移動正壓風機風場模擬研究

彭城林，梁 強

(中國人民警察大學，河北 廊坊 065000)

0 引言

火災中對人員危害最大的是火災產生的高溫有毒煙氣，及時有效地控制火災現場的煙氣流動有利于消防救援人員行動的展開，且能大大減少火災時的人員傷亡。固定排煙設施往往因溫度過高(達到280 ℃)、日常維護或人為因素等原因無法正常工作，且靈活性較差。移動排煙設備具有更強的靈活性和適應性，更能滿足火場實際情況的需要。基于移動排煙設備的負壓排煙，往往不能達到理想效果，而近年興起的正壓送風排煙方式，則可以根據火場實際情況進行調整，有效提高排煙效果[1]。正壓送風排煙是在火災現場利用移動式排煙機向著火建筑內部送風，增大房間內部壓強達到排煙的目的，并能阻止煙氣的進一步蔓延。

為了研究移動正壓風機產生的流場能否適用于火災模擬軟件進行數值模擬計算，需要進行實驗與模擬的對比驗證。移動正壓風機產生的氣流為氣體淹沒紊流射流，紊流的橫向脈動造成射流與周圍空氣不斷發生質量、動量交換，帶動周圍介質流動，同時射流風與周圍空氣交換能力也是通過紊流的狀態實現的，因此只有FDS采用的大渦模型能夠較好地模擬出射流風的紊流狀態，使模擬結果更接近實際[2]。本文建立了適用于目前各基層中隊普遍配備的移動正壓風機的FDS模型，通過兩類移動正壓風機進行的送風實驗，驗證風機模型的有效性，給未來利用FDS進行移動式正壓排煙風機的模擬研究提供參考。

1 風機實驗

實驗用于確定不同類型正壓送風機產生的流場與風速，為了在FDS中模擬正壓風機，必須根據風機本身的各項參數對FDS進行輸入，用以表征正壓風機。實驗是在一個密閉的大空間環境中，將風機放置于一定高度的支架上(對流量的影響可以忽略不計)，這種布置最大限度地減少了墻壁和門等障礙物對流場的影響。

1.1 實驗條件

實驗于長16.2 m、寬10.8 m、高5 m的房間內進行，在實驗過程中將門、窗保持關閉，避免室外風對風機的流場產生擾動。搭建1.1 m×1.0 m的鐵絲網格框架，每個網格為0.015 m×0.015 m，四角用鐵釘進行加固。在網格中以1號測點為中心對稱共布置19個測點，將黑色幕布網格框架垂直放置，以便為煙氣的流動提供對比背景，增強正壓風機流場的可視化效果，如圖1所示。

圖1 測點布置

所用風機采用目前基層中隊使用較多的兩款正壓風機，即電動風機(EFC120)和機油風機(HONDAGX160T-E1)進行實驗，將風機設置在1 m的高度，風機葉輪的中心位于網格的中心線上(1號測點)。實驗采用加野KA23熱式風速儀。測速范圍為0～50.0 m·s-1，精度為讀數的0.5%。為了能夠更準確地測量每個測點的速度，實驗中采取加長探頭，避免由于手、肘部對氣流產生阻礙。

為了在實驗過程中更好地觀察移動正壓風機產生的流場形狀，采用CNI(希愛)MGL-F-532型半導體泵浦固體綠光激光器，為了能夠更加直觀地觀察到移動正壓風機產生的流場，在實驗中加入發煙器并采取黑色背景。在黑色背景下拍攝照片如圖2所示。

圖2 發煙器

1.2 實驗內容

1.2.1 電動風機

將電動風機放置于高1 m的桌面上，測得其葉輪軸心離地面1.25 m，在距離風機9 m處放置激光器，調整鏡頭高度，使其與葉輪軸心位于同一高度。開啟激光器，調整網格框架使得1號測點與風機中心軸平行，如圖2所示；將網格框架分別設置于距離風機1 m、2.5 m、4 m、5.5 m、7 m處進行測速。

開啟風機并以最大速度運行一段時間，待其穩定送風后，利用KA23熱式風速儀開始對各個測點進行風速測量。測量過程中要保持探頭進風口與送風方向垂直，每10 s記錄一次風速儀輸出值，每個點持續1min，最終每個測點取平均值。

1.2.2 機油風機

將機油風機放置于0.78 m高度，測得葉輪軸心距離地面1.1 m，調整網格測點位置，使得1號測點與風機中心軸平行，重復電動風機實驗過程并記錄數據。

1.3 實驗結果

根據各個水平距離的測點平均速度整理繪制變化曲線如圖3所示。分析圖3可以看出，實驗條件下測得風機下游流場風速均值呈現先增大，在約3.5 m處達到峰值，之后呈現逐漸減小的趨勢，這與風機的可視化流場十分相近。

圖3 速度變化曲線與可視化流場

移動風機在最高檔位下的控制半徑從風機口開始呈現上升趨勢，在到達距離風機4 m時控制半徑達到最大，之后呈現下降趨勢，在距離風機水平距離5 m處到達波谷，之后又呈現緩慢上升趨勢，在6 m處到達波峰，之后呈現下降趨勢。通過繪制的圖表與拍攝的實驗照片(見圖4)對比，發現根據數據所繪制的正壓式消防移動風機控制半徑變化與實驗所測試的控制半徑變化一致。

2 FDS模型建立

FDS是由美國國家標準與技術研究院(NIST)與芬蘭的VTT技術研究中心合作專為火災模擬開發的軟件。該軟件采用數值方法求解熱驅動的低速流動N-S方程，具體數值方法是空間和時間上具有二階精度的顯式預測校正算法，主要用于火災中煙氣流動和熱傳遞過程的數值模擬，其結果準確性已經得到大量實驗的驗證[3]。

圖4 實驗拍攝照片

2.1 模型的不確定性

FDS模型的輸出取決于各種輸入參數和默認值，例如計算單元大小，材料屬性，障礙物和通風口的設置等。對于相對簡單的氣流實驗，例如FDS預測在浮力羽流實驗中測量值的不確定性范圍，如果氣體流速為0.5 m·s-1，實驗不確定度為±0.05 m·s-1，則FDS模型氣體流速預測也在0.45 m·s-1和0.55 m·s-1之間。在Panindre論述的大規模火災試驗中，發現FDS溫度預測在測量溫度的15%以內，并且FDS放熱率預計在測量值的20%以內[4]。這些實驗證明如果輸入正確的相關參數，FDS就能夠在理想的不確定性范圍內對移動正壓風機產生的流場進行建模。

2.2 模型建立

2.2.1 注意事項

為了對移動式正壓排煙機進行建模，需要對FDS進行域尺寸，計算單元尺寸，模擬持續時間，通風速度，通風口幾何形狀，風機幾何形狀，速度切片位置和速度測量點的輸入。

為了使得建立的模型更加切合實驗所用風機，需要考慮許多因素，最重要的是計算單元大小。多次模擬后的結果表明，網格尺寸大約需要0.025 m，一旦取用的單元網格大于0.028 m，風機產生的流場就變得線性且不準確[5]。為了便于計算，本次模型的建立采用網格密度為0.02 m。

下一個考慮因素是域大小。移動式正壓送風機在工作時需要保證后方至少1 m范圍內無障礙物遮擋。因此在建立模型時如果風機在邊界1 m內，無論邊界條件是否為“開敞”狀態，風機模型都無法較為準確地產生流場[6]。

FDS軟件中的網格劃分只能是矩形，而移動正壓排煙機的通風口、葉輪旋轉以及風機外殼為圓形，因此為了使模型能夠產生適當的流場，需要在最小單元精度基礎上對風機的通風口和機殼部分進行微元化處理，該處理方法使得模擬結果更加精確。模型與圓柱形接近的程度取決于最小單元格的精度，如果計算機條件允許，可以令模型的機殼等部位更加接近圓柱體。

將通風口設置在風機內部，位于風機外殼的前端約0.3 m處(如果通風口放置在風機的后部或中間，則流動模式將呈線性且不切實際)，與發動機和手柄相對。在通風口的表面設置寬度為0.02 m的格柵來模擬移動風機的網格罩。對于模型中發動機、風機后部的手柄以及風扇軸心的設置，都是為了產生更加真實的流場，這些設置影響通過FDS模型中空氣的流動，尤其是發動機的設置會顯著影響流動模式，因此必須將其包含在模型中。最后按照實驗條件設定速度場切面與測點。將速度場切面設置在垂直于風機中心的位置和測點所在的各個水平平面，以便更好地觀察流場狀態[7]。

2.2.2 參數輸入

根據上述進行實驗的兩種風機尺寸及參數，在FDS軟件中進行同尺寸建模，設置EFC120電動風機的產生風速為17.8m·s-1；HONDAGX160T-E1機油風機的產生風速為15.8m·s-1。

2.3 運行結果

2.3.1 EFC120電動風機

模擬測得在距風機水平距離為1 m、2.5 m、4 m、5.5 m、7 m的平均速度為6.41 m·s-1、7.53 m·s-1、6.53 m·s-1、5.22 m·s-1、4.68 m·s-1。將FDS模型中Y=2.5 m處的Smokeview切片(圖5)與流場可視化實驗中的圖形(圖6)比較可以看出模型產生的流場與實驗風機產生的流場基本相同。

通過電動風機的實驗和模擬在各個水平距離上的測點速度比較可以看出，在不同距離處的模擬速度場與實驗測得速度場基本相同，如表1所示。同時可以發現，隨著距離風機水平距離的增加，切面速

圖5 電動風機模型中心切面流場

圖6 電動風機實驗流場

表1 電動風機平均風速實驗數據和模擬數據的比較

度場逐步由中心處為峰值(14 m·s-1)，周邊速度場較小(1 m·s-1)，轉變至中心與周邊的速度基本相同(5.5 m·s-1)。

2.3.2 機油風機

模擬測得在距風機水平距離為1 m、2.5 m、4 m、5.5 m、7 m的平均速度為7.19 m·s-1、7.45 m·s-1、6.07 m·s-1、4.81 m·s-1、4.38 m·s-1。將FDS模型中Y=2.5 m處的Smokeview切片與流場可視化實驗中的圖形(圖7)比較可以看出模型產生的流場與實驗風機產生的流場基本相同。

圖7 機油風機模型中心切面流場

測得實驗數據和模擬數據的平均風速比較如表2。通過圖表可以看出，模擬得到的數據和實驗測得數據平均差異均小于10%，因此可以認為建立的機油風機模型可以很好地進行模擬。

表2 機油風機平均風速實驗數據和模擬數據比較

3 結語

通過對移動正壓風機進行的全尺寸實驗，研究了風機產生下游流場的特性，發現風機下游流場的風速呈現逐漸衰減的趨勢，在垂直界面上的風速變化趨勢，是先緩慢增大后緩慢減小，同時風機的控制半徑從風機口開始逐漸增大，增大到一個波峰又逐漸減小，減小到波谷，開始緩慢增加，增加到第二個個波峰后開始緩慢減小，總體上呈現一個“M”字的形狀。然后使用FDS對實驗風機進行建模，為了保證模型產生的下游風場模擬的準確性，通過對空間單元尺寸、網格密度、邊界條件的不斷完善，得出一些普適性結論：

3.1 多次模擬后的結果表明，計算單元網格尺寸為0.025 m，一旦單元網格大于0.028 m，風機產生的流場就變得線性且不準確。

3.2 模擬結果表明，在建立FDS模型時要保證風機后方1 m內無障礙物，使得風機順利地向外界送風。

3.3 在對風機內部元件進行建模時需要注意將通風口設置在風機機殼內部，與發動機和手柄相對。由于通風口、葉輪旋轉以及風機外殼是圓柱形，需要在最小單元精度基礎上對風機的通風口和機殼部分進行微元化處理，模型與圓柱形接近的程度取決于最小單元格的精度，該處理方法使得模擬結果更加精確。這些設置使得模型產生的流場更接近實際。