摘要：在3.5 m×3 m的小室內(nèi)，采用煤油模擬油池火，進(jìn)行細(xì)水霧滅火模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)luent能很好的模擬水滴與高溫?zé)煔獾南嗷プ饔谩?/p>

　　關(guān)鍵詞：安保職稱論文發(fā)表,核心期刊論文發(fā)表,細(xì)水霧,通風(fēng)條件,滅火效果,Fluent

　　1. 研究背景

　　細(xì)水霧滅火技術(shù)具有無(wú)環(huán)境污染、滅火迅速、用水量少、對(duì)防護(hù)對(duì)象破壞小、有效沖刷煙氣等熱點(diǎn)。目前被公認(rèn)為哈龍系列滅火劑的主要替代品。自1987年蒙特利爾公約簽訂以來(lái)，細(xì)水霧滅火技術(shù)受到世界各國(guó)的重視，已成為當(dāng)今國(guó)際滅火安全技術(shù)前沿的研究熱點(diǎn)之一[1] 。

　　近年來(lái)，計(jì)算機(jī)模擬方法已經(jīng)成為研究火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展規(guī)律的重要手段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和湍流燃燒理論的完善，計(jì)算流體力學(xué)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于細(xì)水霧滅火研究中。本文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent對(duì)小室內(nèi)火災(zāi)在水噴淋存在的情況下的變化規(guī)律進(jìn)行研究，分析室內(nèi)溫度場(chǎng)和組分濃度變化情況。

　　2. 水滴與火羽流的相互作用分析

　　細(xì)水霧滅火是一個(gè)及其復(fù)雜的過(guò)程，滅火過(guò)程中水滴與火羽流的相互作用主要有四個(gè)方面

　　(1)動(dòng)量相互作用，水噴霧能改變火焰的氣流形式，從而改變氣流結(jié)構(gòu)、熱以及物質(zhì)傳遞特性，細(xì)水霧作用于火焰后，發(fā)生動(dòng)量轉(zhuǎn)換，火焰受到細(xì)水霧的劇烈擾動(dòng)，被撕裂或拉長(zhǎng)，使火焰的強(qiáng)度減小、穩(wěn)定性降低，而易于熄滅;

　　(2)熱相互作用，當(dāng)水霧噴入火焰區(qū)時(shí)，由于水霧的表面積很大，它會(huì)吸收來(lái)自火焰的熱量，使其溫度升高，并發(fā)生氣化，大量水霧的升溫—氣化將吸收大量的熱量，使火焰溫度大大降低;

　　(3)稀釋一隔氧作用，當(dāng)細(xì)水霧在火焰高溫區(qū)蒸發(fā)時(shí)，水蒸汽將沿著與火焰中O2輸運(yùn)方向相反的方向擴(kuò)散，在兩者相向擴(kuò)散的過(guò)程中相遇并混合，使O2濃度降低，從而起到抑制火焰的作用，水霧氣化產(chǎn)生的水蒸汽也能稀釋液態(tài)燃料蒸發(fā)產(chǎn)生的燃料蒸汽，抑制燃料的燃燒。另外，細(xì)水霧氣化產(chǎn)生的大量水蒸汽因擴(kuò)散滯后，在火焰外表面形成一個(gè)惰性氣體外殼，阻止燃料和氧氣的接觸，從而抑制其燃燒。

　　(4)熱輻射的減弱，細(xì)水霧及其蒸汽吸收高溫火焰的輻射熱，使火焰對(duì)燃燒物的熱輻射降低.另外，由于水蒸汽的大熱容量和細(xì)水霧的巨大比表面積，提高了對(duì)火焰的冷卻效果，也使火焰對(duì)燃燒物表面的熱輻射降低。水有吸收熱輻射的能力，在滅火過(guò)程中，水霧極其迅速的蒸發(fā)，產(chǎn)生高強(qiáng)度的吸熱屏障，遮斷熱輻射的傳遞，降低對(duì)燃料的熱反饋。Coppalle等人對(duì)水霧減弱熱輻射進(jìn)行了研究。假設(shè)衰減作用是由吸熱和散射共同作用的結(jié)果(很大程度上是散射)。以溫度為1300℃的黑體作為火源(最大輻射波長(zhǎng)λ=1.93 m)，其能量的輻射波長(zhǎng)在1 m～10 m之間。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：霧滴直徑和最大發(fā)射波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)相同時(shí)，水霧衰減輻射能力最強(qiáng)。

　　除此之外，加了添加劑的細(xì)水霧在滅火過(guò)程中還對(duì)火焰有化學(xué)抑制作用[2, 3] ，其化學(xué)抑制作用主要有異相化學(xué)反應(yīng)機(jī)制與均相化學(xué)反應(yīng)機(jī)制[4] 。研究表明，房間的通風(fēng)狀況不僅影響火場(chǎng)的燃燒，而且直接影響細(xì)水霧的滅火作用[5-9] ，因此本文主要研究在其它因素不變的情況下，通風(fēng)因子變化時(shí)，水霧啟動(dòng)時(shí)間、火焰形狀和滅火時(shí)間的變化情況。

　　3. 數(shù)學(xué)模型

　　單室火災(zāi)是一個(gè)包括湍流流動(dòng)、燃燒及輻射換熱的非常復(fù)雜的過(guò)程。噴入的離散相水霧與熱煙氣的相互作用，是一個(gè)典型的兩相流過(guò)程，兩相之間通過(guò)交換質(zhì)量、動(dòng)量和能量相互影響。作者使用Finite.rate/Eddy.dissipation模型模擬氣相湍流燃燒，使用帶浮力修正的RNG k-ε模型模擬燃燒過(guò)程中的湍流運(yùn)動(dòng)，使用P1模型計(jì)算輻射換熱，壁面函數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。計(jì)算區(qū)域采用GAMBIT軟件生成的二維四邊形網(wǎng)格劃分。模擬的火災(zāi)場(chǎng)景為小室側(cè)壁處發(fā)生火災(zāi)后生成的熱煙氣與頂棚噴頭釋放出的細(xì)水霧相互作用的過(guò)程。

　　4. 邊界條件與初始條件

　　設(shè)置兩種邊界條件，即壁面邊界條件及入口邊界條件。

　　4.1 壁面邊界條件

　　小室中所有壁面假設(shè)為絕熱固壁，外流溫度為300 K，流系數(shù)為5W /K·m2。

　　4.2 入口邊界條件

　　入口邊界條件設(shè)置燃料入口和空氣入口，燃料入口溫度為850K，設(shè)為質(zhì)量流率進(jìn)口，質(zhì)量流率取0.05kg/s。空氣入口設(shè)為速度進(jìn)口，進(jìn)口速度為1m/s，溫度為300K。

　　4.3 初始條件

　　全場(chǎng)的初始條件：壓力為1.01×105 Pa，初始流場(chǎng)速度為0，溫度為300 K。

　　使用氣體的體積燃燒化學(xué)反應(yīng)(volumetric reaction)模型，湍流與化學(xué)反應(yīng)的相互作用為Finite-rate/Eddy.dissipation模型。燃料為煤油，生成產(chǎn)物為二氧化碳和水蒸氣。輻射模型使用P1模型，因?yàn)樗�適用于顆粒狀物質(zhì)與流體的輻射換熱。火災(zāi)場(chǎng)景如圖1所示，生成均勻四邊形網(wǎng)格，為了保證計(jì)算速度和精度，取網(wǎng)格尺寸為0.05 m，即圖中每個(gè)小方格的尺寸為0.05×0.05。

　　使用非穩(wěn)態(tài)求解器，為了保證計(jì)算速度和精度，時(shí)間步長(zhǎng)取為0.1s，火災(zāi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后開始向腔室內(nèi)噴射水霧，分析了霧滴在腔室中的運(yùn)動(dòng)及其與火源的相互作用。噴嘴離左端墻壁2 m，離地2.7 m，實(shí)心錐角為60°。在這種布局下，研究了火場(chǎng)中不同粒徑粒子的運(yùn)動(dòng)特性，離散相設(shè)置為Fluent提供的group模型，假設(shè)噴嘴釋放的水霧液滴粒徑滿足Rossin-Rammler分布，顆粒直徑最小為0.01mm，最大為0.1mm，平均粒徑0.04mm，并打開聚合、破碎模型。釋放的水霧溫度為300 K，流量0.05 kg·s，出口處液滴軸向速度為-12.5～12.5 m/s，軸向速度為-22 m/s。火災(zāi)發(fā)生后10 s，火場(chǎng)基本達(dá)到穩(wěn)定，這時(shí)噴嘴開始響應(yīng)。

　　5. 結(jié)果與討論

　　5.1 溫度場(chǎng)變化

　　由圖可知，施加了水霧以后，由于燃燒的熱煙氣有一個(gè)向右的推力，使水蒸氣主要存在于右側(cè)，故隨著時(shí)間的推移，右側(cè)溫度降低較快，左側(cè)由于火源的不斷放熱，而水滴的冷卻能力有限，故模擬最后仍存在一個(gè)墻壁羽流。

　　5.2 水滴分布情況

　　由圖可知，細(xì)水霧在由噴嘴噴出以后，在高溫的條件下，粒徑較小的水滴蒸發(fā)，粒徑較大的水滴隨著右邊空氣入口來(lái)的空氣向左運(yùn)動(dòng)。

　　6. 結(jié)論

　　Fluent可以用于模擬火災(zāi)與水霧的相互作用，在高溫區(qū)域水滴蒸發(fā)而使溫度降低，模擬仍有一些地方的問(wèn)題尚未解決：

　　(1) 火源應(yīng)設(shè)置為在燃料入口處加高溫體，而使燃料開始燃燒，當(dāng)施加了水霧以后，由于卷吸作用，使燃料附近的局部溫度降低，從而達(dá)到滅火的目的，此方法的關(guān)鍵在于怎樣點(diǎn)火;

　　(2) 水噴霧施加時(shí)是否需要在噴口處設(shè)置一速度入口條件;

　　(3) 出口邊界條件應(yīng)如何設(shè)置，若設(shè)置成壓力出口邊界條件，噴霧經(jīng)噴口噴出后會(huì)沿出口的方向運(yùn)動(dòng)，達(dá)不到滅火的目的，無(wú)奈之下只能設(shè)置入口邊界條件，而不設(shè)置出口邊界條件;針對(duì)上述問(wèn)題，筆者將繼續(xù)研究，力求更好的掌握Fluent運(yùn)用于火災(zāi)領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)。