橫流作用下天然氣火焰結構分區及熱參數研究

徐琳，常健

（1.山東建筑大學熱能工程學院，山東濟南250101；2.山東建筑大學可再生能源建筑利用技術省部共建教育部重點實驗室，山東濟南250101；3.山東建筑大學山東省可再生能源建筑應用技術重點實驗室，山東濟南250101）

橫流作用下天然氣火焰結構分區及熱參數研究

徐琳1，2，3，常健1

（1.山東建筑大學熱能工程學院，山東濟南250101；2.山東建筑大學可再生能源建筑利用技術省部共建教育部重點實驗室，山東濟南250101；3.山東建筑大學山東省可再生能源建筑應用技術重點實驗室，山東濟南250101）

集中排煙隧道具有縱向通風和集中排煙等優點。隨著交通運輸業的不斷發展，集中排煙隧道已廣泛應用于長大隧道設計中，隧道內火源局部熱參數的變化規律研究一直是人們關注的焦點。文章基于集中排煙隧道系統設計，圍繞火源局部熱參數，針對天然氣火災，通過數值模擬研究，探索15種工況橫流作用下火羽流軸線偏移軌跡、火焰結構分區及頂板下方煙氣最大溫升。結果表明：模擬火焰與自由火焰結構的分區規律類似，但分區轉折點隨火災強度增大而減小；等效風速對火羽流軸線溫升有顯著影響；引入風速修正，回歸整理可得到3個分區軸線溫升的無量綱準則關聯式；頂板下方煙氣最大溫升隨等效風速增大而減小，且模擬結果與實驗結果的變化規律具有相似性。

橫流；天然氣火焰；分區；火羽流軸線；溫升

0 引言

近年來，公路隧道建設日益興起，隧道通風排煙系統的選擇成為人們關注的焦點。為了維持高溫煙氣的自然沉降，以達到良好的煙氣控制效果，集中排煙系統正逐步代替縱向通風系統成為設計人員的首選。集中排煙模式（如圖1所示）兼顧縱向通風、局部排煙等優點，通過開啟火源周圍大尺度排風口配合射流風機就近將煙氣排出隧道，以最大程度降低對行車空間的影響，應用極為廣泛。針對縱向通風系統的研究，Hu等利用FDS模擬分析了CO濃度的縱向分布規律，并搭建模型試驗臺實測隧道頂板下方煙氣的最大溫度［1］；Ingason等以木垛為火源，搭建模型試驗臺，實測縱向風速作用下煙氣溫度分布規律［2］；王震等通過建立煙氣逆流兩區域模型，分析隧道內煙氣擴散規律［3］；易亮等通過縮尺模型試驗實測頂板下方煙氣最高溫度隨火災強度及縱向風速的變化規律［4］；李穎臻利用理論分析與模型試驗相結合的方法，研究含救援站的特長隧道內火災特性及煙氣控制機理［5］；趙紅莉等通過建立理論模型，研究一定坡度隧道內煙氣溫度縱向衰減規律［6］。吳小華等通過CFD模擬，研究不同風閥開啟條件下隧道內煙氣蔓延規律［7］。針對集中排煙系統，已有的研究成果多圍繞3個風口（1＃、2＃、3＃）內火災煙氣控制問題，而對火源局部熱參數的研究則較少，這與火源設置、火焰本身結構特點密切相關［8］。而針對縱向通風系統的研究成果是否適用于集中排煙系統也值得討論。為此，文章結合某集中排煙隧道設計參數，以燃氣氣源為研究對象，利用FLUENT詳細預測橫流作用下火焰偏轉、受限發展、結構分區等變化，進而預測頂板下方煙氣最大溫升隨橫流風速、火災強度的變化規律。

圖1 隧道集中排煙系統及計算模型示意圖／m（a）隧道集中排煙系統；（b）計算模型縱斷面；（c）計算模型橫斷面

1 物理模型的確定

1.1 計算模型

如圖1（a）所示，在射流風機送風，排煙風機排煙綜合作用下，火源上游形成一等效風流，直接影響火源發展及其結構特點。為了更好地分析火焰結構，提高計算精度，由圖1（a）中提取火源局部區域作為計算區域，將其抽象為橫流作用下火羽流偏轉受限發展問題，計算模型如圖1（b）、（c）所示。

1.2 火源設置

已往研究人員會考慮隧道內油池著火，很少涉及燃氣火源，而隧道火災事故統計中也不乏液化氣罐車燃燒爆炸案例。本次模擬考慮隧道中心斷面地板上布置有多孔燃燒床（4 m×1.5 m），燃燒床位置如圖1（b）、（c）所示。以天然氣為燃料，甲烷／空氣質量比為1：7.76。模擬中調節燃料消耗量以考慮3、6和9 MW三種火災強度變化。

1.3 等效風速

為了便于分析，取等效風流速度平均值定義為等效風速V，結合火災強度變化，模擬考慮等效風速V取1.5、2.0、2.5、3.0和3.5 m／s五種工況變化。每種火災的強度（3、6和9 MW）分別對應五種等效風速，共計15種模擬工況。

1.4 網格的繪制

計算區域采用非均勻網格劃分，近火源溫度梯度變化大的區域布置密集網格，遠離火源溫度梯度變化小的區域布置稀疏網格，首次網格劃分后依次增加x、y、z軸網格數目50%，在保證火災強度、等效風速相同情況下，觀察頂板下方煙氣最大溫升。當兩者最小差值小于0.1℃時，網格劃分結束，共計438254個網格。

2 控制方程的建立及邊界條件的確定

2.1 控制方程的建立

模擬計算考慮甲烷兩步燃燒反應，由反應式（1）表示為

模擬火災還涉及紊流、傳熱等多項流動過程，計算時選擇浮力修正κ-ε模型，在κ方程中引入浮力源項Gb反應浮力造成的湍流削弱效應，同時在ε方程中增大ε產生項，進一步突出浮力作用［9-10］。鑒于計算對象尺度范圍較大，輻射模型采用相對簡單的DTRM模型，通過跟蹤射線數目和調整網格疏密程度提高計算精度。控制方程組由式（2）表示，模型基本參數見表1［11-12］。

式中：φ為待求通用物理量；V1為速度矢量；Гφ為對應變量的輸運系數；Sφ為對應變量的源項，控制方程組通用變量見表1。

表1 控制方程組通用變量

表1中，Gk為剪切應力產生項；Gb為浮力產生項；μ為動力粘度，m2／s；Pr為普朗克數；t為時間，s；P為壓力，Pa；ρ為密度，kg／m3；σ為切應力，N／m2；xi為i方向單位長度；gi為i方向重力加速度，m／s2。控制方程中常數取值見表2，其中，C1、C2、C3分別代表組分1、2和3的附加系數，Cμ為組分動力粘度系數；σk、σε、σC、σH分別為動能項系數、耗散項系數、組分項系數、焓值系數。此外，數值求解過程中還需附加狀態方程。

表2 控制方程組中常數取值

2.2 邊界條件的確定

隧道入口考慮速度入口邊界，外界環境溫度T0＝ 303 K，O2／N2的體積比為21／79。隧道出口考慮恒壓邊界。火源考慮質量入口邊界。壁面采用Launder和Spalding推薦標準壁面函數，不計與外界熱量交換［13］。

3 火焰結構分區

3.1 自由火焰分區理論

McCaffery實測無風狀態下甲烷火焰斷面中心溫度，并根據溫度沿火焰高度y變化規律，將自由火羽流分為3個不同的區域，如圖2所示。連續火焰區，斷面中心溫度趨于定值；間歇火焰區，斷面中心溫度與Q2／5／y成比例；浮力羽流區，斷面中心溫度與Q2／3／y3／5成比例。

3.2 橫流作用下火羽流軸線偏轉

在等效風橫流作用下，火羽流將發生明顯偏轉。根據經典自由火焰點源理論，羽流斷面溫度成正態分布，其中斷面中心溫度最高。為此，CFD模擬以火源為起點，沿羽流偏轉方向，選取斷面溫度最高點標記為斷面中心，斷面中心點相連即可得到火羽流軸線，如圖3所示。

圖2 自由火羽流結構示意圖

3.3 火焰分區

模擬不同火災強度火羽流軸線溫升圖（如圖4所示）。不同火災強度，隧道內部受限火羽流軸線溫升變化規律與自由火焰軸線溫升變化規律具有一定相似性。連續火焰區，軸線溫升趨于定值；間歇火焰區，軸線溫升沿軸線方向急劇下降；浮力羽流區，軸線溫升繼續下降，但變化趨緩。此外，等效風速影響也不容忽視，尤其當V＝1.5 m／s時，隨著火災強度增大，不同等效風速其軸線溫升差別愈發明顯。同時，火羽流分區轉折點L／Q2／5數值不同于自由火焰，前者隨火災強度增大呈減小趨勢，后者則與火災強度無關［14］。自由火焰，隨火災強度Q增大，火焰長度L不斷增加，兩者之比（L／Q2／5）趨于定值。而隧道內部火焰受圍護結構遮擋，無法充分發展，火焰長度L增長受限，隨火災強度Q增大，兩者之比（L／Q2／5）不斷減小。

引入無量綱參數，由式（3）表示，經回歸整理得到隧道內受限火羽流3個分區無量綱軸線溫升準則關聯式，見表3。

式中：Q為火災熱釋放速率，MW；ρa為環境空氣密度，kg／m3；cp為環境空氣比熱容，kJ／（kg·K）；g為重力加速度，m／s2；H為隧道高度，m；T0為外界環境溫度，K；V為等效橫流風速，m／s；L為火焰長度，m；ΔT為煙氣溫升，K。

圖3 不同火災強度火羽流軸線圖（a）3 MW；（b）6 MW；（c）9 MW

圖4 不同火災強度火羽流軸線溫升圖（a）3 MW火羽流軸線溫升圖；（b）6 MW火羽流軸線溫升圖；（c）9 MW火羽流軸線溫升圖

表3 軸線溫升無量綱準則關聯式

顯然，引入風速修正后，軸線溫升回歸關聯式與McCaffrey半經驗公式形式相似。

3.4 頂板下方煙氣最大溫升

由圖4可知，上述工況火焰高度均未達到隧道頂拱，頂板下方為浮羽流區控制，在頂板下方形成一定厚度煙氣層，煙氣層平均厚度Hy滿足式（4）為［15］

式中：Ep為頂板下方空氣卷吸系數，取0.12；H為隧道高度，m。

不同火災強度頂板下方Hy厚度處煙氣最大溫升隨等效風速變化規律如圖5所示。當火災強度一定時，頂板下方煙氣最大溫升ΔTmax隨等效風速V的增大急劇下降。當等效風速V＞2.0 m／s時，煙氣最大溫升變化趨緩。

圖5 頂板下方煙氣最大溫升圖

為進一步驗證模擬結果可靠性，選取部分國內外火災實驗結果［16-21］，隧道火災實驗情況見表4，其中前三組為縮尺模型實驗，后三組為大尺度火災實驗。定性比較頂板下方煙氣最大溫升（如圖6所示）。

表4 隧道火災實驗一覽表

圖6 煙氣最大溫升模擬結果與實驗結果比較圖

模擬結果與縮尺模型實驗及大尺度火災實驗結果變化規律極為相似，證明模擬計算結果是可靠的。

為使模擬成果不失普遍性，進一步將頂板下方煙氣最大溫升ΔTmax回歸整理，得無量綱準則關系式（5）為

式中：0.022≤Q*≤0.066；0.182≤V*≤0.424。

4 結論

通過上述研究可知：

（1）模擬計算火焰與自由火焰分區規律類似，但自由火焰分區轉折點與火災強度無關，而模擬計算火焰分區轉折點隨火災強度增大不斷減小；隨著火災強度增大，等效風速對火羽流軸線溫升的影響越發明顯，尤其當風速V＝1.5 m／s時，差別更顯著；

（2）參考McCaffrey半經驗公式，引入風速修正，回歸整理得到3個分區軸線溫升無量綱準則關聯式；

（3）頂板下方煙氣最大溫升隨等效風速增大而減小，且模擬計算結果與經典實驗實測結果變化規律相似，證明模擬計算結果是可靠的。

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（學科責編：吳芹）

Study on structure partition and thermal parameters of natural gas flame under the influence of cross w ind

Xu Lin1，2，3，Chang Jian1

（1.School of Thermal Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Key Laboratory of Renewable Energy Utilization Technologies in Building，Ministry of Education，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；3.Key Laboratory of Renewable Energy Utilization Technologies in Building，Shandong Province，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

The central smoke extraction system is often brought into the tunnel design because of the advantages of both the longitudinal ventilation and central smoke extraction system with the development of transportation.The way ofmastering the change rule of thermal parameters was the focus of attention.Based on the design of a highway tunnel with central smoke extraction systems，nature gas fire has been simulated to evaluate the trajectory and structure partition of the fire plume and themaximum temperature rise of smoke underneath tunnel ceiling.3 kinds of heat release rate and 5 kinds of equivalent velocity are chosen in the study.According to the results，the structure partition of simulation flame is similarwith thatof free flame.However，the turning pointof simulation flame decreaseswith the augmentof heat release rate.Furthermore，the equivalent velocity has a great influence on the temperature rise of fire plume axis with the increase of heat release rate.Introducedwind speed modified，the dimensionless formulae of temperature of fire plume axis for application use are given out.Themaximum temperature rise decreaseswith the augment of equivalent velocity，and the change rule of simulation results are similar to the previous experiments results.

crosswind；nature gas flame；partition；fire plume axis；temperature rise

U453.5s

A

1673-7644（2015）02-0110-06

2014-12-13

國家自然科學基金項目（51108254）；山東省自然科學基金項目（ZR2009FQ008）

徐琳（1979-），女，副教授，博士，主要從事隧道通風防災等方面的研究.E-mail：xlzxq＠sohu.com