庚烷池火羽流热反馈效应理论分析和仿真研究

第17卷 第11期 中 国 水 运 Vol.17 No.11 2017年 11月 China Water Transport November 2017收稿日期：2017-08-07作者简介：张必彦（1988-），女，湖北武汉人，工学硕士，中国人民解放军91550部队助理工程师，研究方向为测试技术。

庚烷池火羽流热反馈效应理论分析和仿真研究张必彦１，罗 斌2，李良才2（1．中国人民解放军91550部队，辽宁 大连 116023；2．中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430000）摘 要：火焰羽流热反馈是火灾发生过程中能量传递的一种重要形式，是火势发展和蔓延的重要影响因素，具有重要的理论研究和工程应用价值。

本文以开放空间庚烷油池火燃烧为例，在池火燃烧热平衡方程分析的基础上建立了火焰羽流热反馈简化模型，并提出了火羽流热反馈效应的计算公式；建立庚烷油池火CFD 模型，对油池火的火灾特性参数以及火焰羽流热反馈效应进行仿真分析，对理论分析结果进行仿真验证。

研究结果表明：1m 2庚烷油池火燃烧过程中，由火羽流热辐射和热对流效应引起的油池质量损失率的变化约占总的质量损失率的53%和37%，是影响液体火灾发生发展的重要因素。

关键词：火焰羽流热；燃烧；仿真；液体火灾中图分类号：TU998 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2017）11-0028-03一、引言火焰羽流热辐射和热传递特性与火灾的发生发展密切相关，它既是火灾蔓延的基础，又是造成人员伤亡的直接原因之一，因此开展火灾中热辐射和热传递规律理论研究能够为舰船火灾消防和防火结构化设计提供参考，具有重要的现实意义。

油池火作为最具代表性的火灾燃烧形式，能够反映火灾的发生发展规律，受到了国内外学者广泛关注。

基于油池火热辐射和热传递规律的研究在油池火焰与燃料间的热对流、热辐射和热传导作用的理论和仿真分析基础上，系统分析油池火热效应的影响因子，深入探讨油池火热反馈及热传递对火灾发生发展、火灾蔓延和人员逃生等的影响，对火灾热辐射和热传递特性的研究分析具有重要指导意义。

本文以庚烷池火燃烧为例，对池火燃烧过程中的热反馈和热传递机理进行理论分析和仿真研究：①对庚烷燃烧过程中的热效应进行理论分析，建立池火热平衡方程；建立油池火焰圆柱体模型，对火羽流的热辐射和热对流效应进行理论分析，并对油池燃烧与火羽流热反馈之间的相互关系进行分析；②建立开放空间油池火燃烧CFD 模型，对庚烷燃烧过程中的热反馈效应进行仿真分析。

二、池火热效应理论分析 1．池火热平衡方程如图1所示，以油池燃料庚烷为研究对象，由池火燃烧热平衡方程可得：,f f abs Q Q =（1）f f cond f rad f conv s cond s rad s convQ Q Q Q Q Q Q ------=+++++ （2） ,f abs heat evap re radQ Q Q Q -=++ （3）f conv f radQ -- f condQ -s condQ -s s radQ Q --+ Q - v mH图1 庚烷燃料燃烧过程中的能量传递示意图式中fQ 为油池火燃烧过程接受到的来自火羽流的热量；,f abs Q 为庚烷燃烧过程中的吸热量；f cond Q - ，f rad Q - ，f conv Q - 分别为火羽流区（发光区）对庚烷的传导热、辐射热和对流热；s cond Q - ，s rad Q - ，s conv Q - 分别为烟羽流区（非发光火焰区）对庚烷的传导热、辐射热和对流热；re rad Q - 为油池表面的辐射热损失；heatQ 为庚烷加热过程中的吸热量；evap Q 为庚烷蒸发过程中的吸热量。

池火焰热反馈与庚烷燃烧速率成正相关，这一反馈过程与池火羽流的形状、辐射发射率以及温度的空间分布有关[2-3]。

为了简化分析庚烷燃烧过程中的热传递规律，本文提出以下假设：第11期 张必彦等：庚烷池火羽流热反馈效应理论分析和仿真研究 29（1）相比火羽流，烟羽流与庚烷燃料没有直接接触，烟羽流的热反馈作用可以忽略不计。

（2）油池稳定燃烧阶段，庚烷温度保持不变，忽略油池边缘的吸热效应以及燃料的热辐射损失。

（3）目标物体距离油池火焰满足3R D >时，油池火羽流可用一过油池中心线的火墙面代（4）火羽流分析过程中采用单区域模型，整个火焰表面辐射发射功率相同。

在上文油池火燃烧相关假设的基础上，联立式（1）（2）（3）可得：f cond f rad heat evap v Q Q Q Q mH --+=+= （4）式中v H 为庚烷的汽化潜热；p c 为庚烷的定压比热容。

2．火羽流热反馈火羽流热反馈主要是指火羽流与庚烷燃料之间的热传递，包括辐射热、对流热和传导热，它们同时存在于整个火灾发生发展过程中。

本文在假设2的基础上，主要对火羽流的热辐射和热对流进行理论分析。

（1）火羽流热辐射效应火羽流热辐射是油池火焰发射出的一种电磁辐射，与火焰形状、尺寸和表面位置等有关。

为了计算火羽流的热辐射，本文建立了油池火焰圆柱体模型，则无风条件下火羽流对庚烷燃料的热辐射为：f rad top sideQ EF EF ττ-''=+ （5）221(22f top H F r =+ （6）1)4side f F H r=（7） 4f E T εδ= （8） 式中τ为大气透射率，可采用10.058ln()R τ=-计算，R 为理想气体常数；r 为油池圆柱体火焰半径；top F ，side F 分别为火羽流顶部和侧面的视角系数；E 为圆柱体火羽流的辐射发射功率；f H 为火羽流高度，可采用经验公式2/50.23 1.02fH QD =- 计算；T f为火羽流平均温度。

为了计算火羽流平均温度T f 和圆柱体火羽流的辐射发射功率，本文在2.1小节的相关假设的基础上对无风条件下与庚烷液面等高距油池中心线4r 处目标物体的热辐射进行分析，满足以下等式：,f radQ EF τ''=（9） 11tan tan h F s sππ--=-- （10）联立等式（5）～（10），则可由目标物体受到的热辐射,f rad Q 得到油池火燃烧过程中庚烷受到的辐射热反馈。

（2）火羽流热对流效应热对流是羽流热气体与燃料表面之间的热交换，与羽流温度、油池表面温度等有关。

油池表面受到的热对流为：()f conv f s Q hA T T -=- （11） 式中h 为对流传热系数，本文取h=10W/（m 2*K）；T f 为火羽流平均温度；、T s 为油池表面温度（环境的温度）。

（3）火羽流热反馈的联合效应火羽流对庚烷燃料的热反馈对油池火的发生发展起着重要作用，本文在第二部分第1小节的基础上对庚烷燃料的质量损失率这一重要参数进行分析，可得：/(),i f i vm Q L i rad conv -==（12）式中L v 为庚烷的蒸发潜热。

则庚烷燃烧过程中的质量损失率m为 f rad f conv m m m --≈+ （13）三、庚烷油池火CFD 仿真分析以无风条件下开放空间庚烷油池火为研究对象，其中油池面积为1×1m 2，庚烷液面高度为8mm，采用火灾仿真软件Pyrosim 对庚烷油池火燃烧过程中的热释放速率、质量损失率以及距油池中心线2.26m 处与庚烷液面等高处的辐射热流等参数进行仿真分析，各个参数的仿真结果如图2~图4所示。

图2 热释放速率变化曲线图3 质量损失率变化曲线图4 距中心线2.6m 与油池液面等高处的辐射热流变化曲线30 中 国 水 运 第17卷由图2~4可知：（1）庚烷油池火燃烧初期，油池火由着火初期迅速发展到稳定燃烧阶段，持续时间约15s；在稳定燃烧阶段庚烷油池火的热释放速率为1,350KW。

（2）庚烷油池火质量损失率和关键部位辐射热流与热释放速率具有相同的变化规律：在稳定燃烧阶段，油池火的平均质量损失率和平均辐射热流约为0.3kg/s 和7kW/m 2。

在油池火热释放速率、质量损失率以及关键部位辐射热流仿真分析的基础上，本文依据小节2中的火羽流热反馈理论模型分别对油面受到的辐射热流、对流热流以及二者引起的质量损失率进行理论分析。

图5 火羽流热效应引起的质量损失率变化曲线 如图5所示，在庚烷油池火燃烧过程中，由火羽流热辐射效应和热对流效应引起的质量损失率与油池火质量损失率具有相同的变化规律：（1）辐射热效应引起的平均质量损失率约为0.16kg/s，占油池火质量损失率的53%；（2）对流热效应引起的平均质量损失率约为0.11kg/s，占油池火质量损失率的37%。

四、结论本文在油池火热平衡方程分析的基础上，建立了庚烷油池火热反馈理论模型，主要对火羽流热辐射和热对流效应及其联合效应进行理论分析，对火灾的发生和发展机理进行深入探讨。

为了更好地分析油池火的热反馈效应，本文采用Pyrosim 仿真软件建立了1m 2油池火CFD 仿真模型，对油池火的热释放速率、质量损失率以及距油池中心线2.26m 处与庚烷液面等高处的辐射热流进行仿真分析，并在油池火热反馈理论模型的基础上对液体燃料质量损失率的影响因素进行了探讨分析，研究结果表明：热辐射和热对流效应是造成庚烷液体持续燃烧的主要因素。

因此，在火灾发生发展过程中，减少火羽流的热辐射或热对流效应能够有效的限制火灾的蔓延，对火灾扑救具有重要的参考意义。

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