火災溫度分布規律研究范文

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《消防科學與技術雜志》2015年第九期

隨著我國經濟的快速發展，電線電纜在國民經濟中的地位日趨重要。因電線短路、過負荷及電氣設備故障等原因引起的電線電纜火災的發生也呈逐步上升的趨勢，在造成重大經濟損失的同時，嚴重威脅著人們的生命安全。電纜系統是指其內部能夠容納較多電纜，且便于人員施工和巡視的相對封閉的地下通道，是典型的狹長受限空間。因此，研究狹長受限空間內火災時的溫度場分布規律及火災蔓延規律，對于發展防火保護技術、預防及控制電氣火災尤為重要。筆者以NFPA262－2002《通風控制空間內電線電纜火焰傳播與煙氣測試標準實驗方法》為依據，建立溫度場的數值模擬模型，進而研究爐內溫度場分布特性。在水平隧道爐中開展燃燒試驗，選取3種典型可燃物，研究不同可燃物作用下的溫度場分布特性。分析對比數值模擬結果和燃燒試驗數據，提出模型的優化調整方案，并建立溫度峰值擬合函數。

1工況設定

1．1模擬工況根據NFPA262規定，環境溫度23℃，空氣流速1．2m／s，管道初始溫度41℃，沿長度方向，四個壁面絕熱。空氣流從試驗箱左側面進入，右側面流出。在試驗箱底部靠左端有一33cm×33cm的正方形火源。根據GB4715－2005《點型感煙火災探測器》中對4種標準火源的規定，設計火源溫度為800、700、600、500、400℃，標記為工況1～工況5。

1．2輸入參數在FLUENT環境中選擇RNGk－ε湍流模型。火源的作用時間5min，時間步2s，計算步數150，計算時間300s。5min后將火源進口速度更改為0，關閉火源。

1．3輸出參數根據NFPA262要求，采集點A－O的瞬態溫度，測點位置如圖1所示。

1．4試驗火源選取依據美國UL標準、歐洲EN標準、國際ISO標準以及我國的國家標準，公認的標準試驗火有8種。在狹長受限空間內，選取的火源既應具有典型代表意義，也必須滿足在火災發展初期階段，火源種類不同的區分。綜上，選取聚氨脂塑料火、酒精火和汽油火作為試驗火源，材料的布置方式、點火方法和試驗開始與結束條件，均參照GB4715規定。1．5測點位置沿隧道爐長度方向，熱電偶位置與模擬中的溫度輸出點位置相同。在D－I采集面上劃分100mm×100mm的網格，在每個節點上布置熱電偶。熱電偶命名原則為其在矩陣中的相對位置，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據足以對整個剖面的溫度分布特性進行分析。

2數值模擬研究

2．1水平隧道爐建模及網格劃分在SolidWorks軟件下，繪制隧道爐空間結構。在進行溫度場分布規律研究時，主要分析試驗箱內部的溫度場分布特性。試驗箱內部長7620mm，寬451mm，高305mm，將該區域設定為模擬計算區域。

2．2水平隧道爐內溫度場數值模擬對不同火源溫度作用下的隧道爐內溫度場分布規律進行數值模擬。由結果可知，在一定火源溫度作用下，溫度場分布情況極為復雜，等溫面為形式各異的多面曲面。火源溫度會影響溫度場的擴散范圍和形狀，在縱斷面、水平斷面和橫斷面上均產生規律性的變化。在不同溫度作用下，溫度場隨時間發生變化，在火源作用的5min內，試驗箱中溫度迅速上升，溫度峰值隨著火源溫度的降低而降低。沿試驗箱長度方向，空間溫度逐漸降低。到300s時，熱氣流可作用在隧道爐的絕大部分區域內。隨著火源溫度的降低，熱氣流沿長度方向蔓延的趨勢加快。在關閉火源后，火源處的溫度急劇下降，空間內其他區域的溫度也呈下降趨勢，但下降幅度不明顯。當作用時間到達540s時，空間溫度變化趨于穩定。

2．3結果分析在火焰作用下，各測點的溫度迅速上升，沿燃燒試驗箱長度方向，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。關閉火源后，A點處溫度急劇下降，但穩定溫度明顯高于其他各測點。沿長度方向，距離火源越遠，各測點溫度受火源的影響越小。

3燃燒試驗研究

3．1試驗過程及現象描述在隧道爐中，分別對3種火源開展燃燒試驗，標記為工況6～工況8，記錄火焰持續時間和溫度數據：（1）工況6：聚氨脂塑料火，火焰持續507s；（2）工況7：酒精火，火焰持續261s；（3）工況8：汽油火，火焰持續357s。火源種類不同，火焰持續時間有明顯差異。固體火源的火焰持續時間較長，兩種液體火源的火焰持續時間相對較短，且差異不明顯。聚氨脂塑料火和酒精火的火光布滿了整個觀察窗，其火焰狀態受風速的影響不大。而汽油火在點燃的瞬間，火焰立即呈現出了隨空氣流偏移的趨勢。

3．2燃燒試驗結果分析

3．2．1聚氨脂塑料火在工況6作用下，各測點溫度在點火后迅速沿凸曲線的趨勢上升，到200s前后達到峰值，進而沿凹曲線下降。測點A溫度最高，到166s時可達到758℃。由于測點A布置在火源上方，A點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758℃。由溫度數據可知，A、B、C三點升溫較高，而J－N溫度升高不明顯。原因是上述5點距火源較遠，熱量在傳遞過程中有部分散失。J、N兩點并沒有出現溫度峰值，而是逐漸上升，因其布置在燃燒試驗箱底部，而熱量較多的聚集在空間上方，下部空間受熱對流作用較小。在D剖面上，D14、D23、D24三點的溫度變化趨勢基本一致，溫度峰值可在138s處達到251℃，該值在C、K兩點溫度峰值之間，足以證明沿隧道長度方向，距離火源越遠空間溫度值越低。D21、D13兩點的溫度變化趨勢一致，但D13在空間溫度分布穩定后的值為78℃，高于D剖面上任一點的溫度，可知熱氣流始終聚集在空間的上部。D15的最高溫度可達148℃，低于第一層其他各點的溫度，因其靠近燃燒試驗箱邊界，熱氣流主要沿空氣流動的方向向前涌動，對邊界處的影響小于對中心線上各點的影響。D31、D32兩點峰值最高達到100℃，遠小于D剖面上其他各點，因這兩點分布在第三層，位置相對較低，受熱流作用較小。E—I剖面上各點溫度亦呈分層變化趨勢，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點曲線的峰值溫度。

3．2．2酒精火工況7作用下，測點A、B變化趨勢一致，溫度最高可達到755℃。A點溫度可近似代表火源溫度，即酒精火的最高溫度可達755℃。在D剖面上，D13、D14、D21的溫度變化趨勢一致，其中D13在空間溫度分布穩定后的值為131℃，高于D剖面上任一點的溫度，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，測點B溫度最高，可達939℃。汽油火的火焰呈現出了沿環境氣流方向偏移的趨勢，因此B點溫度遠高于A點溫度，這一特點表現出了與上述兩種火源的差異。B點溫度可近似代表火源溫度，即汽油火的最高溫度可達939℃。A、B、C三點由于距離火源較近，其受熱對流作用明顯，而點J－N升溫不明顯，上述三種火源呈現出了一致的規律。在D—I剖面上，溫度分布呈現明顯的分層現象。達到穩定后，第一層測點溫度明顯高于第二層，且更高于第三層。針對特定火源，D－I剖面上對應點的溫度曲線變化趨勢一致。

4溫度規律特性分析

4．1數值模擬與實驗研究對比

4．1．1聚胺脂塑料火根據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，將數值模擬和試驗結果進行比對分析，見表1。由模擬結果可知，A－D點出現峰值溫度的時間逐漸延長，而在實體試驗中各測點出現峰值的時間大體上一致。比較峰值溫度，實測結果明顯高于模擬結果，這需要對模型輸入參數中的火源溫度進行相應調整。

4．1．2酒精火選用工況1近似表征酒精火的火源屬性，將數值模擬和試驗結果進行比對分析，見表2。比較峰值溫度，實測結果雖然仍高于模擬結果，但差異有所縮小，即增大火源溫度可使模擬結果更接近于實際測量值。在實體試驗中，火焰持續作用357s，這與模擬結果表現出了良好的一致性。

4．1．3汽油火選用工況1近似表征汽油火的火源屬性，對比數值模擬和實體試驗結果，見表3。比較峰值溫度，實測結果仍明顯高于模擬結果，需對模型輸入參數進行相應調整。且B點溫度明顯高于其他測點，這與數值模擬的結果明顯不同。

4．2擬合方程建立分別對三種火源在A－D剖面上的溫度峰值用Ori－gin軟件進行擬合，按照指數規律擬合效果最好，參數見表4。

5結論

（1）火源種類對狹長受限空間溫度場分布特性產生規律性的影響。空間內溫度場分布情況極為復雜，等溫面為形式各異的多面曲面；火源種類不同，燃燒持續時間不同；火源溫度會影響溫度場的擴散范圍和形狀；隨火源溫度降低，熱氣流沿長度方向蔓延的趨勢加快；沿隧道長度方向，距離火源越遠，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，最高溫度出現在空間的中上部，而非頂部。（2）FLUENT環境下建立的溫度場模型能夠反映酒精火的作用結果，通過參數調整、優化即可模擬其他典型可燃物燃燒時的空間溫度場。（3）不同種類火源的溫度峰值與測點到火源的距離呈指數規律，并通過回歸得出相應擬合方程。

作者：雷蕾 單位：中國人民武裝警察部隊學院