火災(zāi)溫度分布規(guī)律研究范文

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《消防科學(xué)與技術(shù)雜志》2015年第九期

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電線電纜在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位日趨重要。因電線短路、過(guò)負(fù)荷及電氣設(shè)備故障等原因引起的電線電纜火災(zāi)的發(fā)生也呈逐步上升的趨勢(shì)，在造成重大經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，嚴(yán)重威脅著人們的生命安全。電纜系統(tǒng)是指其內(nèi)部能夠容納較多電纜，且便于人員施工和巡視的相對(duì)封閉的地下通道，是典型的狹長(zhǎng)受限空間。因此，研究狹長(zhǎng)受限空間內(nèi)火災(zāi)時(shí)的溫度場(chǎng)分布規(guī)律及火災(zāi)蔓延規(guī)律，對(duì)于發(fā)展防火保護(hù)技術(shù)、預(yù)防及控制電氣火災(zāi)尤為重要。筆者以NFPA262－2002《通風(fēng)控制空間內(nèi)電線電纜火焰?zhèn)鞑ヅc煙氣測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法》為依據(jù)，建立溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬模型，進(jìn)而研究爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布特性。在水平隧道爐中開展燃燒試驗(yàn)，選取3種典型可燃物，研究不同可燃物作用下的溫度場(chǎng)分布特性。分析對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果和燃燒試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出模型的優(yōu)化調(diào)整方案，并建立溫度峰值擬合函數(shù)。

1工況設(shè)定

1．1模擬工況根據(jù)NFPA262規(guī)定，環(huán)境溫度23℃，空氣流速1．2m／s，管道初始溫度41℃，沿長(zhǎng)度方向，四個(gè)壁面絕熱?？諝饬鲝脑囼?yàn)箱左側(cè)面進(jìn)入，右側(cè)面流出。在試驗(yàn)箱底部靠左端有一33cm×33cm的正方形火源。根據(jù)GB4715－2005《點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測(cè)器》中對(duì)4種標(biāo)準(zhǔn)火源的規(guī)定，設(shè)計(jì)火源溫度為800、700、600、500、400℃，標(biāo)記為工況1～工況5。

1．2輸入?yún)?shù)在FLUENT環(huán)境中選擇RNGk－ε湍流模型?；鹪吹淖饔脮r(shí)間5min，時(shí)間步2s，計(jì)算步數(shù)150，計(jì)算時(shí)間300s。5min后將火源進(jìn)口速度更改為0，關(guān)閉火源。

1．3輸出參數(shù)根據(jù)NFPA262要求，采集點(diǎn)A－O的瞬態(tài)溫度，測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。

1．4試驗(yàn)火源選取依據(jù)美國(guó)UL標(biāo)準(zhǔn)、歐洲EN標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際ISO標(biāo)準(zhǔn)以及我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)火有8種。在狹長(zhǎng)受限空間內(nèi)，選取的火源既應(yīng)具有典型代表意義，也必須滿足在火災(zāi)發(fā)展初期階段，火源種類不同的區(qū)分。綜上，選取聚氨脂塑料火、酒精火和汽油火作為試驗(yàn)火源，材料的布置方式、點(diǎn)火方法和試驗(yàn)開始與結(jié)束條件，均參照GB4715規(guī)定。1．5測(cè)點(diǎn)位置沿隧道爐長(zhǎng)度方向，熱電偶位置與模擬中的溫度輸出點(diǎn)位置相同。在D－I采集面上劃分100mm×100mm的網(wǎng)格，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上布置熱電偶。熱電偶命名原則為其在矩陣中的相對(duì)位置，如D剖面上熱電偶分別命名為D13、D14、D15、D21、D23、D24、D31、D32，該8只熱電偶所采集的數(shù)據(jù)足以對(duì)整個(gè)剖面的溫度分布特性進(jìn)行分析。

2數(shù)值模擬研究

2．1水平隧道爐建模及網(wǎng)格劃分在SolidWorks軟件下，繪制隧道爐空間結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行溫度場(chǎng)分布規(guī)律研究時(shí)，主要分析試驗(yàn)箱內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布特性。試驗(yàn)箱內(nèi)部長(zhǎng)7620mm，寬451mm，高305mm，將該區(qū)域設(shè)定為模擬計(jì)算區(qū)域。

2．2水平隧道爐內(nèi)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬對(duì)不同火源溫度作用下的隧道爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬。由結(jié)果可知，在一定火源溫度作用下，溫度場(chǎng)分布情況極為復(fù)雜，等溫面為形式各異的多面曲面?；鹪礈囟葧?huì)影響溫度場(chǎng)的擴(kuò)散范圍和形狀，在縱斷面、水平斷面和橫斷面上均產(chǎn)生規(guī)律性的變化。在不同溫度作用下，溫度場(chǎng)隨時(shí)間發(fā)生變化，在火源作用的5min內(nèi)，試驗(yàn)箱中溫度迅速上升，溫度峰值隨著火源溫度的降低而降低。沿試驗(yàn)箱長(zhǎng)度方向，空間溫度逐漸降低。到300s時(shí)，熱氣流可作用在隧道爐的絕大部分區(qū)域內(nèi)。隨著火源溫度的降低，熱氣流沿長(zhǎng)度方向蔓延的趨勢(shì)加快。在關(guān)閉火源后，火源處的溫度急劇下降，空間內(nèi)其他區(qū)域的溫度也呈下降趨勢(shì)，但下降幅度不明顯。當(dāng)作用時(shí)間到達(dá)540s時(shí)，空間溫度變化趨于穩(wěn)定。

2．3結(jié)果分析在火焰作用下，各測(cè)點(diǎn)的溫度迅速上升，沿燃燒試驗(yàn)箱長(zhǎng)度方向，升溫速率減慢。隨火源溫度的降低，各工況下的溫度峰值逐漸降低。關(guān)閉火源后，A點(diǎn)處溫度急劇下降，但穩(wěn)定溫度明顯高于其他各測(cè)點(diǎn)。沿長(zhǎng)度方向，距離火源越遠(yuǎn)，各測(cè)點(diǎn)溫度受火源的影響越小。

3燃燒試驗(yàn)研究

3．1試驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象描述在隧道爐中，分別對(duì)3種火源開展燃燒試驗(yàn)，標(biāo)記為工況6～工況8，記錄火焰持續(xù)時(shí)間和溫度數(shù)據(jù)：（1）工況6：聚氨脂塑料火，火焰持續(xù)507s；（2）工況7：酒精火，火焰持續(xù)261s；（3）工況8：汽油火，火焰持續(xù)357s。火源種類不同，火焰持續(xù)時(shí)間有明顯差異。固體火源的火焰持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，兩種液體火源的火焰持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，且差異不明顯。聚氨脂塑料火和酒精火的火光布滿了整個(gè)觀察窗，其火焰狀態(tài)受風(fēng)速的影響不大。而汽油火在點(diǎn)燃的瞬間，火焰立即呈現(xiàn)出了隨空氣流偏移的趨勢(shì)。

3．2燃燒試驗(yàn)結(jié)果分析

3．2．1聚氨脂塑料火在工況6作用下，各測(cè)點(diǎn)溫度在點(diǎn)火后迅速沿凸曲線的趨勢(shì)上升，到200s前后達(dá)到峰值，進(jìn)而沿凹曲線下降。測(cè)點(diǎn)A溫度最高，到166s時(shí)可達(dá)到758℃。由于測(cè)點(diǎn)A布置在火源上方，A點(diǎn)溫度可近似代表火源溫度，即聚氨脂塑料火的最高溫度可達(dá)758℃。由溫度數(shù)據(jù)可知，A、B、C三點(diǎn)升溫較高，而J－N溫度升高不明顯。原因是上述5點(diǎn)距火源較遠(yuǎn)，熱量在傳遞過(guò)程中有部分散失。J、N兩點(diǎn)并沒(méi)有出現(xiàn)溫度峰值，而是逐漸上升，因其布置在燃燒試驗(yàn)箱底部，而熱量較多的聚集在空間上方，下部空間受熱對(duì)流作用較小。在D剖面上，D14、D23、D24三點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)基本一致，溫度峰值可在138s處達(dá)到251℃，該值在C、K兩點(diǎn)溫度峰值之間，足以證明沿隧道長(zhǎng)度方向，距離火源越遠(yuǎn)空間溫度值越低。D21、D13兩點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)一致，但D13在空間溫度分布穩(wěn)定后的值為78℃，高于D剖面上任一點(diǎn)的溫度，可知熱氣流始終聚集在空間的上部。D15的最高溫度可達(dá)148℃，低于第一層其他各點(diǎn)的溫度，因其靠近燃燒試驗(yàn)箱邊界，熱氣流主要沿空氣流動(dòng)的方向向前涌動(dòng)，對(duì)邊界處的影響小于對(duì)中心線上各點(diǎn)的影響。D31、D32兩點(diǎn)峰值最高達(dá)到100℃，遠(yuǎn)小于D剖面上其他各點(diǎn)，因這兩點(diǎn)分布在第三層，位置相對(duì)較低，受熱流作用較小。E—I剖面上各點(diǎn)溫度亦呈分層變化趨勢(shì)，且各剖面上的峰值溫度逐漸減小，其中I剖面上的峰值溫度為156℃，高于K點(diǎn)曲線的峰值溫度。

3．2．2酒精火工況7作用下，測(cè)點(diǎn)A、B變化趨勢(shì)一致，溫度最高可達(dá)到755℃。A點(diǎn)溫度可近似代表火源溫度，即酒精火的最高溫度可達(dá)755℃。在D剖面上，D13、D14、D21的溫度變化趨勢(shì)一致，其中D13在空間溫度分布穩(wěn)定后的值為131℃，高于D剖面上任一點(diǎn)的溫度，可知熱氣流始終聚集在空間上部。

3．2．3汽油火工況8作用下，測(cè)點(diǎn)B溫度最高，可達(dá)939℃。汽油火的火焰呈現(xiàn)出了沿環(huán)境氣流方向偏移的趨勢(shì)，因此B點(diǎn)溫度遠(yuǎn)高于A點(diǎn)溫度，這一特點(diǎn)表現(xiàn)出了與上述兩種火源的差異。B點(diǎn)溫度可近似代表火源溫度，即汽油火的最高溫度可達(dá)939℃。A、B、C三點(diǎn)由于距離火源較近，其受熱對(duì)流作用明顯，而點(diǎn)J－N升溫不明顯，上述三種火源呈現(xiàn)出了一致的規(guī)律。在D—I剖面上，溫度分布呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。達(dá)到穩(wěn)定后，第一層測(cè)點(diǎn)溫度明顯高于第二層，且更高于第三層。針對(duì)特定火源，D－I剖面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度曲線變化趨勢(shì)一致。

4溫度規(guī)律特性分析

4．1數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究對(duì)比

4．1．1聚胺脂塑料火根據(jù)GB4715，聚氨脂塑料火的火焰溫度為310～415℃，用工況5近似表征聚氨脂塑料火的火源屬性，將數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，見表1。由模擬結(jié)果可知，A－D點(diǎn)出現(xiàn)峰值溫度的時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，而在實(shí)體試驗(yàn)中各測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)峰值的時(shí)間大體上一致。比較峰值溫度，實(shí)測(cè)結(jié)果明顯高于模擬結(jié)果，這需要對(duì)模型輸入?yún)?shù)中的火源溫度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

4．1．2酒精火選用工況1近似表征酒精火的火源屬性，將數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，見表2。比較峰值溫度，實(shí)測(cè)結(jié)果雖然仍高于模擬結(jié)果，但差異有所縮小，即增大火源溫度可使模擬結(jié)果更接近于實(shí)際測(cè)量值。在實(shí)體試驗(yàn)中，火焰持續(xù)作用357s，這與模擬結(jié)果表現(xiàn)出了良好的一致性。

4．1．3汽油火選用工況1近似表征汽油火的火源屬性，對(duì)比數(shù)值模擬和實(shí)體試驗(yàn)結(jié)果，見表3。比較峰值溫度，實(shí)測(cè)結(jié)果仍明顯高于模擬結(jié)果，需對(duì)模型輸入?yún)?shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。且B點(diǎn)溫度明顯高于其他測(cè)點(diǎn)，這與數(shù)值模擬的結(jié)果明顯不同。

4．2擬合方程建立分別對(duì)三種火源在A－D剖面上的溫度峰值用Ori－gin軟件進(jìn)行擬合，按照指數(shù)規(guī)律擬合效果最好，參數(shù)見表4。

5結(jié)論

（1）火源種類對(duì)狹長(zhǎng)受限空間溫度場(chǎng)分布特性產(chǎn)生規(guī)律性的影響?？臻g內(nèi)溫度場(chǎng)分布情況極為復(fù)雜，等溫面為形式各異的多面曲面；火源種類不同，燃燒持續(xù)時(shí)間不同；火源溫度會(huì)影響溫度場(chǎng)的擴(kuò)散范圍和形狀；隨火源溫度降低，熱氣流沿長(zhǎng)度方向蔓延的趨勢(shì)加快；沿隧道長(zhǎng)度方向，距離火源越遠(yuǎn)，空間溫度值越低，其變化受火源的影響越小；在橫斷面上，曲線分層布置，最高溫度出現(xiàn)在空間的中上部，而非頂部。（2）FLUENT環(huán)境下建立的溫度場(chǎng)模型能夠反映酒精火的作用結(jié)果，通過(guò)參數(shù)調(diào)整、優(yōu)化即可模擬其他典型可燃物燃燒時(shí)的空間溫度場(chǎng)。（3）不同種類火源的溫度峰值與測(cè)點(diǎn)到火源的距離呈指數(shù)規(guī)律，并通過(guò)回歸得出相應(yīng)擬合方程。

作者：雷蕾 單位：中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院