面艦船特殊走廊結(jié)構(gòu)的火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律及溫度規(guī)律，運(yùn)用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)實(shí)驗(yàn)室的火災(zāi)計(jì)算模擬軟件FDS(fire dynamics simulation)。

1.2 物理模型

根據(jù)船用長(zhǎng)通道結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化模型，搭建長(zhǎng)、寬、高分別為10、2、3 m的通道模型，其材質(zhì)為2 cm厚鋼板，內(nèi)部存在聯(lián)通門(mén)，其拱形門(mén)開(kāi)口寬1.5 m高1.9 m，門(mén)結(jié)構(gòu)的垂直段高1.5 m,見(jiàn)圖1。整體結(jié)構(gòu)以中部的連通門(mén)為中心向兩端成對(duì)稱(chēng)分布，網(wǎng)格間隔0.03 m。共建立3 600 000個(gè)方形網(wǎng)格?；鹪丛O(shè)置為0.25 m×0.25 m的方形油盤(pán)?；鹪垂β始s為2 MW。燃燒反應(yīng)機(jī)理為塑料材質(zhì)燃燒化學(xué)反應(yīng)。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)燃燒現(xiàn)象，當(dāng)燃燒開(kāi)始后的50～100 s，認(rèn)為達(dá)到了燃燒的穩(wěn)定階段，針對(duì)穩(wěn)定階段采用歐拉法描述煙氣運(yùn)動(dòng)，取煙氣在特定時(shí)刻作為研究對(duì)象，并將穩(wěn)定階段煙氣特征值取平均，對(duì)波動(dòng)的煙氣特征參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定處理，得到溫度與速度等值圖，見(jiàn)圖2。

2.1 頂棚下方煙氣層

在整個(gè)走廊內(nèi)部，由于其縱向運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)大于橫向的運(yùn)動(dòng)，可以忽略煙氣在運(yùn)動(dòng)中橫向上的溫度交換。因此對(duì)其結(jié)構(gòu)中部取切面，將三維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二維平面，并以中部切面作為表征煙氣特性的特殊平面。根據(jù)圖3中的溫度等值分布，可以發(fā)現(xiàn)，受到熱浮力驅(qū)動(dòng)的煙氣從火源位置開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)，受到頂棚的限制與自身重力的作用，煙氣在豎直運(yùn)動(dòng)被制止，轉(zhuǎn)而開(kāi)始水平。在圖3中可以發(fā)現(xiàn)煙氣出現(xiàn)了明顯的分層作用，表明走廊結(jié)構(gòu)中當(dāng)煙氣自由運(yùn)動(dòng)，或存在開(kāi)口以及排煙裝置時(shí)，其煙氣可以在頂棚下方運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)影響其走廊下部，可以發(fā)現(xiàn)在當(dāng)前的條件下，以人體可以接受的40°為界限，走廊內(nèi)下部的空氣約占整個(gè)結(jié)構(gòu)高的40%左右，也證明了火災(zāi)中煙氣的排煙設(shè)計(jì)可以有效減弱煙氣對(duì)人員的危害情況。

2.2 頂棚下煙氣的運(yùn)動(dòng)與溫度分布

圖4表明煙氣的流動(dòng)狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)根據(jù)Fr數(shù)的影響，浮力很難保證煙氣的穩(wěn)定性，其靠近頂棚附近的運(yùn)動(dòng)與層流底層理論較為相符，其主要表現(xiàn)為上部進(jìn)行水平向外運(yùn)動(dòng)，而下部煙氣在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，不斷卷吸大量空氣，形成預(yù)混的煙氣，其湍流運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象十分明顯。因此其內(nèi)部煙氣不斷形成漩渦并破碎，并且在較長(zhǎng)的頂棚下方空間內(nèi)還會(huì)出現(xiàn)渦列，通過(guò)這樣的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成預(yù)混煙氣的質(zhì)量熱量交換。

在圖5速度等值圖中可以發(fā)現(xiàn)，煙氣的運(yùn)動(dòng)受到壁面粘滯力,以及反向空氣的剪切力作用，以及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于垂壁而迫使運(yùn)動(dòng)方向變化導(dǎo)致動(dòng)能喪失等一系列作用相耦合，最終導(dǎo)致煙氣的水平速度在頂棚下方不斷的衰減，同樣進(jìn)入的空氣也會(huì)反向減速，從整體上來(lái)看，煙氣此時(shí)的運(yùn)動(dòng)是一種受浮力驅(qū)動(dòng)，由受限結(jié)構(gòu)與空氣反向剪切而抑制的一種運(yùn)動(dòng)。

煙氣的運(yùn)動(dòng)可以從壁面附近的上部煙氣和下方煙氣2個(gè)不同層次進(jìn)行分析，根據(jù)計(jì)算模擬圖6中的結(jié)果畫(huà)出煙氣運(yùn)動(dòng)的速度邊界層δv，發(fā)現(xiàn)速度邊界層穩(wěn)定維持在頂棚下方一定距離，由邊界層的計(jì)算結(jié)果了解到，邊界層的厚度主要由雷諾數(shù)來(lái)決定。結(jié)果表明，在整個(gè)煙氣運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，受到黏性力而產(chǎn)生的能量耗散在水平運(yùn)動(dòng)中幾乎不變發(fā)生改變。

在圖7中，可以發(fā)現(xiàn)類(lèi)似速度邊界層，頂棚下方同樣存在溫度邊界，圖7中等值線(xiàn)以z軸為因變量，可以發(fā)現(xiàn)每條等值線(xiàn)上的極值點(diǎn)即為煙氣層在相應(yīng)x坐標(biāo)處的最高溫度點(diǎn)，在頂棚下方，將每條等值線(xiàn)的極值點(diǎn)連接在一起，就形成了溫度層邊界曲線(xiàn)δt。可以發(fā)現(xiàn)溫度邊界層的厚度在頂棚下方呈現(xiàn)曲線(xiàn)分布，主要分布在頂棚下方0.01～0.05m之間。當(dāng)煙氣主要進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，溫度邊界層將開(kāi)始變厚，在煙氣通過(guò)垂壁后撞擊頂棚的位置，溫度邊界層變得很薄，隨著煙氣朝著垂壁運(yùn)動(dòng)溫度邊界層逐漸變厚，并且溫度邊界層從水平方向轉(zhuǎn)換為豎直方向，從頂棚下方轉(zhuǎn)換到垂壁一側(cè)。根據(jù)溫度邊界層的厚度和速度邊界層的相對(duì)位置及厚度，可以判斷煙氣運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)流換熱和運(yùn)動(dòng)耗散之間的關(guān)系，圖6中的速度邊界層穩(wěn)定維持為一條直線(xiàn)，而圖7中溫度邊界層呈現(xiàn)兩端厚、中間薄的情況表明在遠(yuǎn)端垂壁處對(duì)流換熱所占總散熱的比例更大一些，但整體上溫度層厚度的變化范圍不大，近似認(rèn)為某一高度即為走廊內(nèi)的溫度邊界層界限，以這條直線(xiàn)上的溫度來(lái)表征頂棚下方煙氣溫度。

由于走廊長(zhǎng)通道結(jié)構(gòu)中幾乎都存在垂壁結(jié)構(gòu)，因此考慮煙氣這此結(jié)構(gòu)中必須要考慮垂壁對(duì)煙氣運(yùn)動(dòng)的影響，根據(jù)圖8的模擬計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)煙氣通過(guò)垂壁時(shí)形成了一個(gè)渦旋，當(dāng)煙氣通過(guò)垂壁下端時(shí)，其本身具有水平的運(yùn)動(dòng)速度，且由于煙氣是由熱浮力驅(qū)動(dòng)的，將會(huì)形成具有一定傾斜角度的煙氣運(yùn)動(dòng)軌跡，當(dāng)煙氣以?xún)A斜的角度撞擊頂棚后，形成了流體力學(xué)中的駐點(diǎn)問(wèn)題，此時(shí)煙氣主流繼續(xù)向開(kāi)口方向運(yùn)動(dòng)；而另一小部分煙氣向右側(cè)運(yùn)動(dòng)，受到垂壁的反作用，形成渦旋，通過(guò)垂壁后的小部分煙傾斜向上運(yùn)動(dòng)通過(guò)u=0m/s的曲線(xiàn)，沿頂棚水平向垂壁運(yùn)動(dòng)在u=0m/s的右側(cè)區(qū)域運(yùn)動(dòng)方向由水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為豎直運(yùn)動(dòng)，此時(shí)煙氣從新分為2個(gè)部分，溫度較高的熱煙氣依然在渦旋中運(yùn)動(dòng)維持渦旋，而少部分低溫?zé)煔鈱⒅匦卤痪砦街髁鳠煔庵欣^續(xù)向開(kāi)口方向蔓延，從而形成了繞流運(yùn)動(dòng)。通過(guò)較長(zhǎng)距離的運(yùn)動(dòng)以及渦旋的耗散，煙氣在垂壁處喪失了較多的能量。

2.3 頂棚下方縱向溫度分布規(guī)律

根據(jù)上文分析，選取頂棚下方0.015 m處的溫度作為煙氣的特征溫度，見(jiàn)圖9。

由圖9可見(jiàn)，從煙氣撞擊頂棚開(kāi)始，煙氣沿著頂棚在下方縱向運(yùn)動(dòng)，溫度沿著運(yùn)動(dòng)的距離不斷衰減，由于溫度測(cè)點(diǎn)的密度相對(duì)較大，認(rèn)為整個(gè)分布是連續(xù)的，而在垂壁處，溫度存在明顯的間斷，這是圖8中煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律導(dǎo)致的，但在煙氣運(yùn)動(dòng)過(guò)程中經(jīng)過(guò)垂壁，溫度沒(méi)有呈現(xiàn)出大幅度衰減的情況，這主要是由于溫度在縱向的衰減梯度比垂直方向上的梯度要低很多，在溫度邊界層附近，當(dāng)縱向上喪失一定的熱量后其下方的熱煙氣將從新補(bǔ)充到溫度邊界層上。因此在這個(gè)區(qū)域的溫度沒(méi)能發(fā)生大幅變化。因此，垂壁對(duì)煙氣溫度的影響主要發(fā)生在下部煙氣，而在上部的影響很小。

在隧道、豎井等結(jié)構(gòu)中，針對(duì)煙氣縱向上的溫度衰減情況的分析表明，從考慮壁面散熱的流體力學(xué)基本方程出發(fā)，可以得到較為經(jīng)典的指數(shù)形式溫度衰減關(guān)系[5-6]，假定為穩(wěn)態(tài)階段，不考慮輻射能量、熱傳導(dǎo)、內(nèi)熱源等，求解后可以得出煙氣溫度與煙氣運(yùn)動(dòng)水平距離的關(guān)系。

通過(guò)10c)圖可見(jiàn)，當(dāng)煙氣開(kāi)始縱向蔓延時(shí)，由于受到垂壁的影響，溫度分布的規(guī)律比較復(fù)雜，并且由于垂壁附近頂棚下方處溫度與邊界層上的溫度存在很大的誤差，因此頂棚下方某一直線(xiàn)下的溫度分布與指數(shù)分布的擬合結(jié)果不夠理想，但除去垂壁附近溫度的異常變化，煙氣溫度分布與公式的擬合程度都很高，認(rèn)為在不考慮垂壁影響的作用下，最高溫度可以由頂棚下方0.015 m處溫度代替，其溫度分布與蔓延距離呈現(xiàn)一定規(guī)則的關(guān)系。

3 結(jié)論

1)獲得頂棚下方煙氣的溫度與速度分布并選取頂棚下方在縱向上可以表征煙氣的特征溫度速度。煙氣在長(zhǎng)通道內(nèi)的總體上符合煙氣的雙層理論，并可以通過(guò)模擬數(shù)據(jù)獲取溫度邊界層與速度邊界層曲線(xiàn)，并通過(guò)兩曲線(xiàn)的關(guān)系來(lái)確定煙氣熱量的損失方式。

2)考慮通道連接門(mén)的垂壁作用，可以有效迫使蔓延的煙氣溫度發(fā)生變化以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變。發(fā)現(xiàn)煙氣通過(guò)垂壁時(shí)會(huì)以一定傾斜角度撞擊頂棚，并且有一小部分煙氣回流形成渦旋與繞流運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特殊性導(dǎo)致了垂壁處耗散了一部分的煙氣能量，但由于煙氣層有著本身的穩(wěn)定性，下部煙氣的補(bǔ)入，其溫度整體變化不大。

3)發(fā)現(xiàn)基于壁面對(duì)流換熱的經(jīng)典溫度縱向衰減公式依然適用，并且在不考慮垂壁附近特殊的溫度變化時(shí)，以頂棚下方0.015 m處的溫度表征煙氣代替最高溫度，能很好地滿(mǎn)足煙氣縱向衰減規(guī)律。

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Study on Smoke Temperature and Spread Distribution below the Ceiling in Ship Channel

ZHENG Yuan, HUANG Yu-biao, HUANG Dan-yan, YANG Li-zhong

(State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

The phenomena that the temperature and movenment of smoke thermal buoyancy-driven was studied by the large eddy simulation (LES) method.The discipline of temperature and movenment suffered from the effect that the obstructive effect of smoke screen in the unusual long steel channel sturcture was anaylzed. It was found that the charactar curve of temperature and velocity can represent the smoke feature, and the temperature below ceiling 0.015 m can replace the maximum temperature conform the common exponential relationship.

smoke; ship channel; temperature

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.007

2017-01-18

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(資助號(hào)：51323010)和中央高?；緲I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(資助號(hào)：WK2320000033)

鄭源(1993—)，男，碩士生

研究方向：密閉空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)下火災(zāi)煙氣規(guī)律研究

U662.2

A

1671-7953(2017)03-0031-06

修回日期：2017-03-07