基于CFD的閃火環境中消防服傳熱機制模擬

田 苗,李 俊, 2

(1. 東華大學a. 服裝與藝術設計學院；b. 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室，上海 200051；2. 同濟大學 上海國際設計創新研究院，上海 200092)

消防員在執行滅火或救援任務時，常遭受高溫火場、化學品藥劑、濃煙、有毒氣體等的嚴重威脅，其中火場熱流是造成救援人員燒傷的重要因素[1]。當消防救援人員面臨火災環境時，消防服等熱防護服裝可以減少強熱流對人體皮膚的危害，保障火場作業人員的生命安全。

消防服充分的熱防護性能是為人體提供有效防護的必要條件，物理試驗和數值模擬是目前評價和優化熱防護服裝或織物性能的重要手段。通過數值模擬可實現火場環境和傳熱過程的重復再現，其主要目的是明確消防服熱防護性能測試過程中的傳熱傳質機理，從科學的角度分析造成人體皮膚燒傷的關鍵因素[2]，模擬物理試驗尚不能實現的復雜環境[3]，以推動消防服測試技術的發展。

本文通過對燃燒假人系統進行三維測量和逆向工程建模，結合傳熱傳質和計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)理論，建立三維裸體燃燒假人系統模型，確定模型火場及計算參數，并應用于燃燒室內單層和多層消防服模型的建立及模擬，探究消防服在閃火環境中對外部熱量的阻隔作用及傳熱機制。

1 裸體假人CFD模型的建立及驗證

裸體假人燃燒試驗是著裝假人燃燒試驗的火場校正試驗，建立裸體假人CFD模型的主要作用是根據物理試驗建立模擬火場。CFD模型建立的關鍵問題包括幾何模型的建立、網格的劃分、控制方程的建立、初始和邊界條件的確定，以及求解方法的確定。

1.1 燃燒假人系統及試驗

燃燒假人試驗的主要目的是模擬熱流強度大、燃燒時間短的試驗室火場，以通過預測燒傷表征熱防護服裝或系統的防護性能。本研究利用燃燒假人系統，嚴格按照ASTM F1930和ISO 13506標準要求進行試驗。假人表面共有135個傳感器，覆蓋其頭、手、腳，可以監控試驗過程中溫度和熱流密度隨時間的變化。燃燒器有6組共12個，分布在假人周圍，試驗中能夠產生吞沒假人的火焰。

本研究基于裸體假人燃燒試驗，建立裸體假人CFD模型，通過試驗驗證模型的有效性獲得模擬火場環境參數，并用于消防服模型的建立。

1.2 數值假人三維模型的獲取

數值假人的處理主要包括對點云數據、多邊形的處理以及精確曲面的擬合等階段。利用三維人體掃描儀獲取燃燒假人點云數據，并將其導入逆向工程軟件，通過檢測體外孤點、減少噪聲點和去除重疊等工具對點云數據進行優化處理。多邊形階段的主要步驟為填充孔，去除特征，網格醫生，簡化、松弛或砂紙操作，優化多邊形用于精確曲面的建立。精確曲面擬合階段需要進行輪廓線、曲面片、格柵及非均勻有理B樣條(non-uniform rational B spline，NURBS)處理等操作。

1.3 燃燒室模型的建立及網格劃分

1.3.1 燃燒室模型的建立

燃燒室內部除燃燒假人外主要包括燃燒器和假人腳下金屬板。在對相關尺寸進行精確測量后，利用Gambit軟件導入經過處理的數值假人，建立燃燒室及細部結構，如圖1所示。

圖1 裸體假人燃燒室幾何模型Fig.1 Geometry of flame chamber with nude manikin

1.3.2 燃燒室模型網格劃分

在進行CFD計算之前，需要將計算區域離散化，即將空間上連續的計算區域劃分為多個子區域，并確定每個區域中的節點，從而生成網格。模型采用非結構化網格對計算域進行離散[4-6]。由于燃燒室實際體積較大，在適當減少網格數量的同時，對網格進行局部加密，保障計算的準確性。燃燒室內數值假人網格模型由4面體和6面體網格組成。完成網格劃分之后，分別定義邊界和區域類型。

1.4 基本控制方程

1.4.1 質量守恒方程

質量守恒定律是指單位時間內流體微元體中質量的增加，等于同一時間間隔內流入該微元體的凈質量[4]，方程為

(1)

式中：u、v、w為流體在x、y、z方向上的速度分量，m/s；ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s。

1.4.2 動量守恒方程

動量守恒定律是指微元體中流體的動量對時間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和，x、y、z方向的動量守恒方程分別為[4,7]

(2)

(3)

(4)

式中：p為流體微元體上的壓力，Pa；μ為動力黏度，Pa·s；Su、Sv和Sw為廣義源項，J。

1.4.3 能量守恒方程

能量守恒方程是指微元體中能量的增加率等于進入微元體的凈熱流量加體力與面力對微元體所做的功，即熱力學第一定律，是含有熱交換的流動系統必須滿足的基本定律[4]。

(5)

式中：cp為比熱容，J/(kg·K)；ST為黏性耗散項，J；T為溫度，K；λ為導熱率，W/(m·K)。

1.4.4 組分質量守恒方程

在一個特定的系統中，若存在多種化學組分，每一種組分都需要遵守組分守恒定律，即系統內某種化學組分質量對時間的變化率等于通過系統界面凈擴散流量與通過化學反應產生的該組分的生產率之和。其中i組分的質量守恒方程如式(6)[7]所示。

(6)

式中：Si為組分i的生成率；mi為組分i的體積濃度；ρmi為組分i的質量濃度。

1.5 湍流、燃燒及輻射模型

1.5.1 湍流模型

火災會形成強烈的湍流運動以及溫度場，伴隨燃燒和輻射傳熱[3]。本文建立的三維瞬態CFD模型，需要求解三維瞬態的動量方程。目前三維湍流數值模擬的方法主要有直接數值模擬、大渦模擬以及Reynolds平均法(RANS)。常用的RANS湍流模型主要有Reynolds應力模型和渦黏模型兩類。渦黏模型中的兩方程模型常用于模擬燃燒和流體流動[8-12]。在燃燒假人物理試驗中，丙烷需要通過燃氣噴嘴進入燃燒器，并與空氣混合，采用Realizableκ-ε模型模擬湍流流動[13-14]，其中湍流動能κ的方程為

(7)

式中：Gκ為由平均速度梯度產生的湍流動能；Gb為由浮力產生的湍流動能；YM為可壓縮湍流中脈動擴張的貢獻；Sκ為用戶自定義源項；σκ為κ的湍流Prandtl數；μt為修正后的湍流黏度。

湍流耗散率ε的方程為

(8)

式中：σε為ε的湍流Prandtl數；Sε為用戶自定義源項；C1、C2、C1ε和C3ε為經驗常數。

(9)

與標準κ-ε模型不同的是，Realizableκ-ε模型中的Cμ不是常數，而是與應變率相關[4]。采用RNGκ-ε模型與標準壁面函數法模擬湍流流動，模型考慮黏性發熱和浮力的影響，并對模型進行曲率校正。

1.5.2 燃燒模型

燃燒假人系統的燃料為工業丙烷，含有90%丙烷、5%丁烷和5%丙烯。CFD模型中采用丙烷-空氣兩步反應機制計算燃料的氧化率[15]，其中一氧化碳為中間產物[9]。此外，采用渦耗散燃燒模型模擬化學組分輸運和反應流，該模型對預測預混、擴散以及部分預混反應流有效，可用于確定局部反應率[10,16]。

1.5.3 輻射模型

輻射傳熱是燃燒室內主要的熱傳遞方式之一[3]。在燃燒假人測試中，服裝的降解碳化和燃氣的燃燒會產生煙氣和固體顆粒。本研究采用離散坐標輻射模型(discrete ordinates radiation model，DOM)計算燃燒室內的輻射熱傳遞，該模型不僅考慮散射，還可計算氣體和微粒間的輻射熱交換[17]。由于CO2和H2O等具有不同的吸收頻帶，模擬通過灰氣體加權和模型(weighted sum of gray gases model，WSGGM)計算煙氣的輻射。WSGGM和DOM的結合可以模擬多維輻射體系，實現非灰氣體輻射換熱的精確模擬[17-18]。

1.5 初始、邊界條件及求解方法

計算域的初始條件和邊界條件是根據燃燒假人物理試驗設定的。數值燃燒室內部的初始溫度設為27 ℃，假定燃燒室內充滿空氣，氧氣的質量分數為23%。數值假人表面為雙側壁，求解器可以根據近壁區的流體域直接計算假人表面的熱傳遞。

基于燃燒假人系統的裸體假人CFD模型在Fluent軟件中計算，采用壓力-速度耦合算法求解耦合動量、能量及組分傳輸方程，瞬態方程采用一階隱式算法。模型的步長為0.01 s，模擬閃火時間為4 s，共需計算400步。該模型在IBM System x3690 X5服務器上完成計算，一次運算耗時84.6 h。

1.6 裸體假人CFD模型的驗證

根據標準要求和物理試驗結果，采用平均熱流密度、熱流密度分布、絕對熱流差與相對熱流差等指標對該模型進行驗證[19-20]。數值假人表面的平均入射熱流密度為83.7 kW/m2，平均熱流密度的標準差為16.2 kW/m2，均滿足ASTM F1930和ISO 13506標準的要求。分別提取135個傳感器處的熱流密度，利用Statistics 22.0軟件對試驗和模擬結果進行顯著水平為0.05的配對t檢驗，試驗與模擬的均值差為-1.69 kW/m2，標準差為16.89 kW/m2，P值為0.25(>0.05)，表明試驗和模擬的熱流密度無顯著差異。各個傳感器處的絕對熱流差和相對熱流差結果同樣表明，裸體假人CFD模型可以較好地反映實際火場和裸體假人燃燒試驗的過程。此外，文獻[20]也對CFD模型反映效果進行了具體說明。因此，可以將裸體假人CFD模型中的設定參數應用于消防服數值模型的建立。

2 消防服系統CFD模型的建立

2.1 消防服三維模型的獲取

為獲取消防服的三維形態，采用Kevlar?/PBI面料進行單層消防服的制作。標準測試服裝為連體服裝，前門襟裝有防火金屬拉鏈，無口袋，無袖口克夫及腳口克夫，且腰部無松緊帶。服裝結構及尺寸滿足ISO 13506要求。單層消防服的著裝形態同樣利用三維掃描儀獲取，多層消防服結構則通過在CFD模型中設置服裝層數獲得。與裸體假人相同，利用逆向工程軟件對消防服點云數據進行處理。獲得服裝NURBS曲面后，導入Gambit軟件建立燃燒室幾何模型，并進行網格劃分，如圖2所示。

圖2 消防服燃燒室幾何模型Fig.2 Geometry of flame chamber with clothing

2.2 消防服CFD模型的建立

單層及多層消防服CFD模型的初始、邊界條件及求解方法設置與裸體假人模型相同，以保證所處火場環境一致。其中在材料性能參數設置時，采用文獻[21-22]中三層消防服的經典參數，如表1所示。單層消防服只采用外層面料(Kevlar?/PBI)數據，多層消防服包括外層、防水透濕層及隔熱層。著裝狀態下服裝領口、袖口和腳口截面面積分別為263.5、88.7和160.0 cm2，其中袖口、腳口處的截面面積為左右兩側的平均值。在消防防護裝備系統中，頭、手、足部的配套防護裝備能夠顯著降低服裝開口處的熱傳遞。由于消防服CFD模型主要關注服裝本身對傳熱過程的影響，且僅考慮服裝開口打開的情況，因此，會在一定程度上增大服裝開口部位的熱傳遞，在實際問題中需要進一步考量。本模型同樣利用IBM System x3690 X5服務器計算。

表1 三層消防服的材料性能參數

(續表)

3 模擬結果分析與討論

3.1 消防服內、外環境溫度分布

本文的主要目的是研究消防服對外界熱量的阻隔作用，因此，服裝內、外環境的溫度分布是表征其作用的重要指標。閃火4 s末，消防服在z=0和x=0兩個縱截面的溫度分布，如圖3所示。其中：z=0截面是指將服裝分為前后兩部分的額狀面；x=0截面是指將服裝分為左右兩部分的矢狀面。

圖3 閃火4 s末服裝縱截面溫度分布Fig.3 Temperature distribution around garment on the longitudinal sections at the end of 4 s fire exposure

由圖3可知：單層和多層消防服的模擬結果均存在明顯的服裝界面。服裝層及服裝近壁面的溫度均小于外環境火場溫度。這與面料層面的試驗和模擬顯著區分為熱源、面料和衣下微環境不同，消防服內環境的溫度并不完全低于外環境。消防服腰腹、大腿等軀干部位的溫度顯著低于外界火場環境，但在肩部、胸部等臨近服裝開口的部位，由于火焰直接進入服裝內環境，產生熱對流，內環境的溫度與外環境無顯著差異。

閃火4 s末服裝橫截面溫度分布如圖4所示。由圖4可知，肩部、胸部、臀部、膝部的橫截面溫度分布同樣證實了消防服對外界火場向服裝內部傳熱的阻礙作用。與閃火4 s末服裝縱截面溫度分布結果一致，盡管消防服本身的溫度顯著低于外環境溫度，但由于服裝領部開口的作用，肩部內環境溫度并未顯著降低。但胸部、臀部和膝部等遠離服裝開口的部位，服裝內環境的溫度明顯低于外環境。與單層消防服的各部位截面處溫度相比，多層消防服內環境溫度較低的區域更大，表明多層消防服的隔熱性能更好。此外，圖4中的多層消防服具有更加明顯的服裝截面輪廓，說明其自身溫度低于單層消防服。

圖4 閃火4 s末服裝橫截面溫度分布Fig.4 Temperature distribution around garment on the horizontal sections at the end of 4 s fire exposure

阻燃面料的熱防護性能可通過臺式測試獲得，而將阻燃面料制作為消防服等熱防護服裝時，在不同部位發揮的熱防護功能卻有所不同，其影響因素包括身體部位、服裝開口、外界熱源分布等。本研究通過對閃火過程的模擬，預測了服裝內、外環境的溫度分布，分析了服裝結構對熱傳遞機制的影響。

3.2 消防服各表面溫度分布

單層消防服內外表面溫度分布相似，均是領部、袖口、腳口等服裝開口部位的溫度較高，而大身部位的服裝表面溫度較低，如圖5所示。服裝內表面溫度低于外表面，論證了阻燃面料的隔熱作用。由圖3和4截面溫度分布可知，由于火焰會通過服裝開口直接進入服裝內環境，因此導致靠近開口部位的服裝內表面溫度升高，同時服裝本身的熱傳導效應使服裝高溫區域增加。因此，消防服合理的開口設計對其熱防護性能的提升具有重要作用。

圖5 閃火4 s末單層服裝各表面溫度分布Fig.5 Temperature distribution of the single layers garment at the end of 4 s fire exposure

圖6 閃火4 s末多層服裝各表面溫度分布Fig.6 Temperature distribution of the multiply layers garment at the end of 4 s fire exposure

閃火4 s末多層服裝各表面的溫度分布，如圖6所示。由圖6可知，在進行多層消防服面料試驗時，外層面料到內層面料的溫度呈梯度降低。而本研究的模擬結果表明，在服裝層面，外表面、外層/防水透濕層界面、防水透濕層/隔熱層界面的溫度依次逐漸降低；服裝內表面的胸部、袖子、腳口等部位的溫度高于防水透濕層、隔熱層的溫度，臀腹部等大身部位則出現服裝系統的最低溫度區域。該結果表明，在服裝開口部位，不僅存在閃火外環境向服裝內部的熱傳遞，而且存在服裝內表面向服裝外部的熱傳遞，服裝內部熱傳遞復雜，造成內表面特殊的溫度分布。

3.3 消防服各層溫度隨時間的變化

為探究單層和多層消防服閃火4 s過程中溫度的變化，提取并計算服裝各層界面的平均溫度，如圖7所示。由圖7可知：在閃火開始階段，由于火焰從燃燒器到達服裝表面需要一定的緩沖時間，在0.5 s之前服裝各表面的溫度并未發生明顯變化；在0.5～1.0 s，服裝外表面的平均溫度出現躍升，隨后上升速率降低；對于單層消防服，在4 s閃火過程中，服裝內表面溫度低于外表面，但溫度差逐漸降低。該結果表明，在閃火初始階段服裝內部熱量積聚，當儲存熱達到飽和后，熱量更迅速地向服裝內部傳熱，與此同時，服裝內部開口處的溫度也不斷升高，導致服裝內外表面溫度差不斷減小。

圖7 單層及多層消防服各表面溫度隨時間的變化Fig.7 Temperature variation as a function of time for single and multiply layers firefighters’ clothing

多層消防服外表面溫度低于單層消防服。文獻[23]表明，Kevlar?/PBI面料在427 ℃左右開始發生熱解。因此，單層消防服在接近3 s時已發生降解，而多層消防服外層阻燃面料尚未達到熱解溫度，由此可知，多層服裝具備更穩定的熱防護性能。多層消防服的外層/防水透濕層、防水透濕層/隔熱層界面的平均溫度逐漸降低，表明兩層面料具備一定的隔熱性能。

消防服內表面平均溫度并非一直低于其他界面溫度。熱暴露0.5～2.8 s時，內表面溫度高于中間層界面溫度；熱暴露2.8～4.0 s，內表面溫度被外層/防水透濕層界面溫度反超，但仍高于防水透濕層/隔熱層界面的溫度。該結果表明：閃火初始階段，熱量主要從服裝外表面向內表面傳遞，同時從服裝內表面的開口部位向外部傳遞；當消防服各層面料儲存熱達到飽和時，服裝內外表面溫差最大的為大身部位，熱量主要從外環境向服裝內部傳遞，同時，從服裝內表面開口部位向大身部位傳遞。

4 結 語

本文基于燃燒假人系統及裸體假人燃燒試驗，利用傳熱傳質及流體動力學原理，建立了裸體假人CFD模型，然后對該模型進行驗證并應用于燃燒室內單層和多層消防服模型的建立及模擬，以探究消防服在閃火環境中對外部熱量的阻隔作用及傳熱機制。

由模擬結果可知，服裝的隔熱作用不僅取決于所采用阻燃面料的熱物理性能，同時會受到熱源環境、服裝開口和服裝層數等因素的影響。消防服對外環境向服裝內環境的傳遞具有一定的阻礙作用，且多層消防服裝隔熱作用更好。服裝界面及各層表面的溫度分布表明：服裝大身部位主要存在外環境向服裝內環境的熱傳遞；而在領部、袖口和腳口等服裝開口部位，由于火焰直接進入衣下空間，并且空氣對流加劇熱傳遞，導致服裝內環境溫度升高，因此，同時存在服裝外環境向內環境以及內環境向外環境的熱傳遞。單層及多層消防服各表面的平均溫度隨時間而變化的結果論證了服裝內外表面復雜的熱傳遞機制。由于消防服層間空氣層與燃燒室存在較大尺度差異，且服裝結構復雜，本研究尚未考慮層間空氣層的情況。此外，阻燃服裝在熱暴露過程中的降解同樣是影響傳熱過程的重要因素之一，未來有必要通過物理試驗和數值模擬相結合的方法開展深入研究。今后將繼續關注服裝開口對衣下微環境傳熱方式的影響，為消防服的優化設計提供理論依據。