李 玉，康青春

(中國人民武裝警察部隊學院滅火救援技術(shù)公安部重點實驗室，河北廊坊 065000)

改進點源法在火災熱輻射計算中的應用

李 玉，康青春

(中國人民武裝警察部隊學院滅火救援技術(shù)公安部重點實驗室，河北廊坊 065000)

為了對火災熱輻射進行較為準確的計算，借鑒CFD計算理論，對熱輻射點源模型進行改進，根據(jù)火焰寬度、燃燒速率相同的原則，對火焰進行“離散”，對控制點的數(shù)量進行分析，并試驗驗證改進點源模型的精確性。結(jié)果表明:改進點源模型實現(xiàn)了火災熱輻射的快速計算且精度較高，當火焰高度上點源個數(shù)為71時，點源個數(shù)的增加對計算結(jié)果的改善不明顯;計算結(jié)果比試驗結(jié)果數(shù)值偏高。

火災;熱輻射;點源模型;試驗;噴射火焰

石油化工企業(yè)的消防安全問題是關(guān)系到企業(yè)生存、發(fā)展的關(guān)鍵問題，一旦發(fā)生火災事故，容易造成事故的升級和重大的經(jīng)濟損失，如大連中石油國際儲運公司“7·16”油罐爆炸火災、美國克利夫蘭天然氣火災、西安“3·5”液化石油氣爆炸火災等?；馂膿渚戎械臒彷椛鋯栴}是制定作戰(zhàn)方案、疏散周圍人群、控制火災蔓延的重要問題，如處理不當，易對救援人員和周圍設(shè)施造成傷害和破壞。目前，計算火災熱輻射的模型主要有:點源模型、多點源模型和固體火焰模型。劉詩飛等［1］研究的點源模型認為火焰的輻射熱由火焰軸線上半高度位置的一點或多個等分點發(fā)出，忽略火焰寬度的影響，其計算較為簡單，精確度差，特別是對大火災的情況。楊昭［2］研究的固體火焰模型假設(shè)火焰形狀為半圓錐體，認為火焰輻射熱由其表面發(fā)出，計算精度有所改善，但由于其過分依賴于火焰形狀和表面積分，其實用性不強。筆者結(jié)合點源模型和固體火焰模型的優(yōu)點，采用計算流體力學(CFD)的思想，建立一種改進的點源模型，以實現(xiàn)火災熱輻射的快速計算。

1 離散模型

在CFD計算中，將計算區(qū)域離散為多個計算單元網(wǎng)格，網(wǎng)格上的物理量由其幾何中心點(控制點)處的值取代，從而進行各個方程的求解(圖1(a))。借鑒CFD模型，在火焰熱輻射點源模型計算中，為了較好地與實際相符，作如下假設(shè):

(1)模型中各個控制點之間不存在任何的物理量關(guān)系，無須對火焰形狀進行實體的網(wǎng)格劃分，其關(guān)鍵是規(guī)劃好控制點的分布(圖1(b));

(2)各個控制點的燃燒速率相等，熱輻射通量均勻地從各個控制點發(fā)出;

(3)忽略由控制點的均勻分布與火焰幾何尺寸不能整分(增加或減少1個控制點)而造成的誤差。

根據(jù)各個控制點燃燒速率相等的假設(shè)，各控制點之間的間距相等，即

式中，d為控制點間距，m;l、m、n為模型幾何尺寸;ni為控制點個數(shù)。

圖1 網(wǎng)格和控制點Fig.1 Grids and control points

2 火焰改進點源模型

國內(nèi)外學者對池火焰［3］、氣體噴射火焰［4，7］等火焰形貌進行了大量的研究和計算。在液體火災中一般采用 Thomas公式［5］或 Heskestad 關(guān)聯(lián)式［6］;氣體噴射火焰使用Becker和Liang給出的無量綱經(jīng)驗公式［7］。在實戰(zhàn)中，也可以根據(jù)目測的高度和寬度帶入模型。現(xiàn)以Becker等給出的平截頭錐體火焰形貌(圖2)為例，建立火焰改進點源模型。

圖2 平截頭錐體火焰Fig.2 Frustum cone flame

根據(jù)火焰寬度、燃燒速率相同的原則，對火焰進行“離散”。當火焰幾何尺寸不能整分時，將靠近邊界處的點移動至邊界上，如圖3所示。在環(huán)向方向上，根據(jù)控制點之間間距相等的原則，將360°空間均分成6份。以火焰低端中點為原點，根據(jù)火焰幾何尺寸，按照式(1)進行離散。

圖3 控制點分布Fig.3 Distribution of control points

控制點輻射源的熱釋放速率q為

式中，η為燃燒效率因子，一般取0.35;Q為氣體的泄漏量或液體燃燒速率，g/s;H為燃燒熱，W/m2。

單個控制點對距離該點L處目標的熱輻射通量q'i為

式中，χ為輻射分數(shù)，一般取0.2;α為目標表面與該控制點i徑向方向的夾角，(°);L為目標到該控制點i的距離，m。

3 控制點個數(shù)對結(jié)果的影響

控制點的個數(shù)直接影響到計算的精度，但計算結(jié)果并不是隨控制點數(shù)量的增加而無限優(yōu)化。當控制點達到一定數(shù)量，結(jié)果的精度達到基本穩(wěn)定。對不同火焰大小、不同點源個數(shù)(表1)進行計算，結(jié)果如圖4(圖4(a)～(d)對應表1中編號a～d的計算條件)所示。

表1 計算條件Table 1 Calculation conditions

由圖4可以看出:單點源模型與改進點源模型計算結(jié)果存在較大差別，誤差分別為1%、20%、6%和33%;隨著火焰的增大，結(jié)果誤差逐漸增大;當火焰高度上點源個數(shù)為71時，點源個數(shù)的增加對計算結(jié)果的改善不明顯。本文在計算中確定點源數(shù)為71。

圖4 計算結(jié)果對比Fig.4 Comparison of calculation results

4 試驗驗證

為了便于試驗，取家用15 kg液化石油氣儲罐進行計算。常溫常壓下，儲罐在角閥處發(fā)生泄漏，泄漏直徑d=8 mm，儲罐絕對壓力p1=200 kPa，分析其泄漏和熱輻射情況。

整體試驗裝置的設(shè)計如圖5所示。由液化氣罐、壓力傳感器、流量傳感器、溫度采集系統(tǒng)和熱輻射采集系統(tǒng)組成。進行試驗前，必須對管道進行耐壓性和氣密性檢測，確保管道的耐壓性和密封性，防止回火和泄漏事故的發(fā)生。

圖5 試驗裝置Fig.5 Experimental device

為了安裝方便，試驗裝置管道直徑取dg=15 mm，在火焰高度和熱輻射計算中要進行管徑的換算。以噴射口中心點為柱坐標系原點，取點1(0.35，0.8)和點2(0.6，1.5)作為輻射熱測試點，計算結(jié)果見表2，由誤差分析可知，泄漏量、火焰高度、輻射熱 q1、輻射熱 q2的誤差分別為13.8%、8.1%、2.4%和8.2%。

由表2可以看出，計算結(jié)果比試驗結(jié)果數(shù)值偏大，其中，流量的誤差比較大，誤差主要由理想氣體泄漏方程與實際泄漏狀態(tài)方程的差別造成，可以根據(jù)實際泄漏量進行修正。根據(jù)最大危險性原則，可以利用本文的計算方法和程序?qū)馂牡臒彷椛溥M行快速計算，為石油化工企業(yè)設(shè)施的火災預防規(guī)劃、滅火救援中警戒區(qū)域的制定和人員疏散等提供參考。

表2 計算結(jié)果和試驗結(jié)果對比Table 2 Comparison of calculated and experimental results

5 結(jié)束語

根據(jù)火焰寬度、燃燒速率相同的原則建立了火焰熱輻射改進點源模型，計算精度較單點源模型大大改善。對控制點的數(shù)量進行了分析，當火焰高度上點源個數(shù)約為71時，點源個數(shù)的增加對計算結(jié)果的改善不明顯。以氣體噴射火焰為例，試驗驗證了改進點源的計算精度，計算結(jié)果比試驗結(jié)果偏高。改進點源模型實現(xiàn)了火災熱輻射的快速計算且精度較高，可為石油化工企業(yè)設(shè)施的火災預防規(guī)劃、滅火救援中警戒區(qū)域的制定和人員疏散等提供參考。

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Application of improved point source model in fire radiation calculation

LI Yu，KANG Qing-chun

(Fire Fighting ＆ Rescue Techniques of Key Laboratory of Ministry of Public Security，Chinese People's Armed Police Force Academy，Langfang 065000，China)

In order to accurately calculate the fire radiation，the point source model was improved based on CFD theory.Fully considering the flame width and uniform burn rate，the fire was scattered.The influence of control point's number was analyzed，and the accuracy of improved point source model was verified through the experiment.The results show that the improved point source model can achieve rapid fire radiation calculation and the precision is high.When the number of point sources on the flame height is 71，the increase in the number of point sources has little effect on the calculation results.The calculated results is higher than the experimental results.

fire;heat radiation;point source model;experiment;jet flame

X 937

A >

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.04.026

1673-5005(2011)04-0140-04

2011－04－11

公安部應用創(chuàng)新計劃項目(2008YYCXWJXY115)

李玉(1981－)，男(漢族)，山東茌平人，講師，博士，主要從事消防與應急救援領(lǐng)域的研究工作。

(編輯 沈玉英)