横流作用下天然气火焰结构分区及热参数研究

徐琳，常健

（1.山东建筑大学热能工程学院，山东济南250101；2.山东建筑大学可再生能源建筑利用技术省部共建教育部重点实验室，山东济南250101；3.山东建筑大学山东省可再生能源建筑应用技术重点实验室，山东济南250101）

横流作用下天然气火焰结构分区及热参数研究

徐琳1，2，3，常健1

（1.山东建筑大学热能工程学院，山东济南250101；2.山东建筑大学可再生能源建筑利用技术省部共建教育部重点实验室，山东济南250101；3.山东建筑大学山东省可再生能源建筑应用技术重点实验室，山东济南250101）

集中排烟隧道具有纵向通风和集中排烟等优点。随着交通运输业的不断发展，集中排烟隧道已广泛应用于长大隧道设计中，隧道内火源局部热参数的变化规律研究一直是人们关注的焦点。文章基于集中排烟隧道系统设计，围绕火源局部热参数，针对天然气火灾，通过数值模拟研究，探索15种工况横流作用下火羽流轴线偏移轨迹、火焰结构分区及顶板下方烟气最大温升。结果表明：模拟火焰与自由火焰结构的分区规律类似，但分区转折点随火灾强度增大而减小；等效风速对火羽流轴线温升有显著影响；引入风速修正，回归整理可得到3个分区轴线温升的无量纲准则关联式；顶板下方烟气最大温升随等效风速增大而减小，且模拟结果与实验结果的变化规律具有相似性。

横流；天然气火焰；分区；火羽流轴线；温升

0 引言

近年来，公路隧道建设日益兴起，隧道通风排烟系统的选择成为人们关注的焦点。为了维持高温烟气的自然沉降，以达到良好的烟气控制效果，集中排烟系统正逐步代替纵向通风系统成为设计人员的首选。集中排烟模式（如图1所示）兼顾纵向通风、局部排烟等优点，通过开启火源周围大尺度排风口配合射流风机就近将烟气排出隧道，以最大程度降低对行车空间的影响，应用极为广泛。针对纵向通风系统的研究，Hu等利用FDS模拟分析了CO浓度的纵向分布规律，并搭建模型试验台实测隧道顶板下方烟气的最大温度［1］；Ingason等以木垛为火源，搭建模型试验台，实测纵向风速作用下烟气温度分布规律［2］；王震等通过建立烟气逆流两区域模型，分析隧道内烟气扩散规律［3］；易亮等通过缩尺模型试验实测顶板下方烟气最高温度随火灾强度及纵向风速的变化规律［4］；李颖臻利用理论分析与模型试验相结合的方法，研究含救援站的特长隧道内火灾特性及烟气控制机理［5］；赵红莉等通过建立理论模型，研究一定坡度隧道内烟气温度纵向衰减规律［6］。吴小华等通过CFD模拟，研究不同风阀开启条件下隧道内烟气蔓延规律［7］。针对集中排烟系统，已有的研究成果多围绕3个风口（1＃、2＃、3＃）内火灾烟气控制问题，而对火源局部热参数的研究则较少，这与火源设置、火焰本身结构特点密切相关［8］。而针对纵向通风系统的研究成果是否适用于集中排烟系统也值得讨论。为此，文章结合某集中排烟隧道设计参数，以燃气气源为研究对象，利用FLUENT详细预测横流作用下火焰偏转、受限发展、结构分区等变化，进而预测顶板下方烟气最大温升随横流风速、火灾强度的变化规律。

图1 隧道集中排烟系统及计算模型示意图／m（a）隧道集中排烟系统；（b）计算模型纵断面；（c）计算模型横断面

1 物理模型的确定

1.1 计算模型

如图1（a）所示，在射流风机送风，排烟风机排烟综合作用下，火源上游形成一等效风流，直接影响火源发展及其结构特点。为了更好地分析火焰结构，提高计算精度，由图1（a）中提取火源局部区域作为计算区域，将其抽象为横流作用下火羽流偏转受限发展问题，计算模型如图1（b）、（c）所示。

1.2 火源设置

已往研究人员会考虑隧道内油池着火，很少涉及燃气火源，而隧道火灾事故统计中也不乏液化气罐车燃烧爆炸案例。本次模拟考虑隧道中心断面地板上布置有多孔燃烧床（4 m×1.5 m），燃烧床位置如图1（b）、（c）所示。以天然气为燃料，甲烷／空气质量比为1：7.76。模拟中调节燃料消耗量以考虑3、6和9 MW三种火灾强度变化。

1.3 等效风速

为了便于分析，取等效风流速度平均值定义为等效风速V，结合火灾强度变化，模拟考虑等效风速V取1.5、2.0、2.5、3.0和3.5 m／s五种工况变化。每种火灾的强度（3、6和9 MW）分别对应五种等效风速，共计15种模拟工况。

1.4 网格的绘制

计算区域采用非均匀网格划分，近火源温度梯度变化大的区域布置密集网格，远离火源温度梯度变化小的区域布置稀疏网格，首次网格划分后依次增加x、y、z轴网格数目50%，在保证火灾强度、等效风速相同情况下，观察顶板下方烟气最大温升。当两者最小差值小于0.1℃时，网格划分结束，共计438254个网格。

2 控制方程的建立及边界条件的确定

2.1 控制方程的建立

模拟计算考虑甲烷两步燃烧反应，由反应式（1）表示为

模拟火灾还涉及紊流、传热等多项流动过程，计算时选择浮力修正κ-ε模型，在κ方程中引入浮力源项Gb反应浮力造成的湍流削弱效应，同时在ε方程中增大ε产生项，进一步突出浮力作用［9-10］。鉴于计算对象尺度范围较大，辐射模型采用相对简单的DTRM模型，通过跟踪射线数目和调整网格疏密程度提高计算精度。控制方程组由式（2）表示，模型基本参数见表1［11-12］。

式中：φ为待求通用物理量；V1为速度矢量；Гφ为对应变量的输运系数；Sφ为对应变量的源项，控制方程组通用变量见表1。

表1 控制方程组通用变量

表1中，Gk为剪切应力产生项；Gb为浮力产生项；μ为动力粘度，m2／s；Pr为普朗克数；t为时间，s；P为压力，Pa；ρ为密度，kg／m3；σ为切应力，N／m2；xi为i方向单位长度；gi为i方向重力加速度，m／s2。控制方程中常数取值见表2，其中，C1、C2、C3分别代表组分1、2和3的附加系数，Cμ为组分动力粘度系数；σk、σε、σC、σH分别为动能项系数、耗散项系数、组分项系数、焓值系数。此外，数值求解过程中还需附加状态方程。

表2 控制方程组中常数取值

2.2 边界条件的确定

隧道入口考虑速度入口边界，外界环境温度T0＝ 303 K，O2／N2的体积比为21／79。隧道出口考虑恒压边界。火源考虑质量入口边界。壁面采用Launder和Spalding推荐标准壁面函数，不计与外界热量交换［13］。

3 火焰结构分区

3.1 自由火焰分区理论

McCaffery实测无风状态下甲烷火焰断面中心温度，并根据温度沿火焰高度y变化规律，将自由火羽流分为3个不同的区域，如图2所示。连续火焰区，断面中心温度趋于定值；间歇火焰区，断面中心温度与Q2／5／y成比例；浮力羽流区，断面中心温度与Q2／3／y3／5成比例。

3.2 横流作用下火羽流轴线偏转

在等效风横流作用下，火羽流将发生明显偏转。根据经典自由火焰点源理论，羽流断面温度成正态分布，其中断面中心温度最高。为此，CFD模拟以火源为起点，沿羽流偏转方向，选取断面温度最高点标记为断面中心，断面中心点相连即可得到火羽流轴线，如图3所示。

图2 自由火羽流结构示意图

3.3 火焰分区

模拟不同火灾强度火羽流轴线温升图（如图4所示）。不同火灾强度，隧道内部受限火羽流轴线温升变化规律与自由火焰轴线温升变化规律具有一定相似性。连续火焰区，轴线温升趋于定值；间歇火焰区，轴线温升沿轴线方向急剧下降；浮力羽流区，轴线温升继续下降，但变化趋缓。此外，等效风速影响也不容忽视，尤其当V＝1.5 m／s时，随着火灾强度增大，不同等效风速其轴线温升差别愈发明显。同时，火羽流分区转折点L／Q2／5数值不同于自由火焰，前者随火灾强度增大呈减小趋势，后者则与火灾强度无关［14］。自由火焰，随火灾强度Q增大，火焰长度L不断增加，两者之比（L／Q2／5）趋于定值。而隧道内部火焰受围护结构遮挡，无法充分发展，火焰长度L增长受限，随火灾强度Q增大，两者之比（L／Q2／5）不断减小。

引入无量纲参数，由式（3）表示，经回归整理得到隧道内受限火羽流3个分区无量纲轴线温升准则关联式，见表3。

式中：Q为火灾热释放速率，MW；ρa为环境空气密度，kg／m3；cp为环境空气比热容，kJ／（kg·K）；g为重力加速度，m／s2；H为隧道高度，m；T0为外界环境温度，K；V为等效横流风速，m／s；L为火焰长度，m；ΔT为烟气温升，K。

图3 不同火灾强度火羽流轴线图（a）3 MW；（b）6 MW；（c）9 MW

图4 不同火灾强度火羽流轴线温升图（a）3 MW火羽流轴线温升图；（b）6 MW火羽流轴线温升图；（c）9 MW火羽流轴线温升图

表3 轴线温升无量纲准则关联式

显然，引入风速修正后，轴线温升回归关联式与McCaffrey半经验公式形式相似。

3.4 顶板下方烟气最大温升

由图4可知，上述工况火焰高度均未达到隧道顶拱，顶板下方为浮羽流区控制，在顶板下方形成一定厚度烟气层，烟气层平均厚度Hy满足式（4）为［15］

式中：Ep为顶板下方空气卷吸系数，取0.12；H为隧道高度，m。

不同火灾强度顶板下方Hy厚度处烟气最大温升随等效风速变化规律如图5所示。当火灾强度一定时，顶板下方烟气最大温升ΔTmax随等效风速V的增大急剧下降。当等效风速V＞2.0 m／s时，烟气最大温升变化趋缓。

图5 顶板下方烟气最大温升图

为进一步验证模拟结果可靠性，选取部分国内外火灾实验结果［16-21］，隧道火灾实验情况见表4，其中前三组为缩尺模型实验，后三组为大尺度火灾实验。定性比较顶板下方烟气最大温升（如图6所示）。

表4 隧道火灾实验一览表

图6 烟气最大温升模拟结果与实验结果比较图

模拟结果与缩尺模型实验及大尺度火灾实验结果变化规律极为相似，证明模拟计算结果是可靠的。

为使模拟成果不失普遍性，进一步将顶板下方烟气最大温升ΔTmax回归整理，得无量纲准则关系式（5）为

式中：0.022≤Q*≤0.066；0.182≤V*≤0.424。

4 结论

通过上述研究可知：

（1）模拟计算火焰与自由火焰分区规律类似，但自由火焰分区转折点与火灾强度无关，而模拟计算火焰分区转折点随火灾强度增大不断减小；随着火灾强度增大，等效风速对火羽流轴线温升的影响越发明显，尤其当风速V＝1.5 m／s时，差别更显著；

（2）参考McCaffrey半经验公式，引入风速修正，回归整理得到3个分区轴线温升无量纲准则关联式；

（3）顶板下方烟气最大温升随等效风速增大而减小，且模拟计算结果与经典实验实测结果变化规律相似，证明模拟计算结果是可靠的。

［1］ Hu L.H.，Yang D..Longitudinal distributions of CO concentration and difference with temperature field in a tunnel fire smoke flow［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2010，53：2844-2855.

［2］ Ingason H.，Ying Z.L..Model scale tunnel fire test with longitudinal ventilation［J］.Fire Safety Journal，2010，45：371-384.

［3］ 王震，张林华，徐琳，等.集中排烟隧道烟气逆流距离两区域模型研究［J］.山东建筑大学学报.2014，1（29）：54-58.

［4］ 易亮，杨洋，徐志胜.纵向通风公路隧道火灾拱顶烟气最高温度试验研究［J］.燃烧科学与技术，2011，11（2）：109-114.

［5］ 李颖臻.含救援站特长隧道火灾特性及烟气控制研究［D］.成都：西南交通大学，2010.

［6］ 赵红莉，徐志胜，李洪，等.坡度对隧道火灾烟气温度分布的影响［J］.中南大学学报，2013，44（10）：4257-4263.

［7］ 吴小华，李耀庄，易亮，等.隧道集中排烟模式下火灾数值模拟研究［J］.安全与环境学报.2010，10（6）：145-149.

［8］ 徐琳，张旭，朱春.耦合风扰作用下火源热烟羽受限扩散规律实验研究［J］.应用基础与工程科学学报，2010，18（4）：589-598.

［9］ Jones W.P.，Linsateddt R.P..Global reaction schemes for hydrocarbon combustion［J］.Combustion and Flame，1998，73：233.

［10］徐琳，张旭.风口非对称布置排烟隧道耦合烟控参数CFD寻优分析［J］.土木建筑与环境工程，2009，3（31）：119-123.

［11］Wu Y.，Baker M..Control of smoke flow in tunnel fires using longitudinal ventilation systems-a study of the critical velocity［J］.Fire Safety Journal，2000，35：363-390.

［12］Huang C.C.，Edwards J.C..The critical ventilation velocity in tunnel fires-a computer simulation［J］.Fire Safety Journal，2005，40：213-244.

［13］陶文铨.计算流体力学［M］.北京：中国建筑工业出版社，1991.

［14］McCaffrey B.J..Momentum Implications for Buoyant Diffusion Flames［J］.Combusition and Flame，1983，52：149-167.

［15］Alpert R.L..Turbulent Ceiling-Jet Induced by Large-Scale Fires［J］.Combust Science Technology，1975，11：197-213.

［16］Ingason H..Heat Release Rate from Heavy Goods Vehicle Trailers in Tunnels［J］.Fire Safety Journal，2005，40：646-668.

［17］李颖臻，雷波.隧道火灾模型试验中模型列车对烟气控制的影响［J］.铁道学报.2010，32（5）：136-139.

［18］Ying Z.L.，Bo L.，Ingason H..The maximum temperature of buoyancy-driven smoke flow beneath the ceiling in tunnel fires［J］.Fire Safety Journal，2011，46：204-210.

［19］Lemaire T.，Kenyon Y..Large scale fire tests in the Second Benelux tunnel［J］.Fire Technology，2006，42：329-350.

［20］Santoianni D.A.，Gonzales J.A..Momerial Tunnel Fire Ventilation Test Program-Test Report［R］.America：Massachusetts Highway Department and Federal Highway Administration，1995.

［21］Public Works Research Institute..State of the road tunnel equipment in Japan-ventilation，lighting，safety equipment［R］.Japan：Public Works Research Institute，1981.

（学科责编：吴芹）

Study on structure partition and thermal parameters of natural gas flame under the influence of cross w ind

Xu Lin1，2，3，Chang Jian1

（1.School of Thermal Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Key Laboratory of Renewable Energy Utilization Technologies in Building，Ministry of Education，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；3.Key Laboratory of Renewable Energy Utilization Technologies in Building，Shandong Province，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

The central smoke extraction system is often brought into the tunnel design because of the advantages of both the longitudinal ventilation and central smoke extraction system with the development of transportation.The way ofmastering the change rule of thermal parameters was the focus of attention.Based on the design of a highway tunnel with central smoke extraction systems，nature gas fire has been simulated to evaluate the trajectory and structure partition of the fire plume and themaximum temperature rise of smoke underneath tunnel ceiling.3 kinds of heat release rate and 5 kinds of equivalent velocity are chosen in the study.According to the results，the structure partition of simulation flame is similarwith thatof free flame.However，the turning pointof simulation flame decreaseswith the augmentof heat release rate.Furthermore，the equivalent velocity has a great influence on the temperature rise of fire plume axis with the increase of heat release rate.Introducedwind speed modified，the dimensionless formulae of temperature of fire plume axis for application use are given out.Themaximum temperature rise decreaseswith the augment of equivalent velocity，and the change rule of simulation results are similar to the previous experiments results.

crosswind；nature gas flame；partition；fire plume axis；temperature rise

U453.5s

A

1673-7644（2015）02-0110-06

2014-12-13

国家自然科学基金项目（51108254）；山东省自然科学基金项目（ZR2009FQ008）

徐琳（1979-），女，副教授，博士，主要从事隧道通风防灾等方面的研究.E-mail：xlzxq＠sohu.com