霍巖，黃德香，鄒高萬，李樹聲

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通道高度對(duì)豎通道內(nèi)旋轉(zhuǎn)火焰熱流場(chǎng)的影響

霍巖，黃德香，鄒高萬，李樹聲

(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)

以一底面邊長(zhǎng)0.32 m的方形豎通道為研究對(duì)象，利用數(shù)值方法對(duì)通道高度為0.8~2.0 m的旋轉(zhuǎn)火焰熱流場(chǎng)進(jìn)行模擬。研究通道高度對(duì)溫度、切向旋轉(zhuǎn)速度、豎直向上運(yùn)動(dòng)速度的影響。研究結(jié)果表明：通道高度增加會(huì)加強(qiáng)通道內(nèi)火焰的旋轉(zhuǎn)，增加由通道側(cè)開縫引射空氣進(jìn)入通道的能力。然而，通道高度對(duì)旋轉(zhuǎn)較為劇烈區(qū)域頂端和可見火焰頂端的螺旋線角度影響較小，兩者角度平均值分別為44.7°和60.9°。

旋轉(zhuǎn)火焰；通道高度；熱流場(chǎng)

城市建筑火災(zāi)中，火焰在有側(cè)開縫的豎通道型結(jié)構(gòu)空間內(nèi)容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而表現(xiàn)出更快的燃燒速度和更高的火焰高度，會(huì)加劇火災(zāi)的破壞力，并加大火災(zāi)的撲救難度[1]。此類受限空間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)火焰(internal fire whirls)特性受通道結(jié)構(gòu)邊界等條件的影響較大。以往人們對(duì)旋轉(zhuǎn)火焰的研究多是在固定高度通道內(nèi)進(jìn)行，豎通道與邊界開口等僅作為形成切向流速從而引發(fā)火焰旋轉(zhuǎn)的必要條件。例如CHOW等[1?2]在底面邊長(zhǎng)0.35 m，高度1.45 m(通道高度與底面邊長(zhǎng)之比約為4.2)的豎通道內(nèi)進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)火焰實(shí)驗(yàn)研究；LEI等[3?4]均在底面邊長(zhǎng)2 m，高度15 m(通道高度與底面邊長(zhǎng)之比為7.5)的豎通道內(nèi)進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)火焰實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究；HUO等[5?7]在底面邊長(zhǎng)2.1 m，高度9 m(通道高度與底面邊長(zhǎng)之比約為4.3)的豎通道內(nèi)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究；霍巖等[8?9]在底面邊長(zhǎng)0.32 m，高度2 m(通道高度與底面邊長(zhǎng)之比約為6.25)的豎通道內(nèi)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究；CHUAH等[10]在1.2 m高的豎通道內(nèi)進(jìn)行了傾斜狀態(tài)下的旋轉(zhuǎn)火焰實(shí)驗(yàn)研究。然而在可形成旋轉(zhuǎn)火焰的豎通道內(nèi)，由于通道高度的不同而對(duì)其內(nèi)部旋轉(zhuǎn)火焰熱流場(chǎng)所帶來的影響卻鮮有研究。鑒于通道高度也可能是影響其內(nèi)旋轉(zhuǎn)熱流場(chǎng)的重要因素之一，本文作者以一豎通道內(nèi)旋轉(zhuǎn)火焰實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用數(shù)值模擬方法對(duì)改變豎通道高度后的流場(chǎng)變化進(jìn)行了比較分析。

1 模擬條件與數(shù)學(xué)物理模型

文獻(xiàn)[8]中曾在兩側(cè)壁面斜對(duì)側(cè)開縫的豎通道內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)火焰實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，結(jié)果表明可形成較強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)火焰。參考其實(shí)驗(yàn)通道尺寸和結(jié)構(gòu)以及可形成較強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)火焰時(shí)的開口條件，以底面邊長(zhǎng)×邊長(zhǎng)為0.32 m×0.32 m的豎通道為研究對(duì)象，通道頂部開口開放，通道兩側(cè)壁面各有寬度為0.035 m的斜對(duì)開縫。豎通道底面中心放置直徑為0.1 m的圓形液體正庚烷燃料池。有側(cè)開縫的豎通道模型示意圖如圖1所示。

豎通道四周側(cè)壁面沿高度方向的最大值，即通道的整體高度分別為0.8，1.0，1.2，1.4，1.6，1.8和2.0 m，通道高度與底面邊長(zhǎng)之比*分別為2.500，3.125，3.750，4.375，5.000，5.625，6.250。由于側(cè)開縫是由通道最底端延伸至最頂端，所以在通道高度改變的同時(shí)，通道兩側(cè)壁面上的側(cè)開縫長(zhǎng)度也隨之改變。

(a) 側(cè)視圖；(b) 俯視圖

圖1 豎通道模型示意圖

Fig. 1 Schematic diagram of vertical shaft model

由通道側(cè)開縫引射空氣所形成的非受迫旋轉(zhuǎn)火焰流場(chǎng)基本動(dòng)力學(xué)方程組、為加快計(jì)算速度和結(jié)果收斂所進(jìn)行的公式簡(jiǎn)化等見文獻(xiàn)[8]。

數(shù)值計(jì)算時(shí)將液體燃料的燃燒簡(jiǎn)化為單步不可逆反應(yīng)，采用混合分?jǐn)?shù)燃燒模型，可燃物燃燒消耗單位質(zhì)量氧氣所釋放的能量取1.31 kJ/g[11]。決定液體燃料燃燒速度的燃料池表面蒸汽壓力cc由Clausius? Clapeyron公式[12]來限制：

式中：為氣體常數(shù)；cc為液體燃料表面溫度；為液體燃料的汽化熱，對(duì)于實(shí)驗(yàn)所使用的正庚烷燃料，取值為480 J/g；boil為燃料沸點(diǎn)溫度，取值為98.4 ℃；0為大氣壓力，取值為101.325kPa。燃料屬性參照實(shí)驗(yàn)用正庚烷燃料屬性[13]，流場(chǎng)中的輻射熱傳遞采用有限體積法來求解。邊界層速度與黏性應(yīng)力基于Werne與Wengle邊界層模型[14]來計(jì)算。具體設(shè)置見文獻(xiàn)[8]。

在采用大渦模擬對(duì)通道內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，為了精確地捕捉到細(xì)節(jié)特征，要求特征直徑*至少能覆蓋10個(gè)網(wǎng)格[15]。特征直徑*的表達(dá)式為

數(shù)值計(jì)算過程使用美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)開發(fā)的數(shù)值模擬軟件FDS(fire dynamics simulator)來實(shí)現(xiàn)，該軟件對(duì)于豎通道內(nèi)旋轉(zhuǎn)火焰熱流場(chǎng)模擬的有效性已在文獻(xiàn)[8]中利用Euclidean函數(shù)分析法[16]得到了驗(yàn)證。

2 結(jié)果與分析

不同高度通道內(nèi)，液體燃料燃燒穩(wěn)定時(shí)所形成的熱釋放速率如圖2所示。隨著通道高度增加，火源熱釋放率略有上升，變化斜率為0.293，說明通道高度增加后會(huì)對(duì)火源燃燒起到一定程度的增強(qiáng)作用。

圖2 不同高度通道內(nèi)的熱釋放率

不同高度通道內(nèi)，穩(wěn)定時(shí)中軸線上最高溫度所在高度和通道整體高度之比H*、豎直向上運(yùn)動(dòng)的最大軸向速度所在高度與通道整體高度之比H*如圖3所示。由圖3可以看出：隨著通道高度增加，H*近似線性下降，下降曲線斜率接近通道高度增加的變化率，這說明通道高度增加后，溫度最高值所在的高度近似保持不變。同時(shí)，隨著通道高度增加，H*整體趨勢(shì)雖略有小幅度下降，但基本維持在0.5附近，說明盡管通道高度不同，但豎直方向向上運(yùn)動(dòng)的流速最大值所在高度基本都保持在通道中部附近區(qū)域。

圖4所示為隨著*的變化，通道內(nèi)熱流場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)中軸線氣流上升速度最大值c-max分布。由圖4可知：隨著*的增大，c-max近似線性增大，斜率為0.63，說明豎通道內(nèi)向上的抽拉作用隨著通道高度增加而增強(qiáng)，并且促進(jìn)通道內(nèi)熱氣流豎直向上運(yùn)動(dòng)的速度加快的作用也更明顯。

圖3 通道內(nèi)最高溫度位置與通道高度之比

圖4 不同高度的通道內(nèi)中軸線氣流上升速度最大值

圖5所示為通道內(nèi)流場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)，距燃料池圓心0.05 m旋轉(zhuǎn)氣流的切向速度沿高度的變化曲線。由圖5可以看出：在豎通道下部空間較大而在上部空間較小，而且隨著高度增大，先以很小幅度的增高，之后達(dá)到最大值附近比較平緩的階段，最后逐漸減小即旋轉(zhuǎn)程度逐漸減弱。不同豎通道高度最頂端區(qū)域的氣流切向速度均降至0.2~0.3 m/s。

圖6所示為不同高度通道內(nèi)距燃料池圓心0.05 m處氣流上升速度最大值up,max和切向速度最大值max的分布。由圖6可知：隨著*增大，up,max和max均近似線性增大，說明通道高度增加也使通道內(nèi)流場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)加劇。up,max的上升斜率明顯大于max的上升斜率，說明豎通道高度增加后，使通道內(nèi)空氣所受浮升力與剪切力均有所增大，浮升力增大的幅度約為橫向剪切力增大幅度的1.5倍。

/m：1—0.8；2—1.0；3—1.2；4—1.4；5—1.6；6—1.8；7—2.0。

圖5 切向速度沿高度變化

Fig. 5 Tangential velocity variation along height

圖6 不同高度通道內(nèi)切向速度和氣流上升速度最大值

不同通道高度時(shí)，距燃料池圓心0.05 m處最大切向速度所在高度和通道整體高度的比值H*如圖7所示。由圖7可以看出：隨著通道高度增加，比值H*呈緩慢下降趨勢(shì)，在研究的通道高度范圍內(nèi)，比值H*由0.38降至0.25，最大切向速度所在位置由通道的下部1/3高度附近區(qū)域降至通道1/4高度附近。說明通道高度增加后，最大切向速度的所在高度雖有所升高，但其升高的幅度相對(duì)于通道高度增加的幅度小。

圖8所示為通道側(cè)開縫不同高度處引射進(jìn)通道內(nèi)的氣體流速的變化曲線。由圖8可以看出：流速的變化曲線與圖5作用于火焰邊沿附近的切向速度變化曲線規(guī)律相似，均為在豎通道下部較大而在上部附近迅速降低，這說明在豎通道外部流入的空氣主要由側(cè)開縫下部進(jìn)入，在接近通道頂部附近區(qū)域流速可為負(fù)值，表明在此處有氣流由通道內(nèi)經(jīng)側(cè)開縫流出通道。對(duì)于不同的通道高度，由側(cè)開縫流入通道的流速隨著通道高度的增大而逐漸增加，說明通道高度越高由側(cè)開縫向通道內(nèi)引射空氣的能力越強(qiáng)。

圖7 最大切向速度所在高度和通道高度之比

圖9所示為由豎通道側(cè)開縫引射進(jìn)入通道內(nèi)部的流速最大值max隨著豎通道高度的變化。從圖9可以看出：隨著通道高度的增大，max以斜率為0.06近似線性增大。說明通道高度增加會(huì)加強(qiáng)對(duì)通道外部空氣的引射能力，使流經(jīng)側(cè)開縫的引射流速度增大，但其增大的幅度要小于通道高度增加的幅度。

/m：1—0.8；2—1.0；3—1.2；4—1.4；5—1.6；6—1.8；7—2.0。

圖8 通道側(cè)開縫處氣體流速沿高度變化

Fig. 8 Velocity of gas at shaft gap along height

圖9 不同高度豎通道側(cè)開縫處最大引射速度

對(duì)于氣流切向速度和上升速度up，若令，則通道高度為1.0~2.0 m時(shí)，和沿高度的變化曲線如圖10所示。由圖10可以看出：各通道高度時(shí)的和變化曲線都是先上升，經(jīng)歷一個(gè)波峰后下降；曲線的波峰所在高度位置較曲線的低，說明通道由下至上切向速度先達(dá)到最大值隨后達(dá)到豎直運(yùn)動(dòng)的速度最大值。和相比，的波峰比較陡峭，而的波峰更平緩，說明切向速度在較大值附近持續(xù)的高度范圍較大。由圖10還可以看出：盡管通道高度不同，但均滿足曲線波峰結(jié)束的位置與變化曲線波峰開始的位置大致相同，即通道內(nèi)高度升高到旋轉(zhuǎn)速度開始降低后隨即火焰浮升速度增大到最大值穩(wěn)定段，這間接反映出流場(chǎng)在豎向高度上旋轉(zhuǎn)切向力為主導(dǎo)運(yùn)動(dòng)的區(qū)域和浮力為主導(dǎo)的豎直向上運(yùn)動(dòng)區(qū)域的分區(qū)特性。

豎通道內(nèi)旋轉(zhuǎn)熱流場(chǎng)中，火焰高溫產(chǎn)生的浮力和旋轉(zhuǎn)切向力是流場(chǎng)的主要受力，若將火焰外邊沿區(qū)域的氣流速度簡(jiǎn)化為浮力導(dǎo)致的豎向速度up和旋轉(zhuǎn)切向力導(dǎo)致的切向速度的兩者合成，則流場(chǎng)螺旋線角度即可簡(jiǎn)化為氣流速度方向與水平面之間的夾角。根據(jù)反正切公式可求得螺旋線角度：

圖12所示為不同高度豎通道中的螺旋線角度隨著高度的變化曲線。由圖12可知：在豎通道底部附近，旋轉(zhuǎn)較劇烈，螺旋線角度比較小，均約為20°；隨著的增大快速增大，在通道上半部分可達(dá)60°以上。流場(chǎng)的螺旋線角度越小，說明流場(chǎng)中浮升力相對(duì)于橫向剪切力越小，反之，則說明流場(chǎng)中浮力的作用強(qiáng)于剪切力。同時(shí)，在相同高度上，通道整體高度越高則螺旋線夾角越小，尤其是高度大于0.4 m時(shí)更為明顯，這說明通道高度增加后，使相同位置處流場(chǎng)的螺旋程度加強(qiáng)。

/m：(a) 1.0；(b) 1.2；(c) 1.4；(d) 1.6；(e) 1.8；(f) 2.0 1—1；2—2。

圖10 速度比1和2隨著高度的變化

Fig. 10 Change of1and2along with height

圖11 不同高度通道中的Lfw和Lfk變化

/m：1—0.8；2—1.0；3—1.2；4—1.4；5—1.6；6—1.8；7—2.0。

圖12 螺旋線角度沿高度的變化

Fig. 12 Angle of spiral line variation with heights

不同高度通道內(nèi)，火焰旋轉(zhuǎn)較劇烈的區(qū)域高度fw和可見火焰高度fk分別對(duì)應(yīng)的螺旋線角度w和k如圖13所示。由圖13可知：w的變化范圍為41.4°~47.1°，平均值為44.7°。k的變化范圍為57.5°~65.8°，平均值為60.9°。盡管通道高度不同，但w和k的變化不明顯，尤其是當(dāng)*大于3后。由此可以推測(cè)，在一定條件下能夠利用螺旋線角度來確定旋轉(zhuǎn)火焰的火焰旋轉(zhuǎn)較為劇烈的區(qū)域高度及可見火焰高度。

圖13 不同高度通道中θw和θk的分布

3 結(jié)論

1) 豎通道高度對(duì)旋轉(zhuǎn)火焰中軸線上最高溫度的高度影響不大。

2) 豎通道高度增加后，中軸線上豎直向上運(yùn)動(dòng)的最大軸向速度和流場(chǎng)最大切向速度所在高度也相應(yīng)升高，最大軸向速度所在高度基本都保持在通道中部附近區(qū)域，最大切向速度所在高度由通道的下部1/3高度附近區(qū)域變化至1/4高度附近區(qū)域。

3) 通道高度增加后，對(duì)流場(chǎng)豎直向上的軸向運(yùn)動(dòng)速度和流場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的切向速度均起到增大的作用，豎直向上運(yùn)動(dòng)速度增加相對(duì)更明顯，豎直向上運(yùn)動(dòng)速度的最大值隨通道高度上升的增加幅度約為最大切向速度增加幅度的1.5倍。

4) 通道高度增加后會(huì)加強(qiáng)通道內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，提高由側(cè)開縫向通道內(nèi)引射空氣的能力，但其增大的幅度要小于通道高度增加的幅度。

5) 通道高度增加后，旋轉(zhuǎn)較劇烈區(qū)域高度和可見火焰高度值均有所增大，但是對(duì)可見火焰平均高度增大的作用較旋轉(zhuǎn)較強(qiáng)烈區(qū)域更明顯。

6) 不同通道高度時(shí)，旋轉(zhuǎn)較為劇烈區(qū)域頂端和可見火焰頂端區(qū)域的螺旋線角度變化幅度都較小，旋轉(zhuǎn)較為劇烈的區(qū)域頂端螺旋線角度平均值為44.7°，可見火焰頂端螺旋線角度平均值為60.9°。

[1] CHOW W K, HAN S S. Experimental investigation on onsetting internal fire whirls in a vertical shaft[J]. Journal of Fire Sciences, 2009, 27(6): 529?543.

[2] CHOW W K, HAN S S. Experimental data on scale modeling studies on internal fire whirls[J]. International Journal on Engineering Performance-Based Fire Codes, 2011, 10(3): 6374.

[3] LEI Jiao, LIU Naian, ZHANG Linhe, et al. Experimental research on combustion dynamics of medium-scale fire whirl[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2011, 33(2): 24072415.

[4] CHOW W K, HE Z, GAO Y. Internal fire whirls in a vertical shaft[J]. Journal of Fire Science, 2011, 29: 7192.

[5] HUO Y, CHOW W K, GAO Y. Internal fire whirls induced by pool fire in a vertical shaft[C]//ASME/JSME 2011 8th Thermal Engineering Joint Conference (AJTEC2011). Honolulu, Hawaii, USA, 2011: T20034-1-T20034-6.

[6] HUO Y, GAO Y, HUANG D X. Numerical simulation of internal fire whirls in an inclined shaft[J]. Advanced Materials Research, 2013, 732/733: 254257.

[7] 霍巖, 鄒高萬, 李樹聲, 等. 單側(cè)有限寬度開縫豎通道內(nèi)的旋轉(zhuǎn)熱流體特性[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 35(3): 320324. HUO Yan, ZOU Gaowan, LI Shusheng, et al. Characteristics of rotating thermal fluid in a vertical shaft with a confined single coner gap[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2014, 35(3): 320324.

[8] 霍巖, 鄒高萬, 李樹聲, 等. 豎通道內(nèi)液體燃料燃燒形成的旋轉(zhuǎn)火焰特性[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 46(1): 7782. HUO Yan, ZOU Gaowan, LI Shusheng, et al. Characteristics of fire whirls induced by liquid fuel in a vertical shaft[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2014, 46(1): 7782.

[9] 霍巖. 有限開口空間熱驅(qū)動(dòng)流大渦模擬和實(shí)驗(yàn)研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院, 2010: 815.HUO Yan. Research on thermal fluid in partially open enclosure by large eddy simulation and experiments[D]. Harbin: Harbin Engineering University. College of Aerospace and Civil Engineering, 2010: 815.

[10] CHUAH K H, KUWANA K, SAITO K, et al. Inclined fire whirls[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2011, 33: 24172424.

[11] HUGGETT C. Estimation of rate of heat release by means of oxygen consumption measurements[J]. Fire and Materials, 1980, 4(2): 6165.

[12] PRASAD K, LI C, KAILASANATH K, et al. Numerical modelling of methanol liquid pool ?res[J]. Combustion Theory and Modelling, 1999, 3(4): 743768.

[13] MILAN Z, VLASTIMILR R. Heat capacity of liquid-heptane converted to the international temperature scale of 1990[J]. Journal of Physical and Chemical Reference Data, 1994, 23(1): 5561.

[14] WERNER H, WENGLE H. Large-eddy simulation of turbulent flow over and around a cube in a plate channel[C]//8th Symposium on Turbulent Shear Flows. Munich, Germany, 1993: 155168.

[15] WANG Huiying. Numerical study of under-ventilated fire in medium-scale enclosure[J]. Building and Environment, 2009, 44(6): 12151227.

[16] PEACOCK R D, RENEKE P A, DAVIS W D, et al. Quantifying fire model evaluation using functional analysis[J]. Fire Safety Journal, 1999, 33: 167184.

(編輯 趙俊)

Effects of shaft height on heat flow field of fire whirls in vertical shaft

HUO Yan, HUANG Dexiang, ZOU Gaowan, LI Shusheng

(College of Aerospace and Civil Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Taking a square vertical shaft with bottom side length of 0.32 m as research object, the swirling flames heat field of a shaft with height of 0.8?2.0 m was simulated. The effects of shaft height on the temperature, the tangential rotational velocity and the vertical velocity of the upward movement were studied. The results show that increasing the height of the shaft is to strengthen the rotation of the inner passage of the flame and increase the capacity of the injection of air to the shaft through the corner gaps. However, the angle of spiral line at the top of intense rotational zone and the tip of visible flame are less affected by the height of shaft, and the mean angles are 44.7° and 60.9°, respectively.

fire whirls; vertical shaft height; heat flow field

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.12.034

TU998.1；X932

A

1672?7207(2016)12?4224?07

2015?12?24；

2016?04?07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51676051，11402061)；黑龍江省博士后科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(LBH-Q13043)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(HEUCF160201)(Projects(51676051, 11402061) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(LBH-Q13043) supported by Heilongjiang Postdoctoral Funds for Scientific Research Initiation; Project(HEUCF160201) supported by Fundamental Research Funds for the Central Universities)

霍巖，副教授，從事火災(zāi)動(dòng)力學(xué)研究；E-mail：huoyan205@126.com