风况对露天油池燃烧特性的数值模拟

崔岳峰，林兴华，李德顺，李宏涛，张敏革

(沈阳理工大学 环境与化学工程学院，辽宁 沈阳 110159)

风况对露天油池燃烧特性的数值模拟

崔岳峰，林兴华，李德顺，李宏涛，张敏革

(沈阳理工大学 环境与化学工程学院，辽宁 沈阳 110159)

采用Fluent软件对不同风况下煤油池的燃烧特性进行数值模拟研究，通过选择非预混燃烧模型、P1辐射模型和k-ε湍流模型，分别对无风、常风和变风三种情况下油池燃烧过程中的温度、热辐射量和火焰倾角等参数的变化进行对比分析。结果发现，在无风情况下，热辐射量随径向距离的变化曲线近似呈现高斯分布；风力的大小对燃烧的温度场影响很大，但变化频率对其影响不明显；风况的改变主要是对火焰温度、热辐射量等传播特性产生影响，对燃烧反应的反应程度影响不大。研究为以后油池燃烧事故的预防及处理措施提供了参考依据。

数值模拟；油池火；燃烧特性；PDF数学模型；P1辐射模型

油池燃烧是石油化工行业中常见的一种火灾，主要是可燃液体因泄露等原因在地面或水面上形成液池后引发的火灾。油池的燃烧过程一般可以分为增长阶段、稳定燃烧阶段和熄灭阶段[1],并在燃烧过程中产生强烈的沸腾现象，燃烧速率、火焰高度等时刻发生改变[2]，因此研究油池的燃烧流场特征及其影响因素具有重要的实际意义。

火焰高度、位置、形状和燃烧速率是油池燃烧过程中的基本特性参数，而燃烧过程中产生的热辐射量则会影响燃烧过程的发展。通常油池失火发生在露天环境当中，风力情况对其燃烧过程影响显著，许多学者对此做了大量实验研究，如V.Babrauska[3]和Apte[4]等人以航空煤油为研究对象，分别对煤油池在无风和有风的情况下的燃烧过程进行了研究，探讨了燃烧速率预测模型的适用性和火羽流的特征描述；Babrauskas[5]分析研究了环境温度和风速对燃烧速率的影响，发现有风时,燃烧速率将随风速的增大而减小；Janssens[6]和易亮[7]等分别以庚烷和甲醇油油池的燃烧特性和影响因素进行了研究。由于火灾的特殊性，使得该类研究受环境因素影响，不仅实施难度大、存在危险性，并且容易引起实验误差，造成试验结果不准确。

20世纪80年代，Computational Fluid Dynamics(CFD)技术开始应用到火灾的模拟研究中。Sinai[8]等对有风情况下，直径为20m的圆形液池燃烧过程进行了CFD模拟研究，发现横向风对下风向的区域内热辐射量有较大影响；冯瑞等[9]讨论了通风条件和油池燃面积以及通风口高度对燃料燃烧速率的影响，初步确定了受限空间中的池火燃烧速率与油池面积、通风因子的关系。然而，上述模拟研究对不同风况下油池的燃烧特性变化情况并没有给出确定的结论，使得人们无法清楚的认识风力情况对油池燃烧火焰的具体影响。

本文采用Fluent软件对不同风况下油池火燃烧过程特征进行模拟研究，通过选则非预混和燃烧模型、P1辐射模型和k-ε湍流模型，分别对无风、常风和变风三种情况下，煤油油池燃烧过程中的温度、热辐射量和火焰倾角的变化进行对比分析。

1 数学模型

1.1 基本控制方程

油池燃烧过程所用模型主要为场模型，是根据连续性方程、动量方程和能量方程等基本物理守恒方程建立的理论模型，三大基本控制方程的形式分别见式(1)～(3)。

连续性方程：

(1)

动量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

1.2 湍流模型

油池火燃烧过程的模拟中所运用的湍流模型有多种形式，如Spatart-Allmaras模型、标准k-ε模型、RNGk-ε模型和SSTk-ω模型等，其中标准k-ε以其计算时间快、精度高等优点成为最常用的模型之一，本研究选择标准k-ε模型为湍流模型，其形式见式(4)、式(5)。

(4)

(5)

式中：σk和σε为k方程和ε方程的湍流Prandtl数；Gk为由层流速度梯度而产生的湍流动能；Gb为由浮力产生的湍流动能；Sk和Sε为用户自定义修正量。

1.3 辐射模型

火焰中具有辐射能力的成分主要为H2O、CO2和各种悬浮的固体粒子，对于燃油而言，火灾中的主要燃烧产物为悬浮固体粒子炭黑，也是最主要的火焰热辐射载体。Fluent软件中提供了五种不同的辐射模型，其中P1辐射模型和DTRM辐射模型是两种常用的辐射模型，但是在大尺度辐射情况的模拟计算中，P1辐射模型相比DTRM辐射模型具有计算量小、包含散射效应等优点，对模拟露天环境下油池的燃烧过程更适合，因此本文选用P1辐射模型作为池火焰的模拟模型，其方程形式见式(6)。

(6)

式中：α为吸收系数；σs为散射系数；G为入射辐射；c为线性各项异性相位函数系数。

1.4 燃烧模型

本文选用非预混和燃烧模型对煤油油池火的燃烧情况进行模拟研究，为使燃烧反应过程中涉及的物质密度、温度、体积分率等参数更加精确，在本次模拟中利用概率密度函数(PDF)数学模型对非预混和燃烧模型进行封闭，其中概率密度函数(PDF)的数值形式见式(7)。

(7)

式中：p(f)为概率密度函数；f为某个瞬间的反应状态；T为设定的时间步长;τi为f变化Δf时所用的时间。

2 物理模型与计算方法

煤油燃烧速度快，火焰温度高，本文在对油池燃烧的模拟过程中，选择煤油作为燃料，煤油的物理性质见表1。

表1 煤油的物理性质

物理模型为露天环境下置于地面的圆柱状油池，外部模拟区域为长200m、宽200m、高100m的长方体区域。其物理模型如图1所示，为更加确切的模拟周围环境对油池燃烧的影响，共设置了5个相同油罐，其中中间油罐为燃烧油罐，周围4个油罐不进行燃烧，5个油罐的直径均为12m，油罐之间的距离为10m，罐体高度为5m，油池液面低于灌口0.5m。物理模型中的边界类型分别为地面、壁面、速度入口和压力出口。罐体的上表面为着火点，设定温度初始值为800K，煤油的初始含率为0.2，此初始条件如同“火花”，在开始进行迭代计算时将点燃煤油，使燃烧反应开始。由于所选用的物理模型存在对称性特点，所以采用六面体结构化网络进行网格划分，所得网格节点数为53万，面单元为150万。

图1 区域物理模型

在边界条件的设置上，分别考虑了无风、常风和变风三种速度入口形式，其中无风情况是在模型空间的x、y、z三个方向上的风速均为0，但为更直观的观察流场的变化情况，将入口风速设置为0.2m/s，方向为沿x轴自右向左；常风情况是假设风速不随高度的变化而变化，通常风速为3.5～5.4m/s，本文的选择值为5m/s；变风情况是指风速会随高度、时间等因素产生变化，本文主要考虑风速随高度的变化情况，其变化规律见式(8)。

(8)

式中：v为距离地面高度h时的风速，m/s；v1为距离地面高度h1时的风速，文中h1为10m，其平均速度v1=5m/s；n为经验指数，主要取决于大气稳定度和地面的粗糙度，本文选取量为0.1；常风和变风情况下的风向为沿x轴自左向右。

3 结果与讨论

3.1 无风情况下的燃烧特性分析

在无风情况下，中间油罐的燃烧在y=0平面上的温度分布情况和火焰形状描述分别如图2和图3所示。

图2 y=0平面上火焰温度分布云图

图3 y=0平面上CO质量分数分布云图

由图2可知，煤油燃烧过程中的最高温度约为1775～1830K之间，出现在离开着火口一定距离处，最高温度区域呈现锥形；温度随高度的分布呈现明显的分层现象，高度越高，温度越低，其中处于900～1000K之间的区域最大，随后温度降低速率加快，当离着火点100m处时，温度减小到600K左右；在火焰传播过程中，始终保持着良好的紧密性，向外发散情况不明显，并始终保持垂直方向的传播。如图3所示，通过燃烧过程中产生的CO的质量分数为参考量，对火焰的形状与高度进行描述，以CO质量分数为0.01时为标准，则火焰高度大约为25m，在无风的情况下不发生偏斜。

无风情况下油池火灾对周围环境的热辐射分布情况如图4和图5所示，由图中可以看出，稳态油池火的热辐射流在中心处时最大，高达17600W/m2，并以着火点处为中心,在向四周传播过程中逐渐降低，传播过程中存在快速降低和缓慢降低两个阶段，快速降低阶段处于离中心位置半径为20m的圆形区域内，即油池所在区域，在此区域内热辐射值从17600W/m2迅速降低到7000W/m2，随后的降低速度非常缓慢，整体分布呈现近似高斯分布。

图4 无风下z=0平面上火焰对周围的辐射热流分布云图

图5 无风下热辐射随距离变化曲线图

3.2 常风和变风情况下的燃烧特性分析

在常风和变风情况下，煤油油池火燃烧过程中的温度分布情况和产生的CO质量分数分布云图分别如图6和图7所示。

由图6和图7中可以看出，在常风情况下，煤油燃烧的火焰最高温度约在1580～1650K之间，而在变风情况下，最高温度为1200～1300K，与无风情况下相比，最高温度明显降低，这主要是由于风力的影响，使得气化的燃料得以分散，浓度降低，燃烧不如无风时剧烈，同时风力增大了火焰的散热速度，使得温度降低；与无风情况下相比，常风和变风情况下火焰都向下风向倾斜明显，火焰高度明显降低，但是常风和变风时的火焰高度相差不大，这说明火焰高度主要与风力大小有关，与风的变化频率关系不大。三种情况下所产生的CO没明显改变，这说明风力的改变主要影响的是火焰在外部的传播情况，而对本身的燃烧反应程度影响不大。

图6 y=0平面上温度的分布

图7 y=0平面上CO的质量组分图

图8为火焰对周围的辐射热流分布云图。图9为常风和变风情况下热辐射随距离变化曲线图。

图8 z=0平面上火焰对周围的辐射热流分布云图

图9 热辐射随距离变化曲线图

图8和图9可知，常风和变风情况下稳态油池火灾的辐射因为风的影响，向下风向产生较大的偏移，最高辐射值为12100～12600W/m2，最高辐射值的位置出现在偏离中心位置10m左右；从其分布云图上可以看出，在常风情况下辐射热流降低梯度分布均匀，而变风时其变化梯度在靠近中心处比较小，随后增大，这说明热辐射的传播与风的变化频率有关；辐射值快速降低阶段所出现的区域没有发生改变，仍在一个以20m为半径的圆形区域内，但降低幅度明显减小，仅从1200W/m2左右降低到800W/m2左右，在缓慢降低区域内其降低速度略有增加。

4 结论

(1) 无风情况下，温度随高度的分布呈现明显的分层现象，高度越高，温度越低，并且在传播过程中保持紧密性；热辐射向四周传播时分为快速降低阶段和缓慢降低阶段，随距离的变化曲线呈现高斯分布。

(2) 常风和变风情况下，离开地面一段距离后油池燃烧流场中的最高温度和火焰高度都比无风时显著降低，但常风和变风两种情况下的火焰高度相同，说明油池燃烧火焰温度和高度与风力大小密切相关，但火焰高度与风力大小的变化频率关系不大。

(3) 三种风况下，火焰内部CO的质量分数分布情况无明显不同，说明风力大小对燃烧反应的反应程度影响不大。

(4) 在常风情况下，辐射热流的降低梯度分布均匀，而变风时分布比较杂乱，这说明热辐射量的传播与风力大小的变化有关，变化频率越大，传播越杂乱。

[1]康泉胜.小尺度油池火非稳态燃烧特性[D].合肥：中国科技大学，2009.

[2]李权威.狭长空间纵向通风条件下细水雾抑制油池火的实验研究[D].合肥：中国科技大学，2010.

[3]V.Babrauskas.The SFPE handbook of fire protection engineering[M].Massachusetts:National Fire Protection Association,1995:251-261.

[4]V.B.Apte,J.H.Green.Proceeding of the Third International Symposium on Fire Safety Science[C].London:Elsevier,1991.

[5]Babrauskas V.Estimation large pool fire burning rates[J].Fire Technology,1983,19(4):251-261.

[6]Janssens M L,Tran H C.Data reduction of room tests for zone model validation [J].Journal of Fire Science,1992,10(6):528-555.

[7]易亮,杨洋,李勇,等.水平风作用下火羽流的质量流率[J].燃烧科学与技术,2011,17(6):505-511.

[8]Sinai Y L,Owens M P.Validation of CDF modeling of unconfined pool fires with cross-wind:Flame geometry[J].Fire Safety Journal,1995,24(1):1-34.

[9]冯瑞，霍然，于海春.受限空间油池火燃烧特性的实验研究[J].消防科学与技术，2005,24(3):288-291.

(责任编辑：赵丽琴)

Numerical Simulation for the Influence of Wind Conditions on the Burning Characteristics of Open-air Pool

CUI Yuefeng,LIN Xinghua,LI Deshun,LI Hongtao,ZHANG Minge

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

The burning characteristic of oil pool under different wind conditions was studied by FLUENT software,and the Non-Premixed combustion model,P1 radiation model andk-εturbulence model were selected to calculate the parameters in the combustion progress of oil pool,such as the temperature,thermal radiation and flame inclination under the conditions of no wind,constant wind and variable wind,respectively.The results show that,the curve of thermal radiation varies with the radial distance approximately shows the Gaussian distribution under the condition of no wind;the effects on flame temperature is large from the size of wind,but it has no significant changes under the different change frequency of the size of wind;the changing of wind conditions primarily affects the spreading progress of combustion,but has little of impact on the extent of combustion reaction.Research provides the reference basis for the accident prevention and treatment measures of oil pool burning.

numerical simulation;pool fire;combustion characteristics;PDF;radiation model.

2014-10-15

辽宁省教育厅项目(L2013090)；辽宁省博士后集聚工程项目(2011921015)；辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2012060)

崔岳峰(1957—)，男，副教授，研究方向:含能材料与器材安全技术；通讯作者：李德顺(1980—)，男，副教授，博士，研究方向：系统安全分析.

1003-1251(2015)03-0061-06

TQ027

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