基于FDS的細水霧噴霧壓力對滅食用油火的數值模擬研究

麻曉敏 趙 壽

(中國鐵路太原局集團有限公司太原鐵路地產置業有限公司 山西 太原 030000)

引言

2008年11月，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局聯合中國國家標準化管理委員會，發布了最新版的GB/T 4968-2008《火災分類》推薦性國家標準[1]，規范在前言部分明確指出根據ISO 3941：2007中的定義，增加了F類火災，F類火災明確與普通B類液體類火災區別，定義為烹飪器具內的烹飪物火災。Zhigang Liu[2]在商業廚房模型范圍內做了一系列的全尺寸實驗，證明了細水霧滅火系統能有效地撲滅食用油火，還能在很大程度上防止其復燃。

在火災抑制過程中，細水霧自身霧特性對滅火有效性的影響還待進一步研究，為今后細水霧用于廚房環境中[3]食用油火的撲滅提供科學的依據和參考。本研究通過數值模擬改變細水霧噴霧壓力，研究其對滅火效率影響，在有效性基礎上尋找最經濟的噴霧壓力。

一、FDS數值模型和方法的實驗驗證

(一)建立數值模型

房玉東[4,5]等利用細水霧發生系統以及溫度測量系統進行了細水霧撲滅食用油火的全尺寸模擬實驗。借鑒房玉東全尺寸火災模擬實驗，利用FDS數值模擬軟件建立模型，利用實驗已經獲得的熱釋放速率隨時間的變化數據來驗證FDS數值模型。在經驗證的模型基礎上，進一步基于FDS數值模型研究細水霧噴霧壓力參數對撲滅食用油火的影響。

為了有利于確定計算區域和方便劃分網格，模型的規模為3m×3m×3m。如圖1為根據全尺寸實驗建立的細水霧數值模擬模型。

圖1 實體模型以及測點及切片的設置

數值模型中熱電偶溫度測點，以及細水霧噴頭布置的位置和距離與房玉東實驗完全一致，只是進行了一些必要簡化，例如，外壁為惰性材料，傳熱系數很小且不會燃燒，空氣流速為0。在燃料庫中新建了菜籽油，本模擬中以菜籽油作為燃料。

(二)網格劃分

釆用FDS對火災進行數值模擬時，網格是最小計算單位，網格尺寸是決定計算準確性以及計算時間的關鍵因素，如果網格精細度不夠，會導致模擬結果出現較大偏差，而網格劃分較小，又會使得時間步長縮短，計算時間增長[6,7]。在FDS中通常采用無量綱量來評估求解區域網格的好壞，其中：

D*——火災特征直徑；

ρ0，T0——環境密度和環境溫度；

Cp——定壓比熱；

g——重力加速度。

因此根據上面公式的計算結果然后綜合評估電腦性能和計算速度，最后設定網格的尺度為0.075m×0.075m×0.075m，網格總數約為64000。如圖2所示為網格劃分分布圖。

圖2 網格劃分分布圖

(三)測點及溫度切片的設置

根據所建模型以及細水霧噴頭和熱電偶的布置位置，選擇以對稱中心設置溫度切片，用以觀察火災燃燒時該平面上的溫度變化，由于對稱性，此切片最能全面反應火焰的溫度變化情況。

(四)火災模擬驗證結果對比

根據房玉東所做的實驗所得到的熱釋放速率隨時間變化的數值模擬結果，如圖3所示。可以看出在實驗過程中，其火源功率迅速上升，最大值約為250kW，隨后，隨著細水霧噴淋滅火的開啟，對火災產生抑制作用，其熱釋放速率逐漸下降。

圖3 全尺寸實驗中熱釋放速率隨時間變化曲線

根據上述數值模型利用FDS數值模擬所得到的熱釋放速率隨時間變化的結果，如圖4所示。可以看出，模擬結果與實驗數據的圖形趨勢吻合得很好，只是峰值大小有偏差，FDS數值模擬所得到的熱釋放速率最大值約為180kW。原因可能是由于在全尺寸實驗當中有煙罩，煙罩的抽吸作用可以加強燃燒；在全尺寸實驗中使用的是ISO 9705全尺寸多功能熱釋放速率測試儀，實驗中必定有誤差存在，FDS數值模擬的模擬結果的監測完全在理想環境中，進行了理想化的簡化處理。

圖4 FDS數值模擬熱釋放速率隨時間的變化規律

二、細水霧自身霧特性對滅食用油火效率的影響

上述利用全尺寸實驗對FDS計算模型和方法進行驗證之后，確定了本數值模型模擬細水霧撲滅食用油火的可靠性。

接下來基于此數值模型，研究細水霧噴霧壓力對滅食用油火有效性的影響[8-10]：

研究噴霧壓力對細水霧滅食用油火的影響。選取三種不同的噴霧壓力：1MPa、1.5MPa、2MPa。

(一)細水霧噴霧壓力對滅食用油火效率的影響

如圖5所示為不同壓力情況下細水霧撲滅食用油火，熱釋放速率隨時間的變化曲線。可以看出，三種情況下的火災熱釋放速率均呈現瞬間增大，逐漸下降的過程，并且整體趨勢相差不大。

圖5 不同噴霧壓力下熱釋放速率隨時間變化曲線

在細水霧剛開始作用時，熱釋放速率都有一個明顯的下降，而后趨于平緩。在前期40s時間內，三種噴射壓力對熱釋放速率的影響基本重合，后期不同壓力出現不同程度的振蕩。噴淋壓力為2.0mpa時，其熱釋放速率曲線震動幅度最大，說明火場最不穩定。火災進行至大約100s，細水霧噴頭壓力為2.0mpa時的火災熱釋放速率基本降為0kW，而細水霧噴頭壓力為1.0MPa、1.5MPa時的火災熱釋放速率下降到約為40kW。說明壓力越大，其對火源的熱釋放速率抑制效果越明顯，壓力越大，火場也越不穩定。

如圖9和所示為不同壓力情況下，細水霧撲滅食用油火災模擬的溫度隨時間變化曲線。可以看出，三種情況下的溫度變化趨勢均呈現瞬間增大，逐漸下降的過程，并且整體趨勢相差不大。同時，通過距火源高度0.2m溫度變化趨勢可以看出，隨著壓力的不斷增大，溫度下降時間逐漸靠前，說明隨著細水霧噴頭壓力的增大，會在一定程度上縮短滅火時間。但是，1.5MPa和2.0MPa溫度隨時間曲線已經基本重合，而且1.5MPa時的時間曲線更加平穩，滅火效果的提高與壓力的增大相比已無經濟性可言，所以噴霧壓力為1.5MPa是合適的選擇。

圖6 距火源0.2m溫度隨時間變化曲線

如圖7、圖8所示為不同壓力情況下細水霧火災模擬的溫度隨時間變化分布圖。可以看出，在20s和40s時刻下，噴霧壓力越大，對火災的抑制越迅速。

圖7 噴霧壓力1.5MPa工況溫度分布

圖8 噴霧壓力2.0MPa工況溫度分布

對比兩種噴霧壓力下的溫度云圖，在60s和80s時刻，噴霧壓力為1.5MPa和2.0MPa時的溫度云圖最高溫度已經趨近，再一次說明噴霧壓力為1.5MPa時，已經達到最經濟的撲滅食用油火的工況。

三、結語

利用房玉東細水霧撲滅食用油火的全尺寸實驗，基于FDS火災動態模擬器對數值模型可行性進行了驗證，然后在此經過驗證的模型基礎之上，模擬了噴霧壓力對滅火效率的影響，得出最經濟有效的噴霧壓力，如下：

(1)細水霧作為一種經濟環保的滅火劑可以用來撲滅食用油火，能達到完全滅火效果，對于廚房等食用油火易發區域且潔凈度要求較高的場所是最佳選擇之一，可發展簡易細水霧滅火設備用來撲滅食用油火；

(2)噴霧壓力增大，會提高滅火效率，使滅火時間縮短。但是增大到一定數值之后，對滅火效率的貢獻率就會打折扣，在考慮經濟性的條件下，從本模擬結果得出噴霧壓力為1.5MPa時，滅火效率和經濟性都達到很高的水平。