水雾与顶棚射流火焰相互作用的数值模拟分析*

王琳，孟子龙，梁天水

(1.西安市消防支队，陕西西安710075;2.郑州大学化工与能源学院，河南郑州450000)

水雾与顶棚射流火焰相互作用的数值模拟分析*

王琳1，孟子龙2，梁天水2

(1.西安市消防支队，陕西西安710075;2.郑州大学化工与能源学院，河南郑州450000)

∶针对隧道内重型车辆起火，在考虑不同起火高度的情况下，通过计算流体动力学软件Fluent对隧道火灾中形成的顶棚射流火焰的燃烧特性及其与水雾的相互作用进行了数值模拟研究。研究发现，在浮力卷吸的影响下，起火高度越低，烟气层厚度越厚;水雾可以有效地降低顶棚射流火焰温度，能够抑制火焰，但水雾受重力作用，在顶棚射流火焰中未完全蒸发的液滴将进入冷空气层，水雾的吸热作用并不能得到充分的发挥;水雾施加带来的湍流作用，引起了可燃蒸气与空气的混合，增加了烟气层厚度，这将会对人体造成致命的伤害，影响人员疏散。

∶顶棚射流火焰;水雾;数值模拟;隧道火灾

0 引言

当火源距离顶棚较近或者火源强度足够大时，自然扩散火焰容易直接撞击顶棚，沿顶棚水平传播并在顶棚下方继续燃烧，形成顶棚射流火焰。这一情形多出现在隧道火灾中［1-3］，并且很容易造成人员伤亡和巨大的经济损失。进入21世纪，随着人们对出行的便捷性提出越来越高的要求，以及为了缓解城市化进程过快带来的严重交通问题，铁路建设工程发展地越来越迅猛，地铁隧道、公路隧道等隧道工程的规模日益增大、数量日益增多。然而，隧道在发挥其自身功能的同时，由于其空间结构的特殊性，往往具有较高的火灾危险性，因此对隧道内顶棚射流火焰的研究具有重要意义。目前国内外学者对纯烟气羽流直接撞击顶棚的情况已有诸多研究，发现水雾不仅可以降低烟气温度，还可以洗刷碳烟颗粒，提高能见度［4-6］，但是对顶棚射流火焰的研究及其相关实验数据还很缺乏，且是在类似独头巷道的槽道中进行的［7-9］，这种情况与隧道相比差距较大。Hinkley等人对夹带火焰顶棚射流的研究表明，顶棚射流对空气的卷吸过程对顶棚射流火焰结构有重要影响［10］。

水是一种清洁髙效、环境友好、无毒无害的灭火介质。细水雾具有对环境无污染、灭火迅速、耗水量少和对防护对象破坏小等特点，己得到了国际火灾科学研究者的广泛关注和重视。目前，对细水雾灭火技术的研究主要是借助于数值模拟。

文中在考虑不同起火高度的情况下，采用计算流体动力学软件Fluent对顶棚射流火焰的燃烧特性及其与水雾的相互作用进行了数值模拟，分析了水雾抑制顶棚射流火焰的有效性。这不仅有助于预防和控制火灾的发展，还有利于提高控制和扑灭火灾的有效性和经济性，为细水雾系统设计提供指导。

图1 计算区域示意图Fig.1 Diagram of computational region

1 模型介绍

1.1 物理模型及边界条件设置

计算区域是一个沿x方向长30 m，沿y方向高5 m的面对称空间。模拟燃料入口宽1.0 m，燃料为正庚烷，进口速度为2.475×10-7m/s.图1为火源位置为地面和离地面3 m高时的模拟算例的几何示意图。喷头设置位置，如图1所示，边界长度及属性分别见表1和表2.

表1 起火高度为地面时模型的边界长度及属性Tab.1 Boundary condition，geometry dimension and mesh for floor fire situation m

表2 起火高度为离地面3 m高时模型的边界长度及属性Tab.2 Boundary condition，geometry dimension and mesh for fire source w ith 3 m height m

在火焰达到稳定燃烧状态后开始喷射水雾，喷头设置在距离顶棚0.2 m处，实心锥角为60°，从火源中心线位置处起每隔3 m设置一个，共设置11个，水雾为单分散相，粒径为300μm.释放的水雾温度为298 K，流量为0.005 kg/s，出口处液滴x轴向速度为-11.5～11.5 m/s，y轴向速度为-20 m/s.

网格划分见表1和表2，竖直方向由于梯度较大，采用较细的0.02m的网格，纵向由于梯度小于竖直方向，采用0.04 m的网格。

1.2 数学模型

火灾中燃烧流动现象［11］是一种伴随着物质和能量传递的三维、非定常湍流流动，在隧道火灾过程中的烟气运动受质量守恒定律、牛顿第二运动定律、能量守恒定律和组分输运守恒定律的控制。这些定律的数学描述构成了化学流体力学的基本方程组，再加上有浮力修正的湍流两方程模型，即构成烟气运动的封闭方程组［12］。

实际火灾中流动都是湍流，并且浮力对火灾过程有重要影响。浮力的作用既影响平均流场又影响湍流结构，从而影响流动参数(速度、温度和成分等)的空间分布及时间变化，因此，火灾过程的动力学模拟必须考虑湍流与浮力的相互影响［13］。不加水雾情况下选用的模型∶湍流模型选用有浮力修正的Realizable k-ε模型。Fluent提供的P1辐射模型［14］，该模型适用于计算流体与颗粒的辐射换热作用。湍流和化学反应的相互作用模型采用ED模型，该模型中化学反应受湍流控制。施加水雾时，除以上模型外，还添加了离散相模型，用于模拟液滴运动、吸热和蒸发。

图2 顶棚射流火焰温度分布Fig.2 Temperature distribution of ceiling jet flame

图3 火源中心线不同距离的温度随高度的变化曲线Fig.3 Change of temperature with height at fire source center line

2 结果与分析

2.1 不施加水雾的顶棚射流火焰温度分布

顶棚射流火焰的温度分布如图2所示，火源中心线不同距离的温度随高度的变化曲线，如图3所示。从图2可以看出，起火高度地面低时，烟气层较厚，这是因为浮力羽流卷吸了更多的冷空气。但是顶棚温度仍然较高，温度在火源上方明显高于起火高度为3 m的情况，如图3所示，这可能是因为卷吸的空气促进了可燃气体的燃烧，而起火高度为3 m时燃烧不充分，温度反而低于地面火源。

2.2 施加水雾后顶棚射流火焰的最高温度变化

图4为施加水雾后120 s内顶棚射流火焰的最高温度变化(该温度为计算区域内的最大温度值)。从图4可以看出，刚施加水雾时，水雾通过热容吸热和潜热吸热过程吸收大量的热量，使得顶棚射流火焰的温度迅速降低;但随后由于水雾施加的湍流作用促进了燃料蒸气和氧气的混合，因此最高温度出现了先降低后稍微升高的现象。地面火源情况下，最高温度升高的发生时间早于起火高位为3m时的情况，这是因为地面火源的烟气层厚度大，水雾吸热蒸发较为显著，湍流混合作用更为强烈。由于细水雾的吸热作用，火焰温度已经显著降低，在湍流作用下出现波动。起火高度为3 m时，由于顶棚的高温区域较薄，水雾与顶棚射流火焰相互作用的空间区域较与浮力火羽流作用的范围要小的多，水雾在顶棚射流火焰很快进入冷空气层，水雾的吸热和蒸发效果不显著;因此起火高度为3 m时最高温度下降较地面火源要缓慢。

2.3 水雾施加前后组分浓度变化

图5～图7分别给出了起火高度为3 m的顶棚射流火焰在水雾施加前后的O2摩尔分数、CO2摩尔分数及水蒸气摩尔分数的分布。从图中可以看出，隧道内组分分布分为上下2层，上层为由燃烧产物、水蒸气和卷吸空气组成的含氧量极低的热烟气层;下部为空气层。在施加水雾一段时间后，由于喷射水雾的蒸发，在燃烧区内产生了大量的水蒸气，水蒸气向燃烧产物和卷吸空气组成的热烟气层扩散并与之混合，降低了烟气中可燃物和氧气的摩尔分数，并随之一起向下运动，增加了烟气层的厚度。

图4 水雾施加后顶棚射流火焰最高温度变化Fig.4 Change ofmaximum temperature in flame after the application ofwatermist

图5 水雾施加前后O2摩尔分数分布Fig.5 Distribution of O2before and after the application ofwatermist

图6 水雾施加前后CO2摩尔浓度分布Fig.6 Distribution of CO2before and after the application ofwatermist

图7 水雾施加前后水蒸气的摩尔分数分布Fig.7 Distribution of water vapor before and after the application of watermist

可以看出，水雾施加导致烟气层降低，这将会对人体造成致命的伤害，影响人员疏散。从图中还可以看出，在水雾作用60 s时，水蒸气与CO2充满了隧道空间的一半。高浓度的水蒸气和CO2能够稀释氧气和燃料蒸气，从而降低燃烧速率，可以有效地抑制隧道火灾［14］。

3 结论

1)起火位置靠近顶棚时，形成的顶棚射流火焰充分发展后，高温区域都聚集在顶棚下方。但是，由于空气卷吸量小，燃烧不完全，起火高度较高时，顶棚射流火焰的最高温度较地面火源时要小，其烟气层厚度远小于地面火源所形成的顶棚射流火焰;

2)水雾施加的湍流作用会促进燃料蒸气和氧气的混合，使燃烧的区域扩大，火焰被抑制后温度在湍流作用下随时间发生波动。由于水雾与顶棚射流火焰的作用区域较小，水雾的吸热作用并不能得到充分的发挥;

3)水雾施加的湍流作用还会导致烟气层降低，这将会对人员疏散带来负面影响。

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Numerical simulation of the interaction between water m ist and the ceiling jet flame

WANG Lin1，MENG Zi-long2，LIANG Tian-shui2

(1.Xi’an Fire Brigade，Xi’an 710075，China; 2.School of Chemical Engineering and Energy，Zhengzhou University，Zhengzhou 450000，China)

∶This paper studied the combustion characteristics of ceiling jet flame and the interaction between watermistand ceiling jet flame in a tunnel fire through numerical simulation.Differentheightof fire source was considered.Itwas found that the lower the fire source height，the thicker the smoke layer because the effect of buoyancy entrainmentof flame.Watermist could effectively reduce the ceiling jet flame temperature，and could suppress the flame.Comparing with floor fire source，the effect of watermist decrease ceiling jet flamewas not so significantwhen fire sourcewas3m height，which is because the ceiling jet flame is thinner and the heat absorbing effect of water mist was not fully activated.The turbulence caused by watermist could enhance the mixture of flammable vapor and air，increased the thickness of smoke layer，and might cause fatal harm to occupant，so the ASET for evacuation was shorted.

∶ceiling jet flame;watermist;numerical simulation;tunnel fire

∶X 932

∶A

00/j.cnki.xakjdxxb.2015.0309

∶1672-9315(2015)03-0325-06

∶2015-02-10责任编辑∶刘洁

∶国家自然科学基金(51404215)

∶王琳(1980-)，女，陕西西安人，工程师，E-mail∶38287439@qq.com