PDF《横流作用下天然气火焰结构 分区及热参数研究》

第30卷 第 2期

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1 5年 4月 山东建筑大学学报JOURNALOFSHANDONGJIANZHUUNIVERSITYVol.

30No.2Apr.2015收稿日期:

2 0

1 4-

1 2-

1 3 基金项目: 国家自然科学基金项目(

5 1

1 0

8 2

5 4 ) ;

山东省自然科学基金项目( Z R

2 0

0 9 F Q

0 0

8 ) 作者简介: 徐琳(

1 9

7 9- ) , 女, 副教授, 博士, 主要从事隧道通风防灾等方面的研究. E m a i l : x l z x q @s o h u . c o m 文章编号:

1 6

7 3-

7 6

4 4 (

2 0

1 5 )

0 2-

0 1

1 0-

0 6 横流作用下天然气火焰结构 分区及热参数研究 徐琳1 ,

2 ,

3 , 常健1 (

1 .山东建筑大学 热能工程学院, 山东 济南

2 5

0 1

0 1 ;

2 .山东建筑大学 可再生能源建筑利用技术省部共建教育 部重点实验室, 山东 济南

2 5

0 1

0 1 ;

3 .山东建筑大学 山东省可再生能源建筑应用技术重点实验室, 山东 济南

2 5

0 1

0 1 ) 摘要: 集中排烟隧道具有纵向通风和集中排烟等优点.随着交通运输业的不断发展, 集中排烟隧道已广泛应用 于长大隧道设计中, 隧道内火源局部热参数的变化规律研究一直是人们关注的焦点.文章基于集中排烟隧道 系统设计, 围绕火源局部热参数, 针对天然气火灾, 通过数值模拟研究, 探索

1 5种工况横流作用下火羽流轴线 偏移轨迹、 火焰结构分区及顶板下方烟气最大温升.结果表明: 模拟火焰与自由火焰结构的分区规律类似, 但 分区转折点随火灾强度增大而减小;

等效风速对火羽流轴线温升有显著影响;

引入风速修正, 回归整理可得到

3 个分区轴线温升的无量纲准则关联式;

顶板下方烟气最大温升随等效风速增大而减小, 且模拟结果与实验结果 的变化规律具有相似性. 关键词: 横流;

天然气火焰;

分区;

火羽流轴线;

温升 中图分类号: U

4 5

3 .

5 s 文献标识码: A S t u d yo ns t r u c t u r ep a r t i t i o na n dt h e r ma l p a r a me t e r s o f n a t u r a l g a s f l a meu n d e rt h ei n f l u e n c eo f c r o s s w i n d X uL i n

1 ,

2 ,

3 ,C h a n gJ i a n

1 (

1 .S c h o o lo fT h e r m a lE n g i n e e r i n g ,S h a n d o n gJ i a n z h uU n i v e r s i t y ,J i n a n2

5 0

1 0

1 ,C h i n a ;

2 .K e yL a b o r a t o r yo f R e n e w a b l eE n e r g yU t i l i z a t i o nT e c h n o l o g i e si nB u i l d i n g ,M i n i s t r yo f E d u c a t i o n ,S h a n d o n gJ i a n z h uU n i v e r s i t y ,J i n a n

2 5

0 1

0 1 ,C h i n a ;

3 .K e yL a b o r a t o r yo f R e n e w a b l eE n e r g yU t i l i z a t i o nT e c h n o l o g i e si nB u i l d i n g ,S h a n d o n gP r o v i n c e , S h a n d o n gJ i a n z h uU n i v e r s i t y ,J i n a n2

5 0

1 0

1 ,C h i n a ) A b s t r a c t :T h ec e n t r a l s m o k ee x t r a c t i o ns y s t e mi s o f t e nb r o u g h t i n t ot h et u n n e l d e s i g nb e c a u s eo f t h e a d v a n t a g e so fb o t h t h e l o n g i t u d i n a lv e n t i l a t i o n a n d c e n t r a ls m o k e e x t r a c t i o n s y s t e m w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f t r a n s p o r t a t i o n .T h ew a yo f m a s t e r i n gt h ec h a n g er u l eo f t h e r m a l p a r a m e t e r sw a st h e f o c u s o f a t t e n t i o n .B a s e do nt h ed e s i g no f ah i g h w a yt u n n e l w i t hc e n t r a l s m o k ee x t r a c t i o ns y s t e m s , n a t u r eg a s f i r eh a s b e e ns i m u l a t e dt oe v a l u a t et h et r a j e c t o r ya n ds t r u c t u r ep a r t i t i o no f t h ef i r ep l u m e a n dt h em a x i m u mt e m p e r a t u r er i s eo f s m o k eu n d e r n e a t ht u n n e l c e i l i n g .3k i n d so f h e a t r e l e a s er a t e a n d5k i n d so f e q u i v a l e n t v e l o c i t ya r ec h o s e ni nt h es t u d y .A c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ,t h es t r u c t u r e p a r t i t i o no f s i m u l a t i o nf l a m e i s s i m i l a r w i t ht h a t o f f r e e f l a m e . H o w e v e r , t h e t u r n i n g p o i n t o f s i m u l a t i o n f l a m e d e c r e a s e s w i t ht h e a u g m e n t o f h e a t r e l e a s e r a t e . F u r t h e r m o r e , t h e e q u i v a l e n t v e l o c i t y h a s a g r e a t i n f l u e n c eo nt h et e m p e r a t u r er i s eo f f i r ep l u m ea x i s w i t ht h ei n c r e a s eo f h e a t r e l e a s er a t e .I n t r o d u c e d 第 2期 徐琳等: 横流作用下受限天然气火焰结构分区及热参数研究

1 1

1 w i n ds p e e dm o d i f i e d ,t h ed i m e n s i o n l e s s f o r m u l a eo f t e m p e r a t u r eo f f i r ep l u m ea x i s f o r a p p l i c a t i o nu s e a r eg i v e no u t .T h em a x i m u mt e m p e r a t u r er i s ed e c r e a s e s w i t ht h ea u g m e n t o f e q u i v a l e n t v e l o c i t y ,a n d t h ec h a n g er u l eo f s i m u l a t i o nr e s u l t s a r es i m i l a r t ot h ep r e v i o u s e x p e r i m e n t s r e s u l t s . K e yw o r d s :c r o s s w i n d ;

n a t u r eg a s f l a m e ;

p a r t i t i o n ;

f i r ep l u m ea x i s ;

t e m p e r a t u r er i s e

0 引言 近年来, 公路隧道建设日益兴起, 隧道通风排烟 系统的选择成为人们关注的焦点.为了维持高温烟 气的自然沉降, 以达到良好的烟气控制效果, 集中排 烟系统正逐步代替纵向通风系统成为设计人员的首 选.集中排烟模式( 如图 1所示) 兼顾纵向通风、 局 部排烟等优点, 通过开启火源周围大尺度排风口配 合射流风机就近将烟气排出隧道, 以最大程度降低 对行车空间的影响, 应用极为广泛.针对纵向通风 系统的研究, H u 等利用 F D S 模拟分析了 C O浓度的 纵向分布规律, 并搭建模型试验台实测隧道顶板下 方烟气的最大温度[

1 ] ;

I n g a s o n等以木垛为火源, 搭 建模型试验台, 实测纵向风速作用下烟气温度分布 规律[

2 ] ;

王震等通过建立烟气逆流两区域模型, 分 析隧道内烟气扩散规律[

3 ] ;

易亮等通过缩尺模型试 验实测顶板下方烟气最高温度随火灾强度及纵向风 速的变化规律[

4 ] ;

李颖臻利用理论分析与模型试验 相结合的方法, 研究含救援站的特长隧道内火灾特 性及烟气控制机理[

5 ] ;

赵红莉等通过建立理论模 型, 研究一定坡度隧道内烟气温度纵向衰减规律[

6 ] .吴小华等通过 C F D模拟, 研究不同风阀开启 条件下隧道内烟气蔓延规律[

7 ] .针对集中排烟系 统, 已有的研究成果多围绕 3个风口(

1 # 、

2 # 、

3 # ) 内 火灾烟气控制问题, 而对火源局部热参数的研究则 较少, 这与火源设置、 火焰本身结构特点密切相 关[

8 ] .而针对纵向通风系统的研究成果是否适用 于集中排烟系统也值得讨论.为此, 文章结合某集 中排烟隧道设计参数, 以燃气气源为研究对象, 利用 F L U E N T详细预测横流作用下火焰偏转、 受限发展、 结构分区等变化, 进而预测顶板下方烟气最大温升 随横流风速、 火灾强度的变化规律. 图1隧道集中排烟系统及计算模型示意图/ m ( a )隧道集中排烟系统;

( b )计算模型纵断面;

( c )计算模型横断面

1 物理模型的确定

1 .

1 计算模型 如图

1 ( a ) 所示, 在射流风机送风, 排烟风机排 烟综合作用下, 火源上游形成一等效风流, 直接影响 火源发展及其结构特点.为了更好地分析火焰结 构, 提高计算精度, 由图

1 ( a ) 中提取火源局部区域 作为计算区域, 将其抽象为横流作用下火羽流偏转 受限发展问题, 计算模型如图

1 ( b ) 、 ( c ) 所示.

1 .

2 火源设置 已往研究人员会考虑隧道内油池着火, 很少涉

1 1

2 山东建筑大学学报2015年 及燃气火源, 而隧道火灾事故统计中也不乏液化气 罐车燃烧爆炸案例.本次模拟考虑隧道中心断面地 板上布置有多孔燃烧床( 4m*

1 . 5m ) , 燃烧床位置 如图

1 ( b ) 、 ( c ) 所示.以天然气为燃料, 甲烷/ 空气 质量比为

1 :

7 .

7 6 .模拟中调节燃料消耗量以考虑

3 、 6和9M W 三种火灾强度变化.

1 .

3 等效风速 为了便于分析, 取等效风流速度平均值定义为 等效风速 V , 结合火灾强度变化, 模拟考虑等效风速 V取1.

5、2.

0、2.

5、3.0和

3 . 5m/ s 五种工况变化. 每种火灾的强度(

3 、 6和9M W) 分别对应五种等效 风速, 共计

1 5种模拟工况.

1 .

4 网格的绘制 计算区域采用非均匀网格划分, 近火源温度梯 度变化大的区域布置密集网格, 远离火源温度梯度 变化小的区域布置稀疏网格, 首次网格划分后依次 增加 x 、 y 、 z 轴网格数目

5 0 %, 在保证火灾强度、 等效 风速相同情况下, 观察顶板下方烟气最大温升.当 两者最小差值小于

0 . 1℃时, 网格划分结束, 共计

4 3

8 2

5 4个网格.

2 控制方程的建立及边界条件的确定

2 .

1 控制方程的建立 模拟计算考虑甲烷两步燃烧反应, 由反应式 (

1 ) 表示为 C H 4+

1 .

5 O

2 →C O+

2 H

2 O

2 C O+ O

2 2 C O {

2 (

1 ) 模拟火灾还涉及紊流、 传热等多项流动过程, 计 算时选择浮力修正 κ-ε模型, 在 κ方程中引入浮 力源项 G b反应浮力造成的湍流削弱效应, 同时在 ε 方程中增大 ε产生项, 进一步突出浮力作用[

9 -

1 0 ] . 鉴于计算对象尺度范围较大, 辐射模型采用相对简 单的 D T R M模型, 通过跟踪射线数目和调整网格疏 密程度提高计算精度.控制方程组由式(

2 ) ........