張 城 王子云 陳星百 向 月

（1.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院 成都 610065；2.宜賓四川大學(xué)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院 宜賓 644002；3.重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院 重慶 401331）

0 引言

工業(yè)火災(zāi)事故的頻發(fā)造成了人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，給社會(huì)帶來(lái)不利影響。噴射火事故是工業(yè)建筑火災(zāi)的一種形式，由加壓的可燃物質(zhì)泄漏時(shí)形成射流，在泄漏口處點(diǎn)燃而形成。噴射火火焰及其熱輻射會(huì)對(duì)周?chē)藛T、建筑和設(shè)備造成傷害。并且噴射火具有較大的初速度，帶有很大的沖擊力，會(huì)給泄漏口附近的設(shè)施帶來(lái)巨大的破壞，甚至可能引發(fā)二次災(zāi)害，合適條件下火焰能迅速擴(kuò)展到幾十米以外，充分與周?chē)諝膺M(jìn)行混合，燃燒更為劇烈，熱輻射影響范圍大[1]。

各位學(xué)者針對(duì)噴射火展開(kāi)了許多研究，陳東生等[2]對(duì)室外高壓天然氣管道進(jìn)行噴射火燃燒特性實(shí)驗(yàn)。聶璇等[3]對(duì)氣固體混合物噴射火的火焰溫度、高度展開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究。Zhou 等[4]提出了高壓氫氣/天然氣泄漏引發(fā)的火災(zāi)理論框架。Tong 等[5]建立了射流火災(zāi)模型，并利用Matlab 軟件確定噴射火的影響區(qū)域；何杰等[6]提出了精度更高且更符合實(shí)際噴射火危害區(qū)域的線性積分模型。張媛媛等[7]利用FDS 軟件模擬矩形泄漏孔在不同泄漏速度下的噴射火熱輻射分布。王小完等[8]利用PHAST 平臺(tái)基于大孔模型對(duì)天然氣管道泄漏火災(zāi)進(jìn)行模擬分析。還有學(xué)者利用FLACS 軟件[9]、Fluent 軟件[10]對(duì)噴射火進(jìn)行數(shù)值模擬。

學(xué)者們?cè)趯?shí)驗(yàn)、理論研究、數(shù)值模擬方面對(duì)噴射火的燃燒特性以及危害進(jìn)行研究，在前人研究的基礎(chǔ)上，比較FDS 大渦模擬結(jié)果與噴射火經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算結(jié)果，探究?jī)烧唛g熱輻射強(qiáng)度和傷害半徑的差異，驗(yàn)證噴射火模型的有效性。再利用FDS 軟件在不同風(fēng)速條件下對(duì)某工業(yè)建筑罐區(qū)噴射火事故進(jìn)行數(shù)值模擬，探究噴射火的火焰發(fā)展、熱輻射強(qiáng)度和對(duì)相鄰建筑造成的影響。

1 FDS 大渦模擬

FDS 是由美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院NIST（National Institute of Standards and Technology）開(kāi)發(fā)，用于分析火災(zāi)的模擬軟件，通過(guò)求解Navier-Stokes 方程來(lái)模擬計(jì)算火災(zāi)的煙氣流動(dòng)以及熱傳遞的過(guò)程，還能夠模擬安裝噴淋設(shè)施以及其他的滅火設(shè)施時(shí)火災(zāi)的發(fā)展蔓延過(guò)程。FDS 常使用大渦模擬（Large Eddy Simulation，簡(jiǎn)稱LES）求解真實(shí)火災(zāi)場(chǎng)景下的湍流問(wèn)題，首先是需要通過(guò)濾波函數(shù)從瞬時(shí)N-S方程將尺度小于濾波函數(shù)尺度的渦過(guò)濾掉，從而得到可以直接模擬的大渦場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方程，而被濾掉的小尺度渦對(duì)大渦流動(dòng)的影響，則通過(guò)在大渦流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方程中引入附加應(yīng)力項(xiàng)來(lái)體現(xiàn)，被引入的應(yīng)力項(xiàng)稱為亞格子尺度應(yīng)力，而構(gòu)建亞格子尺度應(yīng)力的數(shù)學(xué)模型稱為亞格子尺度模型（SubGrid-Scale Model，簡(jiǎn)稱SGS）。

濾波后的Navier-Stokes 控制方程為[11]：

式中，τij為亞格子尺度應(yīng)力；為應(yīng)變率張量。亞格子尺度模型中的亞格子尺度應(yīng)力可表示為：

式中，μt為亞格子湍流粘性系數(shù),采用Smagorinsky-Lilly 模型計(jì)算：

式中，LS為亞格子尺度混合長(zhǎng)度；k為Karman常數(shù)；d是到最近壁面的距離；V為計(jì)算控制體的體積；CS為Smagorinsky 常數(shù)。

2 噴射火經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

噴射火理論模型主要分為單點(diǎn)源模型、多點(diǎn)源模型和圓錐體模型三種。單點(diǎn)源模型是把噴射火看成一個(gè)點(diǎn)源，噴射火能量由此點(diǎn)源向四周進(jìn)行傳遞；多點(diǎn)源模型將噴射火看成一條線段，噴射火能量由此線段逐漸向四周進(jìn)行傳遞；圓錐體模型則是把噴射火看成一個(gè)處于倒立狀態(tài)的圓錐體，與單點(diǎn)源模型和多點(diǎn)源模型相比，此種模型的能量傳遞方式與實(shí)際噴射火焰更為相像，在理論研究中，更多的科研工作者將噴射火看成圓錐體模型[7,12]。

以圓錐體模型為基礎(chǔ)的噴射火研究過(guò)程中，Thornton 模型是Chamberlain 在前人研究基礎(chǔ)上，基于（烴類）噴射火焰形狀研究得出的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停撃Ｐ徒邮芰孙L(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，包括陸地和水面上的大量實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用范圍較為廣泛[13]。根據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果，Chamberlain總結(jié)得出距泄露孔距離r處的熱輻射強(qiáng)度計(jì)算公式如下[14,15]：

式中：Ir為r處的熱輻射強(qiáng)度，kW/m2；η為效率因子，取0.35；M為物質(zhì)泄露量，kg/s；Hc為物質(zhì)燃燒熱，kJ/kg；Tjet為輻射率系數(shù)，噴射火取1；r為目標(biāo)到泄露口處的距離，m。

3 數(shù)值模擬模型驗(yàn)證

以甲烷為例通過(guò)FDS 大渦模擬結(jié)果驗(yàn)證噴射火經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜔彷椛鋸?qiáng)度和傷害半徑的準(zhǔn)確性。甲烷的理化性質(zhì)如表1 所示。

表1 甲烷的理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of methane

3.1 熱輻射強(qiáng)度驗(yàn)證

本次驗(yàn)證取0.4m 的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行模擬，模擬區(qū)域?yàn)?0m×50m×50m。噴射火通常發(fā)生在室外條件下，在FDS 軟件PyroSim 內(nèi)將除地面外的其他邊界設(shè)為開(kāi)放邊界，添加甲烷的燃燒反應(yīng)和粒子模型，設(shè)置點(diǎn)火源表面和泄露表面，添加點(diǎn)火口和泄露口，泄露口面積為0.36m2，位置為（10，5，0），泄露質(zhì)量速率為3.6kg/s。在X=10m 所在平面橫向和縱向間隔2m 分別設(shè)置熱輻射強(qiáng)度探測(cè)器（Radiative Heat Flux Gas），設(shè)置模擬時(shí)間為30s。

已知甲烷的泄露質(zhì)量速率為3.6kg/s，燃燒熱為55687.5kJ/kg，根據(jù)式（4）可得甲烷噴射火模型距離泄露孔r處的熱輻射強(qiáng)度可表示為式（5），函數(shù)圖像如圖1 所示。

圖1 甲烷T(mén)hornton 模型熱輻射強(qiáng)度和與泄露孔距離關(guān)系曲線Fig.1 The relationship curve of thermal radiation intensity and distance from leakage hole in Thornton model of methane

經(jīng)過(guò)FDS 模擬，甲烷噴射火在5s 左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在30s 的模擬時(shí)間內(nèi)，得到各測(cè)點(diǎn)熱輻射數(shù)據(jù)1000 組，在泄露孔附近的幾個(gè)測(cè)點(diǎn)所得輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)較大，主要受到黑體輻射和火焰影響；在噴射火焰最高處附近的輻射強(qiáng)度波動(dòng)較大，受到火焰脈動(dòng)的影響。噴射火焰可以分為兩部分，火焰內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)火焰和火焰外部的間歇性火焰。穩(wěn)態(tài)火焰燃燒比較穩(wěn)定，傳熱比較穩(wěn)定，因此所形成的熱輻射強(qiáng)度也比較穩(wěn)定。間歇性火焰是由于隨著火災(zāi)的持續(xù)發(fā)展，熱驅(qū)動(dòng)火焰周?chē)諝饬鲃?dòng)，冷空氣下沉，熱空氣上升，促使火焰附近周?chē)諝庑纬删砦F(xiàn)象，進(jìn)而可能會(huì)干擾穩(wěn)態(tài)火焰的穩(wěn)定性，使得穩(wěn)態(tài)火災(zāi)周?chē)霈F(xiàn)湍流現(xiàn)象，間歇性火焰由此產(chǎn)生，引起火焰的不穩(wěn)定和傳熱的不穩(wěn)定。

為了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，只統(tǒng)計(jì)火焰影響范圍外20-30s 內(nèi)處于較穩(wěn)定狀態(tài)的測(cè)點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度，以同一高度最大的平均值作為此距離的熱輻射強(qiáng)度，所得結(jié)果與Thornton 噴射火模型進(jìn)行比較，比較結(jié)果如圖2 所示。Thornton 噴射火模型計(jì)算結(jié)果與FDS 模擬結(jié)果所得的熱輻射強(qiáng)度變化趨勢(shì)是一致的，與泄露孔距離越遠(yuǎn)，熱輻射強(qiáng)度越小，其變化率也越小。FDS 模擬結(jié)果與Thornton 噴射火模型經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果最大誤差為20%，隨著距離的增大，誤差逐漸減小，Thornton 噴射火模型是在理想化的輻射環(huán)境下進(jìn)行計(jì)算，而實(shí)際的噴射火輻射強(qiáng)度受到火焰黑體輻射的影響，距離泄露孔越近，黑體輻射越強(qiáng)，對(duì)熱輻射強(qiáng)度的影響越大，距離越遠(yuǎn)，其影響越小，所以Thornton 噴射火模型與FDS 大渦模擬的熱輻射強(qiáng)度結(jié)果的差值會(huì)隨著距離的增大而減小。

圖2 Thornton 噴射火模型與FDS 大渦模擬結(jié)果比較Fig.2 The result compared between Thornton Jet fire model and FDS Large Eddy Simulation

3.2 傷害半徑驗(yàn)證

根據(jù)式（5）計(jì)算各熱輻射強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的理論傷害半徑，與FDS 大渦模擬及擬合結(jié)果比較如表2所示。由于黑體輻射的影響，導(dǎo)致同一距離內(nèi)FDS大渦模擬熱輻射強(qiáng)度大于Thornton 噴射火模型，等熱輻射強(qiáng)度條件下，F(xiàn)DS 大渦模擬結(jié)果與泄露孔距離更近，所以Thornton 噴射火模型的理論傷害半徑比FDS 模擬傷害半徑更大，并且隨著距離的增大，誤差逐漸減小。

表2 Thornton 噴射火模型與FDS 大渦模擬傷害半徑比較Table 2 Damage radius compared between Thornton Jet fire model and FDS Large Eddy Simulation

4 噴射火場(chǎng)景模擬

4.1 模型建立與參數(shù)設(shè)置

以某化工企業(yè)罐區(qū)為例，依照建筑圖紙和現(xiàn)場(chǎng)圖片信息，通過(guò)SketchUp 軟件處理生成該企業(yè)罐區(qū)幾何模型，完成建模后，將在SketchUp 建立的工廠三維立體模型以DXF 格式導(dǎo)出并保存，然后通過(guò)Pyrosim 導(dǎo)入上述DXF 格式文件并加以修改，最后轉(zhuǎn)換為FDS 輸入文件格式。構(gòu)建如圖3 所示的幾何模型。

圖3 幾何模型Fig.3 Geometric model

設(shè)置0.25m2方形泄露口、泄露速率為9.625kg/s的噴射火場(chǎng)景。環(huán)境壓力為常壓101325Pa，環(huán)境溫度為20℃，模擬時(shí)間為30s，網(wǎng)格大小為0.5m。在FDS 軟件PyroSim 內(nèi)將除地面外的其他邊界設(shè)為開(kāi)放邊界，模擬自然環(huán)境下網(wǎng)格邊界動(dòng)力和熱量的傳遞。探究?jī)?chǔ)罐高壓儲(chǔ)存甲烷時(shí)沿-Y 方向發(fā)生噴射火事故，不同風(fēng)速條件下對(duì)噴射火熱輻射強(qiáng)度和對(duì)相鄰建筑的影響。

4.2 模擬結(jié)果與分析

對(duì)于火焰發(fā)展過(guò)程，圖4 表示無(wú)風(fēng)環(huán)境下噴射火災(zāi)火焰發(fā)展過(guò)程，燃燒初期，泄露的甲烷具有很高的初速度，火焰處空氣壓力降低，并且空氣受熱上升，受氣壓影響，甲烷與空氣充分混合，噴射火在0.5s 時(shí)形成蘑菇云形狀，在1.5s 時(shí)持續(xù)沿泄露方向噴射，2.5s 時(shí)，火焰到達(dá)沿泄露方向最遠(yuǎn)距離，并迅速向左右和上方膨脹，蘑菇云形狀的噴射火焰逐漸變大，在3.5s 時(shí)，泄露的甲烷經(jīng)過(guò)充分燃燒，蘑菇云火焰膨脹至最大范圍后消失。5.5s 后，噴射火焰形態(tài)與噴射距離不再有大的變化。圖5 至圖7分別表示沿X 方向風(fēng)速為2m/s、5m/s、8m/s 時(shí)的噴射火火焰發(fā)展過(guò)程，與無(wú)風(fēng)環(huán)境下的噴射火焰發(fā)展過(guò)程類似，風(fēng)速條件下增加了噴射火焰的擾動(dòng)，火焰沿X 方向傾斜，噴射距離有所減少，并且隨著沿X 方向風(fēng)速的增大，噴射火焰沿X 方向更加傾斜且傾斜得越來(lái)越快，火焰穩(wěn)定前的噴射距離越來(lái)越短，噴射火焰沒(méi)有直接接觸到噴射方向的相鄰建筑。相比于無(wú)風(fēng)環(huán)境下，隨著風(fēng)速的增大，蘑菇云狀的噴射火焰越不明顯，并且消散更快，風(fēng)速為8m/s 時(shí)，蘑菇云狀火焰迅速向X 方向膨脹，充分燃燒消散后火焰傾角逐漸變緩，最后穩(wěn)定沿傾斜方向形成噴射火。

圖4 無(wú)風(fēng)環(huán)境下噴射火火焰發(fā)展過(guò)程Fig.4 The flame development of jet fire in a windless environment

圖5 沿X 方向2m/s 風(fēng)速下噴射火火焰發(fā)展過(guò)程Fig.5 The flame development of jet fire at a wind speed of 2m/s along the X direction

圖6 沿X 方向5m/s 風(fēng)速下噴射火火焰發(fā)展過(guò)程Fig.6 The flame development of jet fire at a wind speed of 5m/s along the X direction

圖7 沿X 方向8m/s 風(fēng)速下噴射火火焰發(fā)展過(guò)程Fig.7 The flame development of jet fire at a wind speed of 8m/s along the X direction

圖8 表示各風(fēng)速條件下30s 時(shí)沿噴射方向的溫度場(chǎng)分布狀況。火焰的最高溫度均達(dá)到970℃，由于風(fēng)速的影響，隨著風(fēng)速的增大，火焰逐漸傾斜，沿噴射方向的溫度分布范圍逐漸減小，火焰沿平面的覆蓋面積增大。

圖8 各風(fēng)速條件下30s 時(shí)噴射火溫度場(chǎng)分布Fig.8 Temperature distribution of jet fire at 30s under different wind speed conditions

各風(fēng)速條件下與事故儲(chǔ)罐相鄰的儲(chǔ)罐溫度監(jiān)測(cè)均為環(huán)境溫度，事故未對(duì)相鄰儲(chǔ)罐造成影響。對(duì)于噴射方向上的相鄰建筑，無(wú)風(fēng)環(huán)境下噴射方向相鄰建筑30s 內(nèi)最大熱輻射強(qiáng)度在2.64s 時(shí)達(dá)到最大值，為84.37kW/m2；2m/s 時(shí)在2.22s 達(dá)到最大值，為17.57kW/m2；8m/s 時(shí)在6.6s 達(dá)到最大值，為7.7kW/m2。隨著風(fēng)速的增大，噴射方向相鄰建筑受到的最大熱輻射減小，并且達(dá)到最大值的時(shí)間延長(zhǎng)。圖9 表示了各風(fēng)速條件下噴射方向上相鄰建筑的溫度變化。隨著時(shí)間的增加，相鄰建筑的表面溫度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，無(wú)風(fēng)時(shí)的溫度最高為35℃，隨著風(fēng)速的增大，溫度的波動(dòng)增強(qiáng)，20s 后噴射火焰較為穩(wěn)定時(shí)的建筑表面溫度隨著風(fēng)速的增大而減小，噴射火事故對(duì)相鄰建筑的影響減小。

圖9 各風(fēng)速條件下噴射方向上相鄰建筑的溫度變化Fig.9 Temperature changes of adjacent buildings in the direction of injection under different wind speed conditions

5 結(jié)論

通過(guò)比較噴射火經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃虵DS 大渦模擬的熱輻射強(qiáng)度和傷害半徑，驗(yàn)證模型的有效性，并用FDS 大渦模擬軟件對(duì)某企業(yè)罐區(qū)建筑進(jìn)行噴射火場(chǎng)景模擬，模擬不同風(fēng)速條件下噴射火焰的發(fā)展過(guò)程和熱輻射強(qiáng)度變化，通過(guò)對(duì)結(jié)果的比較分析，得出了以下結(jié)論：

（1）噴射火經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团cFDS 大渦模擬結(jié)果基本吻合，由于火焰黑體輻射的影響，F(xiàn)DS 大渦模擬的熱輻射強(qiáng)度結(jié)果高于噴射火經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并且熱輻射?qiáng)度和傷害半徑的誤差均隨著離泄露孔距離的增大而減小。

（2）隨著風(fēng)速的增大，噴射火焰受到擾動(dòng)增強(qiáng)，更加沿來(lái)風(fēng)的方向傾斜，火焰覆蓋的面積增大。

（3）相鄰罐區(qū)未受到噴射火的影響，噴射方向上的相鄰建筑受到的最大熱輻射強(qiáng)度為84.37kW/m2，并且建筑表面的熱輻射強(qiáng)度和溫度隨著風(fēng)速的增大而減小，企業(yè)要加強(qiáng)對(duì)極端天氣的防范和對(duì)建筑間的合理布局。

（4）不足與展望：未在變風(fēng)速條件下和不同噴射位置對(duì)工業(yè)建筑噴射火進(jìn)行模擬分析，未來(lái)可以繼續(xù)模擬更多的工業(yè)建筑噴射火場(chǎng)景，深入探究各類參數(shù)對(duì)噴射火的影響。