火源位置對(duì)腔室火流動(dòng)特性影響的實(shí)驗(yàn)研究

李子龍,高 威

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

0 引言

在腔室火災(zāi)中，外部新鮮空氣從腔室開口下部進(jìn)入，氣體產(chǎn)物或未燃盡燃料從開口上部溢出。這一開口流動(dòng)過程是維持腔室火災(zāi)的基本過程。腔室火流動(dòng)特征與腔室內(nèi)溫度分布及熱量傳遞緊密耦合，共同決定了腔室火災(zāi)的蔓延特征。此外，開口流動(dòng)特征決定了腔室通風(fēng)狀況，是建筑火災(zāi)安全設(shè)計(jì)中著重考慮的因素。

對(duì)于充分發(fā)展的腔室火災(zāi)，開口質(zhì)量流率顯著影響了內(nèi)部燃料的質(zhì)量損失速率及熱釋放速率[1,2]。在實(shí)際腔室火災(zāi)中，室內(nèi)溫度在高度方向上往往呈現(xiàn)非均一分布，為理論表征帶來了極大困難。為此，學(xué)術(shù)界通常采用簡(jiǎn)化的“區(qū)域模型”，即假設(shè)腔室內(nèi)溫度呈現(xiàn)單層或者雙層分布，以便于建立腔室內(nèi)的質(zhì)量能量守恒方程。對(duì)于雙層模型，由于其相比于單層模型額外引入了煙氣層高度變量，通常需要添加卷吸流率方程以實(shí)現(xiàn)模型封閉。為此，McCaffrey和Rockett[3]率先將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Steward[4]羽流模型進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)模型預(yù)測(cè)明顯低于實(shí)驗(yàn)值，需要對(duì)卷吸系數(shù)進(jìn)行大幅修正。Steckler等[5]在其卷吸模型中引入Zukoski等[6]的經(jīng)典點(diǎn)源羽流模型，與全尺寸實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，僅在靠近壁面處符合較好，而在腔室其他位置實(shí)驗(yàn)值是預(yù)測(cè)值的2～3倍。Pikiokos和Kolaitis[7]通過全尺寸實(shí)驗(yàn)與模型預(yù)測(cè)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，火源位置對(duì)模型預(yù)測(cè)精度有重要影響。

盡管已認(rèn)識(shí)到其重要性，學(xué)術(shù)界對(duì)于火源位置對(duì)腔室火災(zāi)特性影響的研究仍較為匱乏。Jeong和Ryou[8]通過實(shí)驗(yàn)和模擬發(fā)現(xiàn)，火源在壁面處會(huì)造成煙氣層溫度、平均火焰高度、開口中性面高度及燃燒穩(wěn)態(tài)時(shí)間的增加。Hwang等[9]發(fā)現(xiàn)，火源位置及燃料分布對(duì)煙氣層為單層分布下的腔室火災(zāi)特性影響并不顯著。目前的研究主要采用腔室中央[10,11]、貼近壁面處[12-14]和墻角處[14-16]三個(gè)典型的火源位置，尚未對(duì)火源位置的影響進(jìn)行系統(tǒng)性研究。此外，前人模擬的腔室火災(zāi)多為通風(fēng)受限場(chǎng)景[8,9,13,17]，其內(nèi)部煙氣為單層分布。而實(shí)際火災(zāi)中，火災(zāi)發(fā)展初期其內(nèi)部煙氣層通常容易形成分層的雙層場(chǎng)景。

針對(duì)以上問題，本文開展了小尺度腔室火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，通過測(cè)量不同火源熱釋放速率及位置下腔室內(nèi)部及開口流動(dòng)特性的變化，探究火源位置對(duì)腔室火災(zāi)特性的影響。研究結(jié)果可為相關(guān)場(chǎng)景下的腔室火災(zāi)理論模型提供實(shí)驗(yàn)結(jié)果支撐。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖1所示為本文采用的小尺度腔室火災(zāi)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，包括小尺度腔室、數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)和火源。腔室尺寸為700 mm(長)×700 mm(寬)×545 mm(高)，內(nèi)壁及頂部覆蓋30 mm厚硅酸鋁鹽防火板，以減少內(nèi)部導(dǎo)熱損失。腔室正面采用5 mm厚耐高溫陶瓷微晶玻璃，以觀察內(nèi)部燃燒過程及火焰形態(tài)。腔室側(cè)面中心處設(shè)有開口，尺寸固定為180 mm(寬)×440 mm(高)。為避免腔室在長時(shí)間高溫下變形，主體結(jié)構(gòu)采用5 mm厚不銹鋼板，在側(cè)面和頂部焊接鋼條固定。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖(a)及測(cè)量布置(b)Fig. 1 Experimental setup (a) and measuring arrangement (b)

為實(shí)現(xiàn)火源在水平方向的任意移動(dòng)，腔室底部中線上設(shè)有狹槽。燃燒器固定于鋁板上通過螺栓與腔室底部連接，鋁板在水平方向移動(dòng)可以改變火源位置。選用直徑75 mm的圓形甲烷氣體燃燒器作為火源。以上火源與腔室尺寸的比例與Steckler等[5]的經(jīng)典研究中基本一致。燃燒器與腔室底面平齊，在內(nèi)部設(shè)有多孔過濾裝置以保證氣體流動(dòng)均勻性。通過調(diào)節(jié)氣體流量控制器及下方滑板模擬不同熱釋放速率(1.97 kW～23.90 kW)及火源位置(燃燒器邊緣與壁面距離為S)。

腔室開口中線上沿不同高度布置了10根皮托管(Dwyer 160S-18型)，通過與微壓差計(jì)(Dwyer 607-01和607-11型)連接測(cè)量流速。皮托管間距為45 mm，測(cè)量方向與開口平面垂直。在每根皮托管上方附有細(xì)粗兩根K型露端式熱電偶(節(jié)點(diǎn)直徑分別為(0.3±0.02) mm與(0.8±0.02) mm)測(cè)量溫度并對(duì)熱輻射進(jìn)行修正。為獲得內(nèi)部溫度分布情況，在距離腔體邊緣50 mm處的側(cè)壁上沿高度方向開有1 mm的孔，熱電偶(節(jié)點(diǎn)直徑(0.3±0.02) mm)由壁面穿過并通過外部鋁條固定，其在腔室內(nèi)部浸入長度為50 mm，在內(nèi)側(cè)角落沿高度方向共布置19個(gè)測(cè)點(diǎn)。所有速度、溫度數(shù)據(jù)的采樣頻率均為20 Hz頻率。

為觀測(cè)腔室內(nèi)部火焰形態(tài)，在觀察窗前布置CCD相機(jī)(索尼DCR-SR100)，以每秒25幀的速率進(jìn)行拍攝。圖2所示為圖像處理過程。首先將獲取的火焰圖處理成灰度圖，然后采用Otsu方法[18]轉(zhuǎn)換成二值圖，通過計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)的平均值得到火焰間歇率分布。將火焰間歇率0.5處定義為火焰輪廓，通過讀取像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)長度得到火焰形態(tài)數(shù)據(jù)。

圖2 火焰圖像處理過程Fig. 2 Flame image processing

2 結(jié)果與討論

2.1 開口壓差與速度分布

將壓差信號(hào)穩(wěn)態(tài)時(shí)段取平均值獲得不同工況下的壓差分布。如圖3所示，數(shù)據(jù)體現(xiàn)出明顯的雙層分布場(chǎng)景。在中性面以上區(qū)域(壓差為正)，壓差沿高度方向呈線性變化，說明了腔室溫度在煙氣層上均勻分布。在中性面以下區(qū)域(壓差為負(fù))，壓差分布隨高度呈現(xiàn)弱線性變化。其斜率低于中性面以上區(qū)域。這是由于壓差斜率取決于所在高度的腔室內(nèi)外溫差，對(duì)于中性面以下區(qū)域而言，其溫度顯著低于上部煙氣層，因此其與外部環(huán)境溫差相對(duì)較小。在同一熱釋放速率下，火源位置改變顯著影響了開口壓差分布。當(dāng)火源由壁面向開口移動(dòng)，在開口中性面以上，同一高度處壓差變大，這與McCaffrey和Rockett的結(jié)論一致[3]。相應(yīng)的，中性面高度及流速也會(huì)受到影響。

圖3 腔室開口處壓差分布(熱釋放速率1.97 kW(左)和8.96 kW(右))Fig. 3 Pressure distribution along the opening for HRR of 1.97 kW (left) and 8.96 kW (right)

根據(jù)壓差在高度上的線性分布，可以擬合得到壓差變化表達(dá)式：

(1)

式中，T為腔室上部煙氣層平均溫度；HN為中性面高度；ρ0為外部環(huán)境密度。

由于腔室內(nèi)煙氣層溫度與開口中性面高度均會(huì)隨火源位置改變發(fā)生變化，由公式1可知，火源位置變化將導(dǎo)致其開口壓差分布發(fā)生改變?；诠?的擬合直線與ΔP=0的交點(diǎn)即為中性面高度?？梢钥闯?，在同一熱釋放速率下，隨著火源位置從側(cè)墻向開口移動(dòng)，中性面高度逐漸降低。對(duì)同一火源位置來說，熱釋放速率的增加會(huì)造成更大的壓差，也會(huì)導(dǎo)致中性面高度的降低。以上對(duì)壓差數(shù)據(jù)的擬合僅使用中性面以上的數(shù)據(jù)，是由于中性面以下溫度劇烈降低，公式1將不再成立。線性擬合得到的中性面預(yù)測(cè)值可能會(huì)略高于測(cè)量值，這是由于忽略內(nèi)部壓差損耗ΔPint所導(dǎo)致[19]。

(2)

除了以上方法以外，由皮托管測(cè)得壓差與公式2可以得到開口速度分布，也可以判斷中性面高度。如圖4所示，當(dāng)火源處于同一位置時(shí)，如S=0.29 m處，熱釋放速率增大將導(dǎo)致開口流速顯著增大。在更大的熱釋放速率下，煙氣層更厚，上部煙氣循環(huán)卷吸更強(qiáng)溫度更高，由此造成更大的內(nèi)外溫差，導(dǎo)致流速變快。相應(yīng)的，中性面高度從0.23 m降到0.20 m。

圖4 腔室開口處速度分布Fig. 4 Velocity distributions along the opening of the comparment

2.2 煙氣層與中性面高度

腔室中性面高度的變化會(huì)導(dǎo)致開口氣體流動(dòng)發(fā)生變化。對(duì)于中性面高度的確定，研究者們提出了不同的計(jì)算方法。McCaffrey和Rockett[3]認(rèn)為，可以通過測(cè)量腔室內(nèi)外靜壓，以靜壓差在高度上的線性分布計(jì)算得到，或測(cè)量開口高度上的溫度分布以溫度積分表達(dá)壓差計(jì)算得到。也有學(xué)者通過觀察開口處煙氣流動(dòng)估算中性面高度[20]。在本文中，由于開口高度上密集布置了速度測(cè)點(diǎn)，由此通過數(shù)據(jù)與理論公式擬合的方式獲取中性面高度。

通過公式1和公式2可知，開口速度在高度上滿足：

(3)

圖5所示為獲得的中性面高度?？梢钥吹?，對(duì)于絕大多數(shù)工況，火源向開口移動(dòng)時(shí)，中性面高度均減小，意味著開口上部有更多空間用于熱煙氣流出。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，與較大熱釋放速率的工況相比，較小火源熱釋放速率下，火源位置對(duì)中性面高度的影響更為顯著。這是因?yàn)樵谳^小火源功率下，火源自身流動(dòng)與溫差驅(qū)動(dòng)的開口流動(dòng)均較弱，上部煙氣聚積僅依靠火羽流卷吸作用，而此時(shí)其卷吸強(qiáng)度較弱，更容易受開口入流及壁面卷吸受限的影響，因此中性面高度發(fā)生顯著變化。從火源位置影響程度來看，火源在貼近壁面及靠近開口處時(shí)，對(duì)于中性面高度的影響顯著，而位于腔室中部時(shí)，對(duì)中性面高度的影響較小。

圖5 中性面高度隨火源位置變化關(guān)系Fig. 5 Neutral plane heights versus fire locations under various heat release rates

煙氣層高度可以通過腔室內(nèi)部溫度分布數(shù)據(jù)得到。圖6為不同火源位置下腔室內(nèi)部溫度分布的典型情況?？梢钥吹?，對(duì)通風(fēng)良好場(chǎng)景下的腔室火，其內(nèi)部溫度分布呈現(xiàn)明顯的分層場(chǎng)景，腔室上部為熱煙氣層下部為均勻的冷空氣層，中部對(duì)應(yīng)溫度快速變化的“過渡區(qū)”。為更準(zhǔn)確地描述上下兩層的分界面即煙氣層高度，本文假設(shè)內(nèi)部溫度在“過渡區(qū)”呈線性變化，并采用溫度變化最劇烈的兩點(diǎn)的均值所對(duì)應(yīng)高度作為煙氣層高度。從圖6可以看出，火源位置的改變使腔室內(nèi)溫度分布發(fā)生了明顯變化，當(dāng)火源由壁面向開口方向移動(dòng)，上層溫度逐漸降低，煙氣層高度隨之也發(fā)生改變。

圖6 不同火源位置下腔室內(nèi)部溫度分布(熱釋放速率8.96 kW)Fig. 6 Temperature distribution in the compartment for HRR of 8.96 kW

相比中性面高度，煙氣層高度受火源位置影響更為顯著。如圖7所示，同一熱釋放速率下，煙氣層高度隨著火源向開口移動(dòng)而逐漸降低，其變化呈現(xiàn)非均勻性?；鹪次恢酶淖儗?duì)煙氣層高度的影響在壁面附近最顯著。當(dāng)火源移動(dòng)至腔室中部時(shí)，煙氣層高度變化減緩。隨著向開口靠近，其變化速率又開始加快。這與前文的中性面高度變化規(guī)律一致，有明顯區(qū)域性。可以認(rèn)為：當(dāng)火源位于壁面及開口處時(shí)，卷吸受限與入流風(fēng)作用分別是其主要影響因素；而當(dāng)火源位于腔室中部時(shí)，這兩方面影響都較弱，導(dǎo)致煙氣層與中性面高度變化并不明顯。

圖7 煙氣層高度隨火源位置變化關(guān)系Fig. 7 Smoke layer heights versus fire locations under various heat release rates

對(duì)于煙氣層處于穩(wěn)定高度下的室內(nèi)燃燒狀態(tài)來說，可以認(rèn)為腔室內(nèi)外的質(zhì)量流動(dòng)保持動(dòng)態(tài)平衡。在腔室開口處，出流質(zhì)量等于入流質(zhì)量；在腔室內(nèi)部，通過羽流卷吸抬升到煙氣層高度上的質(zhì)量傳遞與開口出流質(zhì)量相等。因此，煙氣層高度的變化必將使開口質(zhì)量流率發(fā)生改變。

2.3 開口質(zhì)量流率

在本文中，通過將開口高度上密度與速度乘積在中性面以上高度進(jìn)行積分獲取開口出流質(zhì)量流率的實(shí)驗(yàn)值。假設(shè)在開口寬度方向速度一致，則有：

(4)

式中，ρ與v分別為開口高度z處的氣體密度與出流速度；W0為開口寬度；H0與HN分別為開口高度與中性面高度。

圖8 火源位置與腔室開口出流質(zhì)量流率變化關(guān)系Fig. 8 Opening mass flow rate as a function of fire location

在腔室火研究中，通常采用伯努利方程與靜壓表達(dá)式對(duì)開口質(zhì)量流率進(jìn)行理論計(jì)算[21]：

(5)

式中，ρg與ρa(bǔ)分別為內(nèi)部煙氣層密度與外部環(huán)境密度；Cd為開口流動(dòng)系數(shù)。

圖9為實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，可以看出，二者符合較好。圖9中直線為數(shù)據(jù)的線性擬合，其斜率即為開口流動(dòng)系數(shù)。以上結(jié)果表明，雙層模型在本文場(chǎng)景中具有較好的適用性。

圖9 理想流動(dòng)模型與出流質(zhì)量流率測(cè)量值關(guān)系Fig. 9 Correlation of opening mass flow rate with idealized flow model

2.4 腔室火焰形態(tài)

火源位置對(duì)質(zhì)量流率的影響機(jī)制主要在于其火羽流卷吸強(qiáng)度。以往模型中，缺乏對(duì)內(nèi)部流動(dòng)的觀察是導(dǎo)致質(zhì)量流率預(yù)測(cè)偏差的重要原因[7]，尤其是火源位置發(fā)生改變時(shí)偏差更為明顯。鑒于此，本文還對(duì)不同火源位置下腔室內(nèi)火焰形態(tài)的演化特征進(jìn)行研究。

圖10所示為火焰高度Hf及火焰水平伸長量Lx的定義，這兩個(gè)參數(shù)反映了腔室內(nèi)火焰受到開口入流影響的程度。

圖10 火焰高度與火焰水平伸長量定義Fig. 10 Definitions of flame height and horizontal flame extent

如圖11所示，當(dāng)火源由靠近壁面向開口移動(dòng)時(shí)，在開口入流風(fēng)的作用下火焰高度單調(diào)降低。當(dāng)火源貼近墻壁或靠近開口時(shí)，影響更為明顯。這說明了壁面卷吸限制與開口入流風(fēng)是火焰形態(tài)發(fā)生變化的主要原因。圖11中直線表示腔室內(nèi)火焰能到達(dá)的最大高度，即頂棚高度。當(dāng)火焰達(dá)到頂棚時(shí)，會(huì)沖擊頂棚發(fā)生頂棚射流，甚至導(dǎo)致火溢流的發(fā)生。

圖12 火焰水平伸長量與火源位置變化關(guān)系Fig. 12 Measured horizontal flame extents versus fire locations

目前腔室火研究中的火源多位于腔室中部，因此以腔室中央處火源位置Sc作為特征長度能較好反映火源位置變化這一影響。如前文所述，腔室開口流動(dòng)特征在壁面處及開口處受火源位置影響更大，因此選擇Sc作為火源位置S的歸一化參數(shù)能夠更好表示其在靠近壁面處(S/Sc<1)及開口處(S/Sc>1)受到的不同影響程度。以上腔室內(nèi)部火焰在開口入流風(fēng)作用下的演化特征與環(huán)境風(fēng)作用下的油池火[22]具有動(dòng)力學(xué)相似性。我們借鑒其理論方法，將火源位置S及火焰水平伸長量Lx分別以火源中心位置Sc及直徑D無量綱化，則有：

(6)

式中ρv/ρa(bǔ)為燃料蒸汽密度與環(huán)境密度比，前人研究中視為定值，在燃料類型不變情況下可以忽略。

對(duì)于未發(fā)生火焰附壁現(xiàn)象的場(chǎng)景，將其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)公式6的函數(shù)關(guān)系擬合可以得到：

(7)

如圖13所示，擬合相關(guān)度較好。將密度項(xiàng)耦合進(jìn)入，則有：

圖13 火焰水平伸長量與公式6中無量綱參數(shù)的關(guān)系Fig. 13 Correlation of horizontal flame extents with the non-dimensional quantities in eq.(6)

(8)

對(duì)發(fā)生火焰附壁現(xiàn)象的場(chǎng)景，公式8將不再適用。由圖12可以發(fā)現(xiàn)，火源位置S較小時(shí)，火焰會(huì)隨熱釋放速率增大發(fā)生附壁現(xiàn)象，此時(shí)水平伸長量Lx不再發(fā)生改變，達(dá)到最大值：

Lx_max=S+R

(9)

式中R為火源半徑。此時(shí)，通過公式8的預(yù)測(cè)值將會(huì)大于這一最大水平伸長量的限制。

因此，結(jié)合火焰是否發(fā)生附壁這兩種情況，不同火源位置下腔室內(nèi)部火焰水平伸長量應(yīng)為這兩者計(jì)算值中較小值，結(jié)合公式8和公式9有：

(10)

這一表達(dá)式可用于不同工況下的Lx計(jì)算。

3 結(jié)論

本文通過一系列小尺度腔室火實(shí)驗(yàn)，研究了火源位置變化對(duì)腔室火流動(dòng)特性的影響。主要結(jié)論如下：

(1)火源位置改變會(huì)造成中性面高度及開口流速的顯著變化。隨著火源向開口方向移動(dòng)，中性面高度降低，同一高度上出流速度增大。

(2)腔室內(nèi)煙氣層高度隨著火源向開口方向移動(dòng)而降低。與火源強(qiáng)度相比，火源位置變化對(duì)煙氣層高度的影響更為顯著。

(3)火源位置對(duì)中性面高度及煙氣層高度的影響在壁面處及開口處更為顯著，腔室中部位置變化的影響相對(duì)較小。

(4)開口質(zhì)量流率會(huì)隨著熱釋放速率增加而增大，并隨著火源位置向開口方向移動(dòng)而增大。

(5)火源由壁面向開口移動(dòng)，會(huì)造成火焰高度降低和水平伸長量增加?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了耦合火源位置的腔室內(nèi)火焰水平伸長量的表達(dá)式。