改进点源法在火灾热辐射计算中的应用

李 玉，康青春

(中国人民武装警察部队学院灭火救援技术公安部重点实验室，河北廊坊 065000)

改进点源法在火灾热辐射计算中的应用

李 玉，康青春

(中国人民武装警察部队学院灭火救援技术公安部重点实验室，河北廊坊 065000)

为了对火灾热辐射进行较为准确的计算，借鉴CFD计算理论，对热辐射点源模型进行改进，根据火焰宽度、燃烧速率相同的原则，对火焰进行“离散”，对控制点的数量进行分析，并试验验证改进点源模型的精确性。结果表明:改进点源模型实现了火灾热辐射的快速计算且精度较高，当火焰高度上点源个数为71时，点源个数的增加对计算结果的改善不明显;计算结果比试验结果数值偏高。

火灾;热辐射;点源模型;试验;喷射火焰

石油化工企业的消防安全问题是关系到企业生存、发展的关键问题，一旦发生火灾事故，容易造成事故的升级和重大的经济损失，如大连中石油国际储运公司“7·16”油罐爆炸火灾、美国克利夫兰天然气火灾、西安“3·5”液化石油气爆炸火灾等。火灾扑救中的热辐射问题是制定作战方案、疏散周围人群、控制火灾蔓延的重要问题，如处理不当，易对救援人员和周围设施造成伤害和破坏。目前，计算火灾热辐射的模型主要有:点源模型、多点源模型和固体火焰模型。刘诗飞等［1］研究的点源模型认为火焰的辐射热由火焰轴线上半高度位置的一点或多个等分点发出，忽略火焰宽度的影响，其计算较为简单，精确度差，特别是对大火灾的情况。杨昭［2］研究的固体火焰模型假设火焰形状为半圆锥体，认为火焰辐射热由其表面发出，计算精度有所改善，但由于其过分依赖于火焰形状和表面积分，其实用性不强。笔者结合点源模型和固体火焰模型的优点，采用计算流体力学(CFD)的思想，建立一种改进的点源模型，以实现火灾热辐射的快速计算。

1 离散模型

在CFD计算中，将计算区域离散为多个计算单元网格，网格上的物理量由其几何中心点(控制点)处的值取代，从而进行各个方程的求解(图1(a))。借鉴CFD模型，在火焰热辐射点源模型计算中，为了较好地与实际相符，作如下假设:

(1)模型中各个控制点之间不存在任何的物理量关系，无须对火焰形状进行实体的网格划分，其关键是规划好控制点的分布(图1(b));

(2)各个控制点的燃烧速率相等，热辐射通量均匀地从各个控制点发出;

(3)忽略由控制点的均匀分布与火焰几何尺寸不能整分(增加或减少1个控制点)而造成的误差。

根据各个控制点燃烧速率相等的假设，各控制点之间的间距相等，即

式中，d为控制点间距，m;l、m、n为模型几何尺寸;ni为控制点个数。

图1 网格和控制点Fig.1 Grids and control points

2 火焰改进点源模型

国内外学者对池火焰［3］、气体喷射火焰［4，7］等火焰形貌进行了大量的研究和计算。在液体火灾中一般采用 Thomas公式［5］或 Heskestad 关联式［6］;气体喷射火焰使用Becker和Liang给出的无量纲经验公式［7］。在实战中，也可以根据目测的高度和宽度带入模型。现以Becker等给出的平截头锥体火焰形貌(图2)为例，建立火焰改进点源模型。

图2 平截头锥体火焰Fig.2 Frustum cone flame

根据火焰宽度、燃烧速率相同的原则，对火焰进行“离散”。当火焰几何尺寸不能整分时，将靠近边界处的点移动至边界上，如图3所示。在环向方向上，根据控制点之间间距相等的原则，将360°空间均分成6份。以火焰低端中点为原点，根据火焰几何尺寸，按照式(1)进行离散。

图3 控制点分布Fig.3 Distribution of control points

控制点辐射源的热释放速率q为

式中，η为燃烧效率因子，一般取0.35;Q为气体的泄漏量或液体燃烧速率，g/s;H为燃烧热，W/m2。

单个控制点对距离该点L处目标的热辐射通量q'i为

式中，χ为辐射分数，一般取0.2;α为目标表面与该控制点i径向方向的夹角，(°);L为目标到该控制点i的距离，m。

3 控制点个数对结果的影响

控制点的个数直接影响到计算的精度，但计算结果并不是随控制点数量的增加而无限优化。当控制点达到一定数量，结果的精度达到基本稳定。对不同火焰大小、不同点源个数(表1)进行计算，结果如图4(图4(a)～(d)对应表1中编号a～d的计算条件)所示。

表1 计算条件Table 1 Calculation conditions

由图4可以看出:单点源模型与改进点源模型计算结果存在较大差别，误差分别为1%、20%、6%和33%;随着火焰的增大，结果误差逐渐增大;当火焰高度上点源个数为71时，点源个数的增加对计算结果的改善不明显。本文在计算中确定点源数为71。

图4 计算结果对比Fig.4 Comparison of calculation results

4 试验验证

为了便于试验，取家用15 kg液化石油气储罐进行计算。常温常压下，储罐在角阀处发生泄漏，泄漏直径d=8 mm，储罐绝对压力p1=200 kPa，分析其泄漏和热辐射情况。

整体试验装置的设计如图5所示。由液化气罐、压力传感器、流量传感器、温度采集系统和热辐射采集系统组成。进行试验前，必须对管道进行耐压性和气密性检测，确保管道的耐压性和密封性，防止回火和泄漏事故的发生。

图5 试验装置Fig.5 Experimental device

为了安装方便，试验装置管道直径取dg=15 mm，在火焰高度和热辐射计算中要进行管径的换算。以喷射口中心点为柱坐标系原点，取点1(0.35，0.8)和点2(0.6，1.5)作为辐射热测试点，计算结果见表2，由误差分析可知，泄漏量、火焰高度、辐射热 q1、辐射热 q2的误差分别为13.8%、8.1%、2.4%和8.2%。

由表2可以看出，计算结果比试验结果数值偏大，其中，流量的误差比较大，误差主要由理想气体泄漏方程与实际泄漏状态方程的差别造成，可以根据实际泄漏量进行修正。根据最大危险性原则，可以利用本文的计算方法和程序对火灾的热辐射进行快速计算，为石油化工企业设施的火灾预防规划、灭火救援中警戒区域的制定和人员疏散等提供参考。

表2 计算结果和试验结果对比Table 2 Comparison of calculated and experimental results

5 结束语

根据火焰宽度、燃烧速率相同的原则建立了火焰热辐射改进点源模型，计算精度较单点源模型大大改善。对控制点的数量进行了分析，当火焰高度上点源个数约为71时，点源个数的增加对计算结果的改善不明显。以气体喷射火焰为例，试验验证了改进点源的计算精度，计算结果比试验结果偏高。改进点源模型实现了火灾热辐射的快速计算且精度较高，可为石油化工企业设施的火灾预防规划、灭火救援中警戒区域的制定和人员疏散等提供参考。

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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

公安部应用创新计划项目(2008YYCXWJXY115)

李玉(1981－)，男(汉族)，山东茌平人，讲师，博士，主要从事消防与应急救援领域的研究工作。

(编辑 沈玉英)