有限长度倾斜通道内火灾近上壁面区域温度特性

霍岩，赵建贺

(1.哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨150001;2.中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094)

随着现代交通业的迅猛发展，各种穿山隧道、过海隧道等通道式建筑如雨后春笋般涌现，其中不乏坡形隧道和地铁出入口等具有一定倾斜角度的通道，这些倾斜通道一旦发生火灾时会呈现出与常规空间不同的复杂烟气蔓延流动情况，因此对其内部的火灾探测器布置等提出了更高的要求。对于水平通道内上壁面附近烟气蔓延情况已经有一定的研究成果，例如Delichatsios［1］曾得到2个平行竖直梁间的烟气温度衰减经验公式;Evers［2］和胡隆华［3］等通过理论推导及实验分析认为温度沿通道顶棚呈幂指数衰减;Li等［4］研究了通道上壁面下最高热烟气温度。对于倾斜通道内灾所产生的烟气蔓延情况，Chow［5］及 lip［6］都通过实验观察到了热烟气会随着通道倾斜角度不同而发生偏移，霍岩和周榕等［7-8］对倾斜通道由两端开口流进流出时的中性面高度进行了研究，Hu等［9］通过模型实验拟合了倾斜通道上壁面附近最高温度计算公式。然而，对于实际工程应用中的某些长度有限并且倾斜角度较小的通道，虽然其内的热烟气流动与水平通道不完全一致，但也不完全具备大倾角长通道内相关流动特性，因此对于此类倾斜通道内火灾时近上壁面温度变化规律始终无可工程应用的简单公式。本文采用实验和理论推导相结合的方式，对一有限长度倾斜通道内由液体燃料产生的热烟气依靠自然对流的作用在通道近上壁面附近的运动情况和温度分布规律进行了研究，得到相对简单的温度变化公式，所得结果对于倾斜通道内上壁面火灾探测器的布置以及排烟设计等均具有一定的指导意义。

1 通道内火灾实验概述

倾斜矩形通道实验装置如图1所示，通道尺寸为:120 cm(长)×16 cm(宽)×20 cm(高)，通道两侧为自然开口。除正面安装0.5 cm厚的玻璃可对实验现象进行观察和记录外，整个通道由0.5 cm厚的胶合板组成，通道上壁面采用厚0.2 cm的铁皮进行热防护。在通道底部中心放置一直径为φ的圆形燃料池。实验用火源的燃料分别为甲醇、乙醇和丙醇。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic of experimental apparatus

实验中的测温热电偶布置于通道上壁面以下2 cm的中心截面上，采用直径为0.5 mm的K型热电偶裸丝测量温度。实验通道整体图和热电偶测点具体布置如图2所示。

图2 倾斜通道实验示意图Fig.2 Schematic of fire in inclined channel

按图2中所示的旋转方向，本文分别进行了通道倾斜角度 θ为 0°、3°、6°和 9°时，通道内由液体燃料火源造成的近上壁面温度分布情况实验。实验所使用的燃料池边沿均高1.0 cm，燃料池直径φ分别为2.6 cm和6.0 cm，燃料质量分别对应3 g和6 g，均可以铺满燃料池底部并可以使热流场维持一定的稳定时间。实验过程中环境温度保持为22℃。实验室的门窗和机械通风等被关闭，以防止对实验结果造成影响。

2 实验结果与分析

图3为φ=2.6 cm并且使用丙醇燃料时，不同通道倾斜角度时通道近上壁面典型位置温度变化。由图3可以看出通道上壁面附近的最高温度随着倾斜角度增大而降低;而且热烟气在浮力作用下使通道内的高温区域随倾斜角度的增大而向高端开口方向偏移，同时最高温区域由近燃料池正上方的T6测点所在区域向临近的T7测点所在区域偏移;火源熄灭后通道内的温度迅速下降，这是由于通道的长度有限，一旦失去热源，通道内的热量迅速散失。

图3 通道近上壁面温度变化(φ=2.6 cm，燃料丙醇)Fig.3 Temperature variation of near ceiling(φ =2.6 cm，propanol as fuel)

如图4所示，若将通道内由火源产生的热烟气前锋在通道上壁面附近的运动简化为一维运动，则有引射的浮力驱动烟气流动稳态方程［10］可以表达为如下形式:

连续性方程:

式中:ρ为空气密度值，ρ0为环境空气密度，h为烟流的厚度，we为水平卷吸系数。

动量方程:

能量方程:

式中:T为热烟气温度，Tw为壁面温度，T0为环境温度，α为换热系数。

图4 简化通道内流场模型微元分析示意图Fig.4 Schematic of simplified micro-element analysis model for fire in channel

水平卷吸系数可以简化表达为we=βu，其中β取值为0.000 15、摩擦系数取值范围cf=0.005 5－0.007 3［6］，其取决于壁面的粗糙度。动量方程中的小量－ρ0weu0项可以略掉，则方程可简化为

连续性方程

动量方程

能量方程:

将式(5)代入式(7)，得到

对式(8)积分并代入边界条件x=xr，T=Tr，得

所以沿通道顶棚温度衰减化为

式中:K称作温度衰减系数。

由式(10)可以看出，在通道上壁面附近的射流温度沿着通道呈指数衰减。

若将K视作为系数，对方程进行无量纲化，设火源顶部距火源最近热电偶测点温度为参考温度Tr，距离参考点距离x的温度值为T，则定义无量纲温度为T*=(T－T0)/(Tr－T0)。设离开参考点的距离为(x－xr)，最远距离为 (xmax－xr)，定义无量纲距离为x*=(x－xr)/(xmax－xr)。则

式中:A为修正系数，表示由于通道尺度等边界条件带来的影响，根据通道不同A取值不同。对于本文的实验结果，经过初步拟合后发现A值均在0.9～1.1，所以对本文的通道条件，取平均值A=0.96。则对不同的倾斜角度通道内温度拟合结果如图5～7所示。由图可以看出，随着通道倾斜角度的增大，通道下游上壁面附近的热烟气温度衰减明显变慢，而通道上游上壁面附近的热烟气温度衰减则逐渐加快。无量纲温度衰减拟合曲线也清楚的说明了以上现象，即随着通道倾斜角度增大，对于通道上游，衰减系数K逐渐变大，而对于通道下游，衰减系数K逐渐变小。

图5 实验结果拟合(φ =2.6 cm，燃料甲醇)Fig.5 Fitting curves of experimental results(φ =2.6 cm，methanol as fuel)

图6 实验结果拟合(φ=2.6 cm，燃料乙醇)Fig.6 Fitting curves of experimental results(φ =2.6 cm，ethanol as fuel)

图7 实验结果拟合(φ=6 cm，燃料甲醇)Fig.7 Fitting curves of experimental results(φ =6 cm，methanol as fuel)

温度衰减系数随着通道倾角的变化如图8所示。由图中可以看出，燃烧池直径增大后，温度衰减系数降低，说明火源增大后，上壁面的温度衰减程度减弱。而且，对于同一种火源来说，随着倾角增大，温度衰减系数呈近似线性变化，将对温度衰减系数在不同倾斜角度条件下再次进行结果拟合，分别得到了通道上游、下游温度衰减系数的变化规律。对于通道上游:

式中:θ为通道倾斜角度，(°)。对于通道下游:

由拟合的结果可以看出，随通道倾角的变大，通道上游的温度衰减系数以0.068的斜率逐渐增大，通道下游的温度衰减系数以0.088的斜率逐渐减小，即在通道下游的温度衰减程度要大于上游的增加程度。

图8 温度衰减系数随角度变化规律Fig.8 Variation of temperature decay coefficient versus inclination angle

图9～11为实验结果与通过式(12)～(14)的计算结果比较，由图中可以看出，使用拟合的公式可以较准确地预测出通道内近上壁面附近温度的变化，这说明使用基于水平通道的温度变化公式，仅改变其温度衰减系数的方式可以用来近似估计具有一定倾斜角度时的通道近上壁面温度变化。

然而，本文对于温度衰减系数的拟合结果是在通道的倾角在0°≤θ≤9°这一范围内得到的，并且仅考虑液体燃料产生的热烟气在自然对流的作用下运动过程，加上研究的通道长度有限，在通道内所涉及的区域均距离火源相对较近，因此有其有效的范围，在今后的工作中将逐步对其进行完善。

图9 实验结果与计算结果比较(φ=2.6 cm，燃料甲醇)Fig.9 Comparison of experimental and calculated results(φ =2.6 cm，methanol as fuel)

图10 实验结果与计算结果比较(φ=2.6 cm，燃料乙醇)Fig.10 Comparison of experimental and calculated results(φ =2.6 cm，ethanol as fuel)

图11 实验结果与计算结果比较(φ=6 cm，燃料甲醇)Fig.11 Comparison of experimental and calculated results(φ =6 cm，methanol as fuel)

3 结束语

本文分别在通道倾斜角度为0°、3°、6°和9°时条件下测量了通道上壁面下2 cm的烟气温度。通过对实验结果的分析，确定了有限长度通道倾斜一定的角度范围内可以利用水平通道温度变化公式，只调整温度衰减系数K的方式来获得其温度变化规律，并拟合了K随通道倾角变化公式。

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