并排管道下消防噴頭對流換熱效果的數值模擬研究

李 貴

(武警學院 消防工程系，河北 廊坊 065000)

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并排管道下消防噴頭對流換熱效果的數值模擬研究

李 貴

(武警學院 消防工程系，河北 廊坊 065000)

對并排管道下消防噴頭的對流換熱情況建立了合理的傳熱物理模型及數學模型，應用數值計算的方法對設定的場所進行了模擬研究。結果表明，并排管道下的消防噴頭由于位置低及集熱板對熱氣流的阻礙作用，其內液體的溫度要低于同時刻鄰近的建筑物頂部的消防噴頭內液體的溫度，啟動時間要滯后于建筑物頂部鄰近的消防噴頭，這對于水平蔓延速度較快的火災是個極大的隱患。最后針對現有規范的不足提出了合理的建議。

并排管道；數值計算；消防噴頭；熱氣流

我國《自動噴水滅火系統設計規范》(GB 50084—2001，2005年版)第7.2.3條規定[1]，當成排布置的管道寬度大于1.2 m時，其下方應當增設消防噴頭，增設噴頭的上方如有縫隙時應設集熱板。但是在管道下方增設消防噴頭，就必須要面對一個問題，那就是噴頭換熱是否有效，因為這關系到在火災初期消防自動噴淋系統能否啟動。

我國的最新規范規定，一般噴頭安裝在吊頂的上方距離頂板不超過300 mm的地方，這樣消防噴頭會與周圍的熱氣流進行充分的對流換熱，確保火災發生時，熱敏元件及時響應動作，在火災初期噴頭灑水滅火。火災發生時，熱煙氣流在熱浮力的作用下會首先在建筑物頂部聚集，因此安裝在管道下方的消防噴頭比建筑物頂部下方的噴頭接觸熱煙氣晚。由于管道之間具有縫隙，按照規范的要求需要設置集熱板，但就集熱板的集熱效果來看，國內外已有的研究結果表明是無效的[2-5]，那么并排管道下增設的消防噴頭能否在火災初期及時啟動便成為一個重要的問題。

目前對于并排管道的對流換熱研究都集中在管道內換熱和橫掠管道換熱[6-10]，對于并排管道下使用集熱板的集熱效果還沒有相關的研究。本文對并排管道下消防噴頭的對流換熱情況進行了模擬研究，得到了并排管道工況下消防噴頭的對流換熱結果，并與建筑物頂部的消防噴頭的相應數據進行了對比，得到了可供借鑒的結論。

1 物理模型與數學模型

本文選用二維計算模型，由于整個過程不需要考慮化學反應而只需要考慮換熱的問題，所以用一個功率為6 MW的矩形熱源代替火災場景下的火源。由于火源恰好位于消防噴頭正下方的狀況不具有代表性，因此本文選取了更為一般的工況，即火源不在消防噴頭正下方，這樣更便于客觀評價消防噴頭換熱的有效性問題。由于消防噴頭熱量的聚集主要是對流換熱造成的，因此本文忽略了熱輻射的作用。在流動區域，將空氣看作理想不可壓縮流體，同時假定計算區域的墻壁都是絕熱的。

網格的劃分采用分區混合網格，對建筑物頂部的消防噴頭周圍及并排管道下方的消防噴頭周圍進行了網格加密處理，建立了直角坐標系，如圖1所示。這樣，一方面可以減少網格的數量，另一方面保證了數值計算的精度。

圖1 分區混合網格劃分圖

空間里的煙氣流動滿足以下控制方程：

(1)

(2)

(3)

(4)

p=ρRT

(5)

初始條件為：

t=0時，T=293 K

(6)

邊界條件為：

(7)

(8)

對模型的建立及求解通過應用fluent軟件完成。湍流模型采用標準的k-ε模型，方程的離散采用有限容積法，其中時間項為向前一階差分格式，擴散項采用二階中心差分格式，對流項采用QUICK格式，壓強項采用SIMPLE算法處理。

離散后的方程采用半隱格式，求解采用ADI方法。能量方程的松弛因子為0.8，動量方程與連續性方程的松弛因子為0.5。

2 計算結果及分析

本文對未安裝集熱板的兩種工況均進行了時長為8 min的模擬計算，得到了換熱過程中溫度場等值圖及速度場矢量圖。消防噴頭玻璃球內液體的溫度不僅與其外部的空氣溫度有關，還與空氣的流動速度有關。圖2～圖7分別為第6，7，8 min的空氣溫度場與速度場。

圖2 并排管道場景下6 min的溫度場

圖3 并排管道場景下7 min的溫度場

圖4 并排管道場景下8 min的溫度場

圖5 并排管道場景下6 min的速度場

圖6 并排管道場景下7 min的速度場

圖7 并排管道場景下8 min的速度場

將所有消防噴頭按照從左到右的順序依次編號，將4～8 min各個消防噴頭內液體計算的溫度列于表1。

由表1可以看出，并排管道下方消防噴頭內液體的溫度低于同時刻位于建筑頂部消防噴頭內液體的溫度。

造成這種結果的原因有兩方面：一方面，熱氣流的上升過程遵循的是先垂直上升然后水平展開的規律，因此，除非管道下方的消防噴頭恰好位于熱源的上方，否則管道下方的消防噴頭要晚于建筑頂部的消防噴頭接觸熱氣流；另一方面，從速度場圖可以發現集熱板的使用，不僅沒有起到將熱氣流聚集的預期作用，而且使得流經管道下方的消防噴頭的熱氣流的流速減慢，甚至在局部出現了流動的死角。這兩方面共同作用，使得管道下方的消防噴頭與熱氣流的對流換熱的強度要弱于建筑頂部的消防噴頭，從而啟動時間落后于建筑頂部的消防噴頭。

表1 不同位置不同時刻的消防噴頭內液體的溫度

3 結論

3.1 并排管道下的消防噴頭由于位置低及集熱板對熱氣流的阻礙作用，噴頭內液體的溫度要低于同時刻的建筑物頂部的噴頭內液體的溫度。

3.2 并排管道下的消防噴頭的啟動時間要滯后于建筑物頂部鄰近的消防噴頭，這對于水平蔓延速度較快的火災是個極大的隱患。

3.3 現有規范對并排管道下增設消防噴頭的類型并沒有規定，建議增設的噴頭類型為快速響應噴頭。

[1] 中華人民共和國公安部.自動噴水滅火系統設計規范(2005年版):GB 50084—2001[S].北京:中國計劃出版社,2005.

[2] Stand for the installation of sprinkler systems:NFPA13[S].

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[4] 馮小軍,張文華,孔祥欣,等.集熱板在大空間場所作用效果的討論[J].消防科學與技術,2008,27(2):86-90.

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[6] THUC P D, KARIMOV M F, VIETSOVPETRO J V, et al.Computer simulation of thermo hydrodynamic and technological processes in active sub-sea oil pipelines[J].SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition,Jakarta,Indonesia,SPE 68685,2001.

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[9] 劉希女,楊永安.叉排橢圓管強迫對流換熱的數值模擬[J].制冷與空調,2004(1):32-37.

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(責任編輯 馬 龍)

A Study of Numerical Effects of Convective Heat of the Fire Sprinkler under Alongside Pipes

LI Gui

(DepartmentofFireEngineering,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

A numerical calculation method was used in this paper for making a simulation study with a reasonable physical model and mathematical model of heat transfer about the fire sprinkler under alongside pipes. The results show that, fire sprinklers under alongside pipe due to the low position and hindered hot gas stream of the heat collecting plate, whose temperature is lower than the temperature of the liquid within fire sprinklers adjacent the top of the building at the same time, the startup time lags behind on top of the building near the fire sprinklers, which is a great risk with a fire that spreads faster at the horizontal level. Finally, reasonable suggestion was made for the deficiencies of the existing codes.

numerical calculation method; alongside pipe; fire sprinkler; hot gas stream

2016-06-10

李貴(1975— )，男，河北宣化人，講師。

TU892

A

1008-2077(2016)10-0018-03