火源位置对腔室火流动特性影响的实验研究

李子龙,高 威

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

0 引言

在腔室火灾中，外部新鲜空气从腔室开口下部进入，气体产物或未燃尽燃料从开口上部溢出。这一开口流动过程是维持腔室火灾的基本过程。腔室火流动特征与腔室内温度分布及热量传递紧密耦合，共同决定了腔室火灾的蔓延特征。此外，开口流动特征决定了腔室通风状况，是建筑火灾安全设计中着重考虑的因素。

对于充分发展的腔室火灾，开口质量流率显著影响了内部燃料的质量损失速率及热释放速率[1,2]。在实际腔室火灾中，室内温度在高度方向上往往呈现非均一分布，为理论表征带来了极大困难。为此，学术界通常采用简化的“区域模型”，即假设腔室内温度呈现单层或者双层分布，以便于建立腔室内的质量能量守恒方程。对于双层模型，由于其相比于单层模型额外引入了烟气层高度变量，通常需要添加卷吸流率方程以实现模型封闭。为此，McCaffrey和Rockett[3]率先将实验结果与Steward[4]羽流模型进行比较，发现模型预测明显低于实验值，需要对卷吸系数进行大幅修正。Steckler等[5]在其卷吸模型中引入Zukoski等[6]的经典点源羽流模型，与全尺寸实验结果对比发现，仅在靠近壁面处符合较好，而在腔室其他位置实验值是预测值的2～3倍。Pikiokos和Kolaitis[7]通过全尺寸实验与模型预测对比发现，火源位置对模型预测精度有重要影响。

尽管已认识到其重要性，学术界对于火源位置对腔室火灾特性影响的研究仍较为匮乏。Jeong和Ryou[8]通过实验和模拟发现，火源在壁面处会造成烟气层温度、平均火焰高度、开口中性面高度及燃烧稳态时间的增加。Hwang等[9]发现，火源位置及燃料分布对烟气层为单层分布下的腔室火灾特性影响并不显著。目前的研究主要采用腔室中央[10,11]、贴近壁面处[12-14]和墙角处[14-16]三个典型的火源位置，尚未对火源位置的影响进行系统性研究。此外，前人模拟的腔室火灾多为通风受限场景[8,9,13,17]，其内部烟气为单层分布。而实际火灾中，火灾发展初期其内部烟气层通常容易形成分层的双层场景。

针对以上问题，本文开展了小尺度腔室火灾实验，通过测量不同火源热释放速率及位置下腔室内部及开口流动特性的变化，探究火源位置对腔室火灾特性的影响。研究结果可为相关场景下的腔室火灾理论模型提供实验结果支撑。

1 实验设置

图1所示为本文采用的小尺度腔室火灾实验台，包括小尺度腔室、数据测量系统和火源。腔室尺寸为700 mm(长)×700 mm(宽)×545 mm(高)，内壁及顶部覆盖30 mm厚硅酸铝盐防火板，以减少内部导热损失。腔室正面采用5 mm厚耐高温陶瓷微晶玻璃，以观察内部燃烧过程及火焰形态。腔室侧面中心处设有开口，尺寸固定为180 mm(宽)×440 mm(高)。为避免腔室在长时间高温下变形，主体结构采用5 mm厚不锈钢板，在侧面和顶部焊接钢条固定。

图1 实验装置示意图(a)及测量布置(b)Fig. 1 Experimental setup (a) and measuring arrangement (b)

为实现火源在水平方向的任意移动，腔室底部中线上设有狭槽。燃烧器固定于铝板上通过螺栓与腔室底部连接，铝板在水平方向移动可以改变火源位置。选用直径75 mm的圆形甲烷气体燃烧器作为火源。以上火源与腔室尺寸的比例与Steckler等[5]的经典研究中基本一致。燃烧器与腔室底面平齐，在内部设有多孔过滤装置以保证气体流动均匀性。通过调节气体流量控制器及下方滑板模拟不同热释放速率(1.97 kW～23.90 kW)及火源位置(燃烧器边缘与壁面距离为S)。

腔室开口中线上沿不同高度布置了10根皮托管(Dwyer 160S-18型)，通过与微压差计(Dwyer 607-01和607-11型)连接测量流速。皮托管间距为45 mm，测量方向与开口平面垂直。在每根皮托管上方附有细粗两根K型露端式热电偶(节点直径分别为(0.3±0.02) mm与(0.8±0.02) mm)测量温度并对热辐射进行修正。为获得内部温度分布情况，在距离腔体边缘50 mm处的侧壁上沿高度方向开有1 mm的孔，热电偶(节点直径(0.3±0.02) mm)由壁面穿过并通过外部铝条固定，其在腔室内部浸入长度为50 mm，在内侧角落沿高度方向共布置19个测点。所有速度、温度数据的采样频率均为20 Hz频率。

为观测腔室内部火焰形态，在观察窗前布置CCD相机(索尼DCR-SR100)，以每秒25帧的速率进行拍摄。图2所示为图像处理过程。首先将获取的火焰图处理成灰度图，然后采用Otsu方法[18]转换成二值图，通过计算每个像素点的平均值得到火焰间歇率分布。将火焰间歇率0.5处定义为火焰轮廓，通过读取像素点对应长度得到火焰形态数据。

图2 火焰图像处理过程Fig. 2 Flame image processing

2 结果与讨论

2.1 开口压差与速度分布

将压差信号稳态时段取平均值获得不同工况下的压差分布。如图3所示，数据体现出明显的双层分布场景。在中性面以上区域(压差为正)，压差沿高度方向呈线性变化，说明了腔室温度在烟气层上均匀分布。在中性面以下区域(压差为负)，压差分布随高度呈现弱线性变化。其斜率低于中性面以上区域。这是由于压差斜率取决于所在高度的腔室内外温差，对于中性面以下区域而言，其温度显著低于上部烟气层，因此其与外部环境温差相对较小。在同一热释放速率下，火源位置改变显著影响了开口压差分布。当火源由壁面向开口移动，在开口中性面以上，同一高度处压差变大，这与McCaffrey和Rockett的结论一致[3]。相应的，中性面高度及流速也会受到影响。

图3 腔室开口处压差分布(热释放速率1.97 kW(左)和8.96 kW(右))Fig. 3 Pressure distribution along the opening for HRR of 1.97 kW (left) and 8.96 kW (right)

根据压差在高度上的线性分布，可以拟合得到压差变化表达式：

(1)

式中，T为腔室上部烟气层平均温度；HN为中性面高度；ρ0为外部环境密度。

由于腔室内烟气层温度与开口中性面高度均会随火源位置改变发生变化，由公式1可知，火源位置变化将导致其开口压差分布发生改变。基于公式1的拟合直线与ΔP=0的交点即为中性面高度。可以看出，在同一热释放速率下，随着火源位置从侧墙向开口移动，中性面高度逐渐降低。对同一火源位置来说，热释放速率的增加会造成更大的压差，也会导致中性面高度的降低。以上对压差数据的拟合仅使用中性面以上的数据，是由于中性面以下温度剧烈降低，公式1将不再成立。线性拟合得到的中性面预测值可能会略高于测量值，这是由于忽略内部压差损耗ΔPint所导致[19]。

(2)

除了以上方法以外，由皮托管测得压差与公式2可以得到开口速度分布，也可以判断中性面高度。如图4所示，当火源处于同一位置时，如S=0.29 m处，热释放速率增大将导致开口流速显著增大。在更大的热释放速率下，烟气层更厚，上部烟气循环卷吸更强温度更高，由此造成更大的内外温差，导致流速变快。相应的，中性面高度从0.23 m降到0.20 m。

图4 腔室开口处速度分布Fig. 4 Velocity distributions along the opening of the comparment

2.2 烟气层与中性面高度

腔室中性面高度的变化会导致开口气体流动发生变化。对于中性面高度的确定，研究者们提出了不同的计算方法。McCaffrey和Rockett[3]认为，可以通过测量腔室内外静压，以静压差在高度上的线性分布计算得到，或测量开口高度上的温度分布以温度积分表达压差计算得到。也有学者通过观察开口处烟气流动估算中性面高度[20]。在本文中，由于开口高度上密集布置了速度测点，由此通过数据与理论公式拟合的方式获取中性面高度。

通过公式1和公式2可知，开口速度在高度上满足：

(3)

图5所示为获得的中性面高度。可以看到，对于绝大多数工况，火源向开口移动时，中性面高度均减小，意味着开口上部有更多空间用于热烟气流出。同时可以发现，与较大热释放速率的工况相比，较小火源热释放速率下，火源位置对中性面高度的影响更为显著。这是因为在较小火源功率下，火源自身流动与温差驱动的开口流动均较弱，上部烟气聚积仅依靠火羽流卷吸作用，而此时其卷吸强度较弱，更容易受开口入流及壁面卷吸受限的影响，因此中性面高度发生显著变化。从火源位置影响程度来看，火源在贴近壁面及靠近开口处时，对于中性面高度的影响显著，而位于腔室中部时，对中性面高度的影响较小。

图5 中性面高度随火源位置变化关系Fig. 5 Neutral plane heights versus fire locations under various heat release rates

烟气层高度可以通过腔室内部温度分布数据得到。图6为不同火源位置下腔室内部温度分布的典型情况。可以看到，对通风良好场景下的腔室火，其内部温度分布呈现明显的分层场景，腔室上部为热烟气层下部为均匀的冷空气层，中部对应温度快速变化的“过渡区”。为更准确地描述上下两层的分界面即烟气层高度，本文假设内部温度在“过渡区”呈线性变化，并采用温度变化最剧烈的两点的均值所对应高度作为烟气层高度。从图6可以看出，火源位置的改变使腔室内温度分布发生了明显变化，当火源由壁面向开口方向移动，上层温度逐渐降低，烟气层高度随之也发生改变。

图6 不同火源位置下腔室内部温度分布(热释放速率8.96 kW)Fig. 6 Temperature distribution in the compartment for HRR of 8.96 kW

相比中性面高度，烟气层高度受火源位置影响更为显著。如图7所示，同一热释放速率下，烟气层高度随着火源向开口移动而逐渐降低，其变化呈现非均匀性。火源位置改变对烟气层高度的影响在壁面附近最显著。当火源移动至腔室中部时，烟气层高度变化减缓。随着向开口靠近，其变化速率又开始加快。这与前文的中性面高度变化规律一致，有明显区域性。可以认为：当火源位于壁面及开口处时，卷吸受限与入流风作用分别是其主要影响因素；而当火源位于腔室中部时，这两方面影响都较弱，导致烟气层与中性面高度变化并不明显。

图7 烟气层高度随火源位置变化关系Fig. 7 Smoke layer heights versus fire locations under various heat release rates

对于烟气层处于稳定高度下的室内燃烧状态来说，可以认为腔室内外的质量流动保持动态平衡。在腔室开口处，出流质量等于入流质量；在腔室内部，通过羽流卷吸抬升到烟气层高度上的质量传递与开口出流质量相等。因此，烟气层高度的变化必将使开口质量流率发生改变。

2.3 开口质量流率

在本文中，通过将开口高度上密度与速度乘积在中性面以上高度进行积分获取开口出流质量流率的实验值。假设在开口宽度方向速度一致，则有：

(4)

式中，ρ与v分别为开口高度z处的气体密度与出流速度；W0为开口宽度；H0与HN分别为开口高度与中性面高度。

图8 火源位置与腔室开口出流质量流率变化关系Fig. 8 Opening mass flow rate as a function of fire location

在腔室火研究中，通常采用伯努利方程与静压表达式对开口质量流率进行理论计算[21]：

(5)

式中，ρg与ρa分别为内部烟气层密度与外部环境密度；Cd为开口流动系数。

图9为实验值与理论计算结果的对比，可以看出，二者符合较好。图9中直线为数据的线性拟合，其斜率即为开口流动系数。以上结果表明，双层模型在本文场景中具有较好的适用性。

图9 理想流动模型与出流质量流率测量值关系Fig. 9 Correlation of opening mass flow rate with idealized flow model

2.4 腔室火焰形态

火源位置对质量流率的影响机制主要在于其火羽流卷吸强度。以往模型中，缺乏对内部流动的观察是导致质量流率预测偏差的重要原因[7]，尤其是火源位置发生改变时偏差更为明显。鉴于此，本文还对不同火源位置下腔室内火焰形态的演化特征进行研究。

图10所示为火焰高度Hf及火焰水平伸长量Lx的定义，这两个参数反映了腔室内火焰受到开口入流影响的程度。

图10 火焰高度与火焰水平伸长量定义Fig. 10 Definitions of flame height and horizontal flame extent

如图11所示，当火源由靠近壁面向开口移动时，在开口入流风的作用下火焰高度单调降低。当火源贴近墙壁或靠近开口时，影响更为明显。这说明了壁面卷吸限制与开口入流风是火焰形态发生变化的主要原因。图11中直线表示腔室内火焰能到达的最大高度，即顶棚高度。当火焰达到顶棚时，会冲击顶棚发生顶棚射流，甚至导致火溢流的发生。

图12 火焰水平伸长量与火源位置变化关系Fig. 12 Measured horizontal flame extents versus fire locations

目前腔室火研究中的火源多位于腔室中部，因此以腔室中央处火源位置Sc作为特征长度能较好反映火源位置变化这一影响。如前文所述，腔室开口流动特征在壁面处及开口处受火源位置影响更大，因此选择Sc作为火源位置S的归一化参数能够更好表示其在靠近壁面处(S/Sc<1)及开口处(S/Sc>1)受到的不同影响程度。以上腔室内部火焰在开口入流风作用下的演化特征与环境风作用下的油池火[22]具有动力学相似性。我们借鉴其理论方法，将火源位置S及火焰水平伸长量Lx分别以火源中心位置Sc及直径D无量纲化，则有：

(6)

式中ρv/ρa为燃料蒸汽密度与环境密度比，前人研究中视为定值，在燃料类型不变情况下可以忽略。

对于未发生火焰附壁现象的场景，将其实验数据根据公式6的函数关系拟合可以得到：

(7)

如图13所示，拟合相关度较好。将密度项耦合进入，则有：

图13 火焰水平伸长量与公式6中无量纲参数的关系Fig. 13 Correlation of horizontal flame extents with the non-dimensional quantities in eq.(6)

(8)

对发生火焰附壁现象的场景，公式8将不再适用。由图12可以发现，火源位置S较小时，火焰会随热释放速率增大发生附壁现象，此时水平伸长量Lx不再发生改变，达到最大值：

Lx_max=S+R

(9)

式中R为火源半径。此时，通过公式8的预测值将会大于这一最大水平伸长量的限制。

因此，结合火焰是否发生附壁这两种情况，不同火源位置下腔室内部火焰水平伸长量应为这两者计算值中较小值，结合公式8和公式9有：

(10)

这一表达式可用于不同工况下的Lx计算。

3 结论

本文通过一系列小尺度腔室火实验，研究了火源位置变化对腔室火流动特性的影响。主要结论如下：

(1)火源位置改变会造成中性面高度及开口流速的显著变化。随着火源向开口方向移动，中性面高度降低，同一高度上出流速度增大。

(2)腔室内烟气层高度随着火源向开口方向移动而降低。与火源强度相比，火源位置变化对烟气层高度的影响更为显著。

(3)火源位置对中性面高度及烟气层高度的影响在壁面处及开口处更为显著，腔室中部位置变化的影响相对较小。

(4)开口质量流率会随着热释放速率增加而增大，并随着火源位置向开口方向移动而增大。

(5)火源由壁面向开口移动，会造成火焰高度降低和水平伸长量增加。基于实验数据，给出了耦合火源位置的腔室内火焰水平伸长量的表达式。