李樹(shù)聲，戰(zhàn)詠梅

(1.哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001;2.順陽(yáng)汽車檢測(cè)維修服務(wù)有限公司，海南三亞572000)

多火源燃燒現(xiàn)象是群發(fā)性火災(zāi)向區(qū)域性火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中的基本現(xiàn)象.由于相鄰多火源之間存在復(fù)雜的相互作用行為，多火源燃燒與單火源燃燒有很大不同.Liu[1-2]曾對(duì)多火源相互作用強(qiáng)度、多火源火災(zāi)熄滅時(shí)間等進(jìn)行過(guò)一些研究.

前人對(duì)通道內(nèi)單火源火災(zāi)關(guān)注較多[3-6]，而對(duì)通道內(nèi)多火源火災(zāi)卻鮮有研究，現(xiàn)實(shí)隧道火災(zāi)中多車輛同時(shí)起火現(xiàn)象很多，所以有必要對(duì)通道內(nèi)多火源熱流場(chǎng)進(jìn)行研究，從而為通道火災(zāi)的預(yù)防、早期控制提供科學(xué)指導(dǎo).本文主要進(jìn)行了多火源通道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)與模擬數(shù)值，對(duì)多火源通道火災(zāi)流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究.

1 中尺度通道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)概述

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1(a)所示，是一個(gè)矩形通道，兩側(cè)均有開(kāi)口，通道尺寸為8.0 m(長(zhǎng))× 1.5 m(寬)×1.0 m(高);實(shí)驗(yàn)采用3種油池，直徑分別為0.16 m、0.20 m 及 0.26 m，油池高度均為 5 cm，見(jiàn)圖1(b)，燃料采用的是93#汽油，每次實(shí)驗(yàn)每個(gè)油池用油600 ml;本實(shí)驗(yàn)采用K型鎧裝熱電偶，數(shù)據(jù)采集設(shè)備選用安捷倫Agilent349470A多通道數(shù)據(jù)采集儀，采集通道數(shù)為42，如圖1(c).

如圖2所示，實(shí)驗(yàn)共布置了T1-T17等17個(gè)熱電偶，熱電偶布置于通道中截面頂棚下5 cm處，熱電偶間距0.5 m，主要測(cè)量了通道頂棚下縱向煙氣層內(nèi)溫度分布.實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為26℃.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 通道火災(zāi)示意Fig.2 Schematic view for tunnel fire

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

表1描述了通道火災(zāi)的實(shí)驗(yàn)工況.實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了單火源、兩火源及三火源火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于TF1單火源火災(zāi)，油池置于溫度測(cè)點(diǎn)T6正下方;對(duì)于TF2兩火源火災(zāi)，兩油池火分別置于溫度測(cè)點(diǎn)T6及T8正下方;對(duì)于TF3三火源火災(zāi)，三油池火分別置于溫度測(cè)點(diǎn)T4、T6及T8的正下方.通道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)見(jiàn)圖3.

火源的質(zhì)量損失速率與熱釋放速率的關(guān)系為

可以看出，TF3三火源火災(zāi)中φ1及φ2的火源熱釋放速率均高于TF2兩火源火災(zāi)中的φ1及φ2的火源熱釋放速率，這是由于火源越多，火源間的相互熱輻射越能加劇燃料的汽化，進(jìn)而增大了各個(gè)火源的熱釋放速率.

圖3 多火源通道火災(zāi)Fig.3 Tunnel multiple fires

表1 通道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditions for tunnel fires

2 浮力差

通道中煙氣的浮力是影響煙氣層對(duì)下層空氣卷吸及煙氣蔓延的重要因素，煙氣層與下層冷空氣的浮力差表征了煙氣層與下層冷空氣的卷吸、換熱的程度.浮力差可以由下式表示[7]:

式中:F表示浮力，ρ表示煙氣平均密度，ρ0表示下層冷空氣的密度，g為重力加速度，ΔT為煙氣與下層空氣溫度差值，T為煙氣層平均溫度.

圖4給出了單火源、兩火源和三火源浮力差對(duì)比情況.隨火源增多，相同位置處煙氣層與下層冷空氣間的浮力差逐漸增大，3個(gè)實(shí)驗(yàn)條次在X=0 m處均布置了φ=0.20 m的火源，但浮力差卻是三火源的最大，兩火源的次之，單火源的浮力差最小.這說(shuō)明了當(dāng)多個(gè)油池火互相靠近時(shí)，單個(gè)油池內(nèi)液體燃料不僅受到自身輻射的反饋，液體燃料表面還會(huì)受到周圍火源的熱輻射，致使燃料蒸發(fā)加快，自身及相鄰火源燃燒加劇，煙氣層溫度升高，相應(yīng)的浮力差也隨之增大.

圖4 浮力差對(duì)比Fig.4 Comparison of buoyancy force differences

3 多火源通道火災(zāi)流場(chǎng)研究

3.1 FDS數(shù)值模擬設(shè)定

FDS(fire dynamics simulator)[8-9]是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院NIST研制開(kāi)發(fā)的一款計(jì)算流體力學(xué)火災(zāi)場(chǎng)模擬軟件，適合解決熱浮力驅(qū)動(dòng)、低速流動(dòng)的Navier-Stokes方程.FDS采用大渦模擬模型(LES)來(lái)求解火災(zāi)熱驅(qū)動(dòng)流的紊態(tài)流動(dòng)問(wèn)題.FDS簡(jiǎn)單易用，可靠性高，廣泛應(yīng)用于模擬火災(zāi)導(dǎo)致的煙氣傳播、蔓延等狀況.

本文采用FDS5.5.3軟件對(duì)單火源、兩火源及三火源通道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，以便更加深入研究此類火災(zāi)熱流場(chǎng)內(nèi)流體蔓延情況.

3.2 FDS有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證FDS軟件對(duì)于多火源火災(zāi)仿真的可靠性，現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果在實(shí)驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)上的溫度值進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖5.可以看出，F(xiàn)DS預(yù)測(cè)溫度值與實(shí)驗(yàn)測(cè)得溫度值相對(duì)緊密的分布于斜率為1的參考線兩側(cè)，說(shuō)明FDS對(duì)多火源火災(zāi)的模擬是可靠的.

圖5 實(shí)驗(yàn)與模擬溫度對(duì)比Fig.5 Comparison of temperatures

3.3 流場(chǎng)特性分析

單火源火災(zāi)TF1溫度場(chǎng)及速度場(chǎng)如圖6所示.熱驅(qū)動(dòng)流在浮力的作用下豎直上升，當(dāng)撞擊到頂棚后形成頂棚射流，沿通道頂棚向兩側(cè)均勻蔓延.

圖6 單火源火災(zāi)TF1Fig.6 Single fire in the tunnel

兩火源火災(zāi)TF2溫度場(chǎng)及速度場(chǎng)如圖7所示，兩火源通道火災(zāi)流場(chǎng)內(nèi)火焰區(qū)域相互靠攏，速度矢量也呈靠近交會(huì)趨勢(shì).三火源火災(zāi)TF3中的情形與兩火源火災(zāi)流場(chǎng)TF2類似，如圖8所示，兩側(cè)火源發(fā)生傾斜并均向中間火源聚攏，并且對(duì)應(yīng)的速度矢量也發(fā)生偏轉(zhuǎn)指向中間火源.這是由于火焰受到熱流場(chǎng)的影響形成空間壓力梯度，致使火焰拉伸傾斜，高溫區(qū)域相互傾斜靠攏，一定條件下將會(huì)發(fā)生火焰融合(fire merging)現(xiàn)象.此時(shí)，火焰傾斜后兩側(cè)的空氣卷吸壓力差與浮力達(dá)到平衡，非連續(xù)分布的火源將表現(xiàn)出大面積火災(zāi)的燃燒特征，使得破壞加劇.

圖7 兩火源火災(zāi)TF2Fig.7 Two fires in the tunnel

圖8 三火源火災(zāi)TF3Fig.8 Three fires in the tunnel

4 結(jié)束語(yǔ)

本文進(jìn)行了單火源、兩火源及三火源通道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了通道頂棚下5 cm處煙氣層溫度.對(duì)單火源及多火源條件下浮力差的研究發(fā)現(xiàn):多個(gè)油池火靠近時(shí)，單個(gè)油池內(nèi)液體不僅受到自身輻射的反饋，還受到周圍火源的影響，致使火源自身及相鄰火源燃燒加劇，相應(yīng)的浮力差也隨之增大.與單火源通道火災(zāi)相比，多火源通道火災(zāi)分散的火源表現(xiàn)出了大面積火災(zāi)燃燒特征.

采用計(jì)算流體力學(xué)軟件FDS對(duì)通道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，主要對(duì)溫度場(chǎng)及速度場(chǎng)進(jìn)行了研究.發(fā)現(xiàn)在空間壓力梯度的作用下，火焰會(huì)發(fā)生相互傾斜靠攏現(xiàn)象，致使火災(zāi)加劇.

[1]劉瓊.多火源燃燒動(dòng)力學(xué)機(jī)制與規(guī)律研究[D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010:1-82.LIU Qiong.Dynamical mechanism and behaviors of multiple fires burning[D].Hefei:University of Seienee and Technology of China，2010:1-82.

[2]LIU N A，LIU Q，DENG Z H，et al.Burn-out time data analysis on interaction effects among multiple fires in fire arrays[J].Proceedings of the Combustion Institute，2007，31(2):2589-2597.

[3]WU Y，BAKAR M Z A.Control of smoke flow in tunnel fires using longitudinal ventilation systems-a study of critical velocity[J].Fire Safety Journal，2000，35(4):363-390.

[4]PATHAK K.Numerical simulation of dynamics of a tunnel fire[D].[s.l.]:Engineering Science of Lamar University，2004:1-119.

[5]GAO P Z，LIU S L，CHOW W K.Large eddy simulations for studying tunnel smoke ventilation[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2004，19(6):577-586.

[6]HU L H，HUO R，LI Y Z，et al.Tracking a ceiling jet front for hot smoke tests in tunnels[J].Journal of Fire Sciences，2007，25(2):99-108.

[7]陽(yáng)東.狹長(zhǎng)受限空間火災(zāi)煙氣分層與卷吸特性研究[D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010:61-64.YANG Dong.Studies on characteristics of stratification and entrainment of smoke layers in channel fires[D].Hefei:University of Seienee and Technology of China，2010:61-64.

[8]McGRATTAN K B.Fire dynamics simulator(version 5)-user guide.NIST Special Publication 1019-5[R].Washington D C:National Institute of Standards and Technology，2010.

[9]McGRATTAN K B.Fire dynamics simulator(version 5)-technical reference guide.NIST Special Publication 1018-5[R].Washington D C:National Institute of Standards and Technology，2010.