李樹聲，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.順陽汽車檢測維修服務(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)行過一些研究.

前人對通道內(nèi)單火源火災(zāi)關(guān)注較多[3-6]，而對通道內(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，所以有必要對通道內(nèi)多火源熱流場進(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，對多火源通道火災(zāi)流場特性進(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)均有開口，通道尺寸為8.0 m(長)× 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)，對于TF1單火源火災(zāi)，油池置于溫度測點(diǎn)T6正下方;對于TF2兩火源火災(zāi)，兩油池火分別置于溫度測點(diǎn)T6及T8正下方;對于TF3三火源火災(zāi)，三油池火分別置于溫度測點(diǎn)T4、T6及T8的正下方.通道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)見圖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 浮力差對比Fig.4 Comparison of buoyancy force differences

3 多火源通道火災(zāi)流場研究

3.1 FDS數(shù)值模擬設(shè)定

FDS(fire dynamics simulator)[8-9]是美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院NIST研制開發(fā)的一款計(jì)算流體力學(xué)火災(zāi)場模擬軟件，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)來求解火災(zāi)熱驅(qū)動(dòng)流的紊態(tài)流動(dòng)問題.FDS簡單易用，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)測量點(diǎn)上的溫度值進(jìn)行對比，見圖5.可以看出，F(xiàn)DS預(yù)測溫度值與實(shí)驗(yàn)測得溫度值相對緊密的分布于斜率為1的參考線兩側(cè)，說明FDS對多火源火災(zāi)的模擬是可靠的.

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

3.3 流場特性分析

單火源火災(zāi)TF1溫度場及速度場如圖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溫度場及速度場如圖7所示，兩火源通道火災(zāi)流場內(nèi)火焰區(qū)域相互靠攏，速度矢量也呈靠近交會(huì)趨勢.三火源火災(zāi)TF3中的情形與兩火源火災(zāi)流場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

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)，測量了通道頂棚下5 cm處煙氣層溫度.對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對通道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，主要對溫度場及速度場進(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]陽東.狹長受限空間火災(zāi)煙氣分層與卷吸特性研究[D].合肥:中國科學(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.