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受限空间竖直开口处的喘振流动研究 摘要 室内火灾是火灾科学研究的重点，学者们对室内火灾做了大量的理论以及实验研 究，而当受限开口空间内部存在热源时，开口处会出现喘振现象。喘振是一种有规律的 烟气往复运动，并且是火灾中普遍存在的现象，对其研究具有现实意义。只有当热膨胀 压力与热浮力大小接近，也就是临界状态时，开口处才会发生明显的喘振现象。目前， 国内外对喘振的研究方向多集中在水平开口、小空间，对竖直开口大空间的研究还比较 少。本文主要研究了竖直开口、热源存在情况下，i s 0 9 7 0 5 标准房间喘振发生的情况， 并找出i s 0 9 7 0 5 标准房间喘振效果最明显的情况以及喘振频率的大小。 本文介绍了开口空间火灾的研究现状，总结了影响喘振的关键因素以及相关的计算 方法。根据理论分析，本论文最终选取了1 0 种不同开口尺寸、不同开口位置模型进行 模拟研究，模拟软件为f d s ( 火灾模拟软件) 。a 、b 、c 、d 模型分别选取四种不同的 竖直开口高度，开口尺寸统一为o 8 m x 0 5 m ，模拟结果显示：底部开口情况( d 模型) 最 容易发生喘振现象，并且喘振频率为0 4 5 h z 左右。后六种模型统一选取了底部开口情 况，通过改变开口尺寸，对喘振现象做了进一步研究，发现：并不是底部开口就可以发 生喘振现象，开口面积的大小与喘振有直接联系，并且相同开口面积、不同宽高比的模 型喘振强度也不同。 根据模拟结果，本文选取a 、b 、c 三个模型进行实验验证，实验在i s 0 9 7 0 5 标准 房间中进行，并且实验条件与模拟条件相同。实验所得结果与模拟结果基本一致，a 、 b 情况没出现喘振，c 模型出现喘振现象。 本文模拟结果可以为竖直开口房间火灾的研究提供一定的参考，对喘振的研究有实 际意义。 关键词：竖直开口；喘振现象；受限空间；f d s ；i s 0 9 7 0 5 房间实验 a b s t r a c t e n c l o s u r ef i r e sa r ea l w a y sc o n s i d e r e da sak e yp o i n tf o rt h es c i e n c eo ff i r e s m a n yw o r k s h a db e e nd o n eo nt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e so f f i r e sb ys c h o l a r s ，w h e nt h ec o n f i e n d e n c l o s u r ee x i s t sas m a l lv e n t ，i tw i l la p p e a ro s c i l l a t i o np h e n o m e n o nt h r o u g ht h eo p e n i n g s o s c i l l a t i o ni sar e g u l a rg a sr e c i p r o c a t i n gm o t i o n ，w h i c hi sa l s oa c o m m o np h e n o m e n o ni nf i r e ， a n di ti ss i g n i f i c a n tf o rf i r er e s e a r c h o n l yw h e nt h e r m a le x p a n s i o np r e s s u r e l se q u a lt o b u o y a n c y , w h i c hi st h ec r i t i c a ls t a t e ，t h eo p e n i n gw i l lo c c u ro b v i o u so s c i l l a t i o n ，a tp r e s e n t ， d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c ho nt h eo s c i l l a t i o nm o s t l yc o n c e n t r a ti nas m a l le n c l o s u r e w i t hh o r i z o n t a lo p e n i n g s ，b u tf e wf o rv e r t i c a lo p e n i n g s t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e sw h e nt h e o s c i l l a t i o nh a p p e n e da n dw h e nt h eo s c i l l a t i o np h e n o m e n o n sc o m eo b v i o u s l yd u i n gi s 0 9 7 0 5 r o o mw i t hv e r t i c a lo p e n i n g s f i n a l l y , w ew i l lf a n dt h eo s c i l l a t i o nf r e q u e n c y t h i st 1 1 e s i sd e s c r i b e dt h ep r e s e n tr e s e a r c h e sa b o u tt h ef i r ew i t ho p e n i n g s ，s u m m a r i z e dt h e k e vf a c t o r sa f l e e t i n go s c i l l a t i o na n da s s o c i a t e dc a l c u l a t i o n s a c c o o r d i n gt o t h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s t h i st h e s i sf i n a l l ys e l e c t e dt e nd i f f e r e n to p e n i n g s i z e st os i m u l a t ew h i c hh a dd i f f e r e n t o p e n i n gp o s i t i o n s t h es i m u l a t i o ns o f t w a r e i sf d s ( f i r ed y n a m i c ss i m u l a t o r ) a ，b ，c ，d m o d e l s 、v e r es e l e c t e di nf o u rd i f f e r e n tv e r t i c a lo p e n i n gh e i g h t ，o p e n i n gs i z eu n i f o r ma s0 8 m 0 5 m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：t h eb o t t o m o p e n i n gm o d e l ( dm o d e l ) m o s tp r o n e t ot h e d h e n o m e n o no fo s c i l l a t i o na n dt h eo s c i l l a t i o nf r e q u e n c y i sa b o u t0 4 5 h z t h el a s ts i xk i n d so f m o d e l sa l lh a dt h eb o t t o mo p e n i n g s ，b yc h a n g i n gt h eo p e n i n gs i z e s ，d of u r t h e rr e s e a r c ho n o s c i l l a t i o np h e n o m e n o n s ，d r a wt h ea p p r o p r i a t ec o n c l u s i o n s ：n o ta l lb o t t o m 。o p e n i n gm o d e l s c a no c c u ro s c i l l a t i o np h e n o m e n o n s ，t h es i z eo ft h eo p e n i n g si sd i r e c t l y l i n k e dw i t ht h e o s c i l l a t i o n ，w h a t sm o r e ，t h eo s c i l l a t i o ni n t e n s i t ya r ed i f f e r e n tw h e n t h em o d e lh a v et h es a m e o p e n a r e ab u td i f f e r e n ta s p e c tr a t i o a c c o r d i n gt os i m u l m i o nr e s u l t s ，w ed oe x p e r i m e n t sf o ra ，b ，cm o d e l s w h i c hc o n d u c t e d i nm ei s 0 9 7 0 5s t a n d a r dr o o m c o m p a r e dw i t ht h es i m u l a t i o n ，t h ee x p e r i m e n t sh a v et h es a m e e x d e r i m e n t a lc o n d i t i o n s e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa r eb a s i c a l l yt h es a m e ，a ， bn o o s c i l l a t i o np h e n o m e n o n ，cm o d e lo c c u ro s c i l l a t i o n sw h i c h a r eu n s t a b l e t h eo b t a i n e dr e s u l t sc a np r o v i d ear e f e r e n c ef o rt h es t u d yo fe n c l o s u r ef i r ew i t hv e r t i c a l o p e n i n g s i th a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o ru n d e r s t a n d i n gt h e o s c i l l a t i o np h e n o m e n o n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：v e r t i c a lo p e n i n g s ；o s c i l l a t i o np h e n o m e n o n ；c o n f i n e ds p a c e ；f d s ；i o s 9 7 0 5 r o o mt e s t 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的背景及现实意义 1 1 1 研究背景 喘振现象：存在开口的受限空间内部热源燃烧时，由于温度的升高导致空气膨胀并 被排出到室外，此时室内氧气含量降低，燃烧变缓，外部冷空气由于压差的作用会进入 室内；由于冷空气的进入，氧气含量增加，燃烧加剧，同时由于压差的作用新的热空气 又被排出到室外，如此往复多次，这种烟气往复运动就是喘振现象。本论文主要研究的 是受限空间竖直开口处的喘振现象，临界情况下喘振现象最明显，临界流动也就是浮力 系数【1 】b = g r r e 2 1 时的流动。 前人研究主要集中在水平开口、小尺寸空间下的喘振分析，大部分所做实验都是在 0 4 0 m x 0 4 0 m x 0 4 0 m 小空间下进行的，并且主要以实验为主，用数值模拟的方法做此 类研究的很少。竖直开口大尺寸空间情况下喘振分析人们研究的还比较少，因此，有必 要研究受限空间竖直开口情况下的烟气喘振现象。 1 1 2 研究的现实意义 喘振现象广泛存在于建筑火灾、火箭、飞机、核反应堆等多个领域，作为现实中常 发生的一种现象，喘振也会导致火箭、飞机、核反应堆运行不稳定，因此，掌握喘振现 象是很有意义的，本论文采用数值模拟和实验的方式研究了i s 0 9 7 0 5 房间中喘振现象， 对竖直开口空间烟气临界状态的研究具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 火灾科学及其发展历程 火灾是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害，火灾是严重危害人民生命 财产、直接影响经济发展和社会稳定的最常见的一种灾害【2 】【3 】。过去几年中，随着经济 的快速增长以及燃料工业的不断发展，用火安全在我国成为了一项大事，相应的预防火 灾也成为我国的重要国策吲。火灾科学5 问是建立在燃烧学、传热传质学、流体力学、 化学及计算机科学等基础之上的- f - j 新的交叉性应用基础科学，其研究宗旨是为建立有 效的火灾安全防护系统提供科学依据，它体现了火灾防治的有效性、合理性和经济性的 统一。 纵观火灾科学的发展历程，其研究主要包括2 个阶段【7 】：火灾的数据分析统计阶 哈尔滨工程大学硕士学位论文 段，即学者们首先收集大量的已经发生的火灾数据，然后自行整理、分析火灾发生的统 计学规律；火灾的数据分析和模拟结合阶段，学者们一方面继续分析火灾数据的内在 机理，另一方面则进行火灾的数值模拟，这个阶段火灾科学的研究取得了长足的进步， 学者们发展了三类火灾烟气模型：区域模拟、场模拟、网格模拟。这三个模型都对计算 机模拟产生了重要影响，为火灾科学的发展做出了重要贡献。 1 2 2 室内火灾研究现状 室内火灾一直都是火灾领域研究的重点，学者们对单独房间火灾做出了大量研究。 影响室内火灾的因素很多，比如，火源的位置、大小，室内外温度、湿度，室外风速， 建筑物物理性质等。 早在1 9 5 8 年，k a w a g o e 8 】通过研究小开口空间火灾实验，发现开口处通风对单室火 灾影响重大，第一次提出了通风因子这个概念，通风因子为么日。1 9 6 7 年，p h t h o m a s ， a j m h e s e l d e n 9 1 研究发现：在小开口空间内的高温燃气的温度主要取决于参数 k 么日，经过实验测试，作者推出参数k = - 0 4 6 0 5 1 。 1 9 7 2 年，h a r m a t h y 1 0 】 1 1 1 仔细研究了室内木堆火灾实验数据，他提出了另外一种表 达式的通风因子：p 9 4 风。作者做了大量的实验验证，验证了燃烧速率存在两个 不同的阶段，即燃料控制阶段以及通风控制阶段。 1 9 9 7 年，p e a t r o s s 眩1 研究了全尺寸下竖直开口自然通风和水平顶端开口强制送风室 内火灾流场特性。实验燃料分别为木堆、柴油和聚氨酯。实验重点分析了氧气浓度对火 灾的影响，作者发现火焰下部氧气浓度下降会使燃料燃烧速率下降，并推出两者之间相 互关系。 2 0 世纪7 0 年代，p r a h l 和e m m o n s 1 3 】将质量方程、动量方程、能量方程应用到火灾 领域，第一次提出了开i s l 处火灾计算模型，为火灾的计算机模拟提供理论根据。同时 l i d w e l l 1 4 】和s h a w 1 5 1 分别提出了计算竖直开口房间的空气流动理论，作者利用伯努利方 程求解竖直方向由于密度差产生的压力差，同时也得出了开口处速度值。 2 0 0 4 年，梁卓威和周允基【1 6 】回顾了四个标准试验，即a s t me 1 3 2 1 - 9 7 a 、 b s 4 7 6 ：p a r t 7 ：1 9 9 7 、a s t me 8 4 9 9 n f p a 2 5 5 和i s 0 9 7 0 5 ：19 9 3 ( e ) ，a s t me 1 3 2 1 - 9 7 a 和 b s 4 7 6 ：p a r t 7 ：1 9 9 7 主要关于小尺寸空间二维水平方向的火焰研究实验，a s t me 8 4 9 9 n f p a 2 5 5 对壁面不同材料条件下的火焰传播情况做了研究，i s 0 9 7 0 5 ：19 9 3 ( e ) 实验中可 以测出壁面、顶棚材料以及火焰传播情况，作者重点介绍了i s 0 9 7 0 5 房间，分析了不 同材料下房间火焰传播情况，为我们评估各种材料的火焰传播提供了理论依据。 2 第1 章绪论 2 0 0 9 年，s t e c 和h u l l 1 7 1 主要研究了在全尺寸( 图1 1 ) 和大尺寸房间内有毒气体( 二 氧化碳，一氧化碳，碳氢化合物，氮氧化合物) 中c 0 2 c o 值与燃烧速率、燃烧强度的关 系，并给出相应实验数据。 图1 1i s 0 9 7 0 5 房i 司实验 2 0 0 9 年，h a i x i a n gc h e n ，n a i a nl i u ，w a n k ic h o w 1 8 1 等人研究了双开口单室外界强制 送风情况下火灾烟气分布以及温度分布规律，如图1 2 ，作者对竖直双开口房间做了详 细的理论推导，得出结论：外界强制送风和火源燃烧产生的室内热浮力共同作用时，强 制送风和热浮力更大者决定烟气的流场特性。 图1 2 上。f 开1 ：3 送风房间 21 世纪初，s t a v r a k a k i s 1 9 1 w k c h o w 2 0 1 ，j w a n g 2 1 1 等人对开口条件下火灾的数值计 算做出了进一步研究，学者们利用经典的n a v i e r - s t o k e s 方程进行c f d 软件数值模拟， 得出了更详细的结果。c f d 软件主要针对的是湍流模型，因此，利用c f d 软件研究开 口处流场是很有意义的。 1 2 3 喘振现象相关研究现状 火源存在的自然通风房间内，房间内温度分布存在热力分层现象。热力分层现象的 3 哈尔溟工程大学硕士学位论文 形成，室内火源所引起的烟气流动起着不可替代的作用。主要有两个原因，一个是火源 的对流放热，另一个是的空气对流( 密度差产生) ，自然状态下，室内空气温度的变化 会导致空气密度的变化，使得密度小的热空气在上、密度大的冷空气在下。这是热分层 形成的根源。 喘振现象根本上是受限空间内部热浮力以及热烟气膨胀压力共同作用的结果，热浮 力就是由上面说到的密度差产生的，热烟气膨胀压力是由上面说到的热源受热产生的。 膨胀压力占主导即膨胀压力远大于热浮力情况，这种情况多出现在密封性较好的小开 口空间内，热膨胀压力会导致空间内压力迅速升高，从而使得热气流通过开口向外流动。 在这一情形下，浮力系数b ( b = g r r e 2 ) 很小；热浮力占主导即热浮力远大于膨胀 压力情况，这种情况常见于有热源的大开口空间，此时热膨胀压力无法引起建筑空间内 压力的升高，通过开口的流动由两侧的静压决定。浮力远大于膨胀压力的作用，浮力系 数b 的值较大；热膨胀压力与热浮力差不多情况，这种情况多存在于受限开口空间， 此时浮力系数b 大小接近1 ，也就是本论文所说的临界状态，此时喘振现象最明显。 1 9 8 8 年，m e p s t e i n 2 2 1 在受限开口空间做了一系列热浮力主导下的盐水实验，该实 验忽略开口处内外的压力差，根据实验数据，作者定义了4 种流型：湍流扩散模型，伯 努利与湍流扩散相结合的模型，振荡交换模型，伯努利模型。 不久之后，1 9 8 9 年，l yc o o p e r 2 3 1 发现在受限空间开口处密度差是热浮力产生的根 本原因，当空间内部多种因素共同作用时，气流流动的方向不能确定，但当空间内外压 差很大时，气流的流动会有方向性。作者还开发了一个有效的程序：v e n t c l l ，同时 给出了适用范围。 在1 9 9 3 年和1 9 9 5 年l yc o o p e r p 4 】 2 5 1 通过改变压力差对水平开口处气体流动做了 研究。在开口空间内部，出现了密度不同的分层现象，当膨胀压力不是很大时热浮力是 气流的主要驱动力，但当人工给予的压力很大时，气流运动规律很难把握。 1 9 9 2 年，t a n 和j a l u r i a 【1 1 做了一个盐水模型，用来研究水平开口处压力和密度的差 别对气流的影响。作者通过瞬态的研究，发现开口处的气流流动是有方向的。当没有压 力差时，浮力影响会引起双向流动；当压力差增加到一定程度，流动变成单向流。这个 转换过程可由浮力参数b 来表示： b = 竺= g 望西( 1 - r ea p 1 ) z u 。 其中： g ，格拉晓夫数 4 第1 章绪论 r e 雷诺数 p 开1 2 1 处密度差，k g m 3 d 开口外径，r l l 1 9 8 8 年，g e b b a r t 2 6 1 提出以下三个方程： v c 62 ( 1 2 ) g ，：一g ( a p p d ) 3 ( 1 - 3 ) r e 一牌( 1 - 4 ) p 、fp 其中： v 曲浮力驱动速度，m s d 开口外径，n l y 动力粘度系数，p a s p 平均密度，k g m 3 当膨胀压力占主导时，热浮力作用几乎可以忽略不计，g a p d 胛，此时丑j0 ； 反过来，当热浮力占主导时，膨胀压力几乎可以忽略不计，g 卸d p ，此时b 很大。 作者认为有开口空间气流流动可以据此分为两种，一种是b 1 0 的热浮力驱动情况。 s a t o h 在1 9 8 3 、1 9 8 4 年2 7 1 2 8 1 研究了0 6 m x0 6 m 0 6 m 顶棚开口空间不同热源和 不同温度下的气流喘振现象，该实验使用热电偶测量温度。当热强度从l k w 变到8 k w 的过程中，喘振频率从0 3 h z 变到了0 6 h z ，作者根据实验数据得出喘振频率厂与热源 强度q 0 3 3 成正比，即 f = k 0 0 3 3 ( 1 5 ) 同时作者对以上实验做了数值模拟，q 0 取5 0 5 0 0 k w ，算出系数k = - 0 3 1 。 1 9 8 9 和1 9 9 3 年，t h a n 和s a v i l o n i s 【2 9 1 【3 0 1 研究了尺寸为0 4 6 m 0 4 5 m 0 4 5 m 开口 空间( 开口尺寸为0 4 0 0 9 5 ) 、热源强度为9 0 0 w 时的的气流喘振现象，发现水平开口 处的喘振频率为0 5 h z 。 t a k e d a 3 1 1 对0 4 4 m 0 4 4 m 0 4 4 m 开口空间做了轰然实验，燃料为聚甲基丙烯酸甲 酯，实验发现：当出现更高的温度或更大通风因子时，喘振现象更容易发生。实验测得 温度为9 6 0 c 时，喘振时间为0 7 5 s ，频率f = 1 3 3 3 h z ，此时温度高并且通风畅通。同时 t a k e d a 3 2 1 在通风不畅的环境中做了相同的试验，但没有发生喘振现象。因此相对于低温、 5 巫p 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i 封闭空间，喘振现象更容易发生在更高的温度或更流场的通风条件下。 1 9 9 8 年k e r r i s o n 对热释放率从11 2 5 w 到5 6 k w 受限水平开口空间做了数值模 拟，房间尺寸同样为0 4 4 m 0 4 4 m 0 4 4 m ，得出喘振频率为0 0 7 3 0 1 7 h z ，并给出经 验公式 f = 0 0 1 9 q 巾卫( 1 - 6 ) 这个公式和s a t o h 在1 9 8 3 、1 9 8 4 年提出的喘振频率公式很相似。后来，作者又针对 热释放率从1 1 k w 变到3 6 k w 做了相同的实验，实验中并没用出现喘振现象。再次说 明了低热释放率条件下不容易出现喘振现象。 2 0 0 5 年，u t i s k u l 和q u i n t i e r e 3 4 1 等人对尺寸为0 4 0 m x0 4 0 m 0 4 0 m 的矩形小空 问做了进一步研究，实验采用以庚烷为燃料的液态油盘，房间顶部和底部设有开口，顶 部开口直径为1 - 3 c m ，底部开口面积为2 4 0 c m 2 左右。实验重点测量空间内温度、热通量 以及压力等参数，并在开口出观察到了喘振现象。作者认为出现喘振现象的原因是氧气 含量变化引起的，同时燃料的多少也起到一定作用。 1 3 研究方法 研究受限开口房间火灾中烟气流动特性通常有三种方法，一是经验模型，二是实验 研究，三是数值模拟【3 5 】。 1 3 1 实验研究 学者们大多数用经验模型与小尺寸实验结合来研究这类问题，模型通常较为简单， 并不能很好的解释这种全尺寸空间瞬态且复杂的流动。 实验研究通常有三种方式：第一种为盐水模型，这种模型是前人最常用火灾模拟模 型，开口房问火灾实验多用于此；第二种为加热器加热空气实验；最后一种是油池火实 验，这种实验也是本论文所用实验方法。 三种方式各有优缺点，盐水模型用盐水和水替代开口处上下密度不同的气体，优点 如下：因为这种浮力流是等温的，所以该模型不需要用保温板，也不用等待实验系统达 到稳定。只要可忽略掉热扩散性和流体的粘性就可用盐水替代不同密度的气体，通常情 况下盐水实验可模拟温差为1 0 0 k ，平均温度为5 0 0 k 的气体流动。盐水实验的缺点是水 的不可压缩性，不能准确反映瞬态流动的情形，而烟气流过竖直开口时是高度瞬态且极 不稳定的，所以竖直开口烟气临界流动的很多特性并不能用盐水实验表达出来。 加热器加热空气实验与实际火灾有很多差异，该实验需要长时间的预热才能使房间 达到稳定，而且需要注意系统的隔热性。现实火灾中火源是脉动的，温度也不可能总保 6 第1 覃绪论 持在稳定状态，因此，本论文实验部分也不能采用该模型。 油池火实验通常是在小尺寸空间内完成的，这种实验模型可以比较好的模拟出实际 火灾场景，对于正确把握火灾特性很有现实意义，因此本论文最终选用i s 0 9 7 0 5 房间油 池火实验，来研究竖直开口处临界流动特性。 1 3 2 数值计算 火灾烟气数值研究主要包括二种，一是区域模拟，二是场模拟。 区域模拟属于半物理模拟层次。2 0 世纪7 0 年代初，美国哈佛大学e m m o n s 教授提 出了区域模拟思想：把所研究的受限空间划分为不同的区域，并假设每个区域内的状态 参数是均匀一致的，而质量、能量的交换只发生在区域与区域之间、区域与边界之间以 及它们与火源之间，从而奠定了烟气区域模拟的理论基础。从这一思想出发，根据质量、 能量守恒原理可以推导出一组常微分方程：而区域、边界及火源之间的质量、能量交换 则是通过方程中所出现的各个源项体现出来跚。 区域模拟只抓住了火灾的宏观特征，因而是相当近似和粗糙的，对于几何形状复杂， 有强火源和强通风的房间，其误差比较大。区域模拟只适合于对某些特定的建筑室内火 灾现象与参数进行分析【37 1 。 场模拟是利用计算机求解火灾过程中参数( 如温度、速度、各组分浓度等) 的空间 分布以及其随时间的变化规律，是一种物理模拟。质量守恒、动量守恒、能量守恒以及 化学反应定律等是场模拟的理论基础。场模拟通常都应用于专门的c f d ( f l u e n t 、 p h o e n i c s 、f d s ) 软件，这些软件通常内置有各自的流体力学模型，通过离散的模型 方程可以得出结果，但内置的流体力学模型各有优缺点，通常得出的结果也不同，各个 模型模拟出的结果不尽相同，因此需要研究人员选用正确的模型，当然这需要理论知识 以及长期实践的积累。总的来说，场模拟可以得到比较详细的物理参数的分布，能精细 地模拟物理现象。 本论文采用f d s 软件对竖直开口i s 0 9 7 0 5 房间进行数值模拟，f d s 主要应用大涡 模拟法进行模拟。 1 4 本论文研究主要内容 本文主要目的是通过数值模拟软件f d s 对竖直开口i s 0 9 7 0 5 标准房间进行数值模 拟，研究烟气临界流动特性，找到i s 0 9 7 0 5 房间明显喘振现象，并测得喘振频率，然后 通过现场实验进行验证。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本论文各章节安排如下： 第1 章介绍了论文的研究背景和意义，国内外研究现状，以及论文的主要研究内 容。 第2 章主要阐述有限开口空间火灾研究基本理论和方法，重点介绍喘振现象相关 理论以及大涡模拟理论。 第3 章运用f d s 软件建模，并模拟不同开口处流场，记录热释放率、温度等参数， 分析温度、质量流量曲线，观察喘振现象，记录喘振频率。 第4 章根据第3 章模拟结果，搭建i s o9 7 0 5 火灾实验房间，用油池火作为火源， 进行三组实验，测量不同开口位置下温度场变化，并观察喘振现象，记录喘振频率。最 后与模拟结果进行对比分析。 8 第2 章小开口空间火场研究以及喘振基本理论 第2 章小开口空间火场研究以及喘振基本理论 2 1 单室火灾发展的不同阶段 单室是火灾发生的一个重要场所，国内外学者经过多年的研究，总结出了火灾发生 的几个必要条件以及火灾的几个不同阶段。 火灾发生必要条件为：着火源、可燃物、助燃物。当满足其中一定条件时，室内就 会发生火灾。火灾的4 个主要阶段为：初期阶段、充分发展阶段、剧烈燃烧阶段以及冷 却阶段。 1 初期阶段 此阶段，火刚刚开始燃烧，体积不大。对于固态燃烧物，燃烧表面逐步扩大范围； 对于液态燃烧物，火焰占据表面后形成稳定燃烧；对于气态燃烧物，火焰迅速扩大，燃 烧猛烈。但不管何种物态燃烧物，在着火的最初几分钟里，燃烧面积都不会很大，热烟 气流动相对较缓，热辐射能量还不多，此时燃烧情况与外界无封闭空间类似。这一阶段 也是火灾发展的初级阶段，此阶段规律相对容易把握。 2 充分发展阶段 火灾充分发展阶段的特点是：燃烧强度增大，热释放率达到最大值。房间内部温度 持续升高，气体的对流加强，燃烧面积不断扩大，燃烧速率逐步加快，如果室内墙壁或 地板等为易燃材料，那么此时这些易燃材料会分解出大量可燃气体。高温气体会从开口 处喷出，如果开口空间大小与室内体积比值适宜，开口处就有可能在此阶段出现喘振现 象。 3 猛烈燃烧阶段 此阶段燃烧进一步加剧，燃烧面积继续扩大，大量热释放出来，空气温度继续升高， 并有可能发生轰然现象，在轰然情况下，几乎所有建筑材料都会燃烧，燃烧强度达到最 大值，热辐射也最强，热烟气流动最剧烈。这个阶段，想要灭火是很困难的，因此，我 们应该尽量避免火灾发生到剧烈燃烧阶段。 4 冷却阶段 在经历了前几个阶段后，可燃材料逐渐燃尽，火势逐渐进入了冷却减弱阶段。这个 阶段火势减弱，明火无法继续维持，火焰减弱，温度开始不断降低，最终火势停止。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 时间s 2 1 室内温度变化曲线 如图2 1 所示，a 曲线为可燃物为固体时平均温度变化曲线；b 曲线为可燃物为液 体时平均温度变化曲线。由图可知，固态燃烧物温度曲线拐点较多，各阶段温度分明， 而液态燃烧物温度曲线相对平滑，燃烧更稳定。 以上单室火灾燃烧各阶段主要针对大部分密闭性不强的普通建筑物空间，本论文所 研究的是竖直开口i s 0 9 7 0 5 房间的火灾临界流动，重点研究的是喘振现象，实验证明， 在竖直开口空间内，当开口较小时，不能出现轰然现象，也就是火灾不会发生第三阶段。 2 2 气体在受限空间内流动原因 我们知道，流体流动通常是由高压力区流向低压力区，气体在受限空间内流动根本 上是由内外压力差引起的。由于受限空间内外温度的不同，室内外密度差产生的浮力驱 动了气体流动；当室内存在热源时，我们还要考虑热膨胀压力以及室内热浮力对气体流 动的影响。 压力差形成的原因主要可以分为两大类3 8 】：一、火源自身，二、室内外压力差。 建筑物内外压力差产生原因有以下三方面3 9 】： ( 1 ) 大气流动或建筑物上的风压。当大气流动剧烈时，单室火灾流场将会变的非常 难以把握，因此，外界气体流动也是火灾研究中不能忽略的一个因素。 ( 2 ) 建筑物内外温度差。 ( 3 ) 机械通风。为了达到控制烟气流动的目的，人们通常采用机械通风来排出建筑 物内部烟气。机械通风多见于空调系统或化工厂，空调系统产生的体积流量很低，可以 忽略；化工厂为排出有害气体需要大强度机械通风，此时的气体流动机械通风起主导作 用。 由热源形成的压力差有以下两种形式： ( 1 ) 受限空间内部热空气产生的浮力，简称热浮力，热浮力是由于室内外冷热空气 1 0 第2 章小开口空间火场研究以及喘振基本理论 密度差产生的。这也是有热源房间中烟气流动最普遍的原因。 ( 2 ) 受限空间内部热膨胀产生的压力，简称热膨胀压力。当内部气体被加热时，气 体会膨胀，导致空间内部压力升高。没有热源存在或普通的民用建筑都有小的泄露区域， 热膨胀压力的影响可以忽略。但对于小开口封闭空间这个压力的升高就不能忽略了。 综上所述，对于本课题要研究的i s 0 9 7 0 5 房问竖直开口情况下火灾的烟气临界流动 而言，我们主要要关注以下两点： 1 热浮力2 热膨胀压力 2 3 受限空间存在开口的流动 开口流动一直都是火灾模拟中重要组成部分，一直以来也是学者们研究的重点。受 限空间存在开口的流动主要分为两种：通过水平开口的气流流动以及通过竖直开v i 的气 流流动。 1 水平开口 通常为受限空间顶棚开口、底部开口或顶棚底部同时开口的情况。水平开1 2 流动要 复杂一些，当开口在顶棚的房间发生火灾时，火源燃烧产生大量热烟气，空气受热膨胀， 室内浮力以及膨胀压力共同作用。水平开口处喘振现象不易发生。 2 竖直开口 通常为建筑物门或窗的竖直开口。当开口相对较大时，开口处流动较简单，主要受 浮力影响；但当开口相对较小时，这种情况下流动非常复杂，不同的开口位置、开口面 积都会对热烟气流动产生较大的影响，本论文在下章要介绍的数值模拟中发现：竖直开 口处更容易发现喘振现象。 2 4 喘振现象及其相关理论 2 4 1 喘振现象 存在开口的受限空间内部热源燃烧时，热空气在压差的作用下会被排出室外，此时 室内氧气含量降低，燃烧变缓，外部压力大于室内压力，冷空气会进入室内；由于冷空 气的进入，氧气含量增加，燃烧加剧，同时由于压差的作用新的热空气又被排出到室外， 如此往复多次，直至熄灭，这种烟气往复运动就是喘振现象。 喘振现象本质上是一种热烟气的往复运动，具有一定规律性，是受限空间内部热浮 力以及热膨胀压力共同作用的结果，热浮力就是由上面说到的密度差产生的，热膨胀压 力是由上面说到的热源受热产生的，喘振现象多发生在临界状态下。对于竖直开口情况， 有以下结论【4 3 】： 1 膨胀压力占主导即膨胀压力远大于热浮力情况 这种情况多出现在密封性较好的小开口空间内，气体受热膨胀，导致空间内压力的 升高，从而使得热气流通过开口向外流动。在这一情形下，浮力系数b ( b = g r r e 2 ) 很小。 2 热浮力占主导即热浮力远大于膨胀压力情况 这种情况常见于有热源的大开口空间，此时热膨胀压力无法引起建筑空间内压力的 升高，通过开口的流动由两侧的静压决定。浮力远大于惯性力的作用，研r e 2 值较大。 3 热膨胀压力与热浮力差不多情况即临界状态 这种情况多存在于受限开口空间，此时g r r e 2 1 ，也就是本论文所说的临界状态， 此时喘振现象最明显。 2 4 2 相关理论 对于小开口封闭空间，热源存在情况下气体流动较为复杂，主要受以下4 个因素的 影响，竖直开口( 本论文模型) 和水平开口模型都有以下方程 4 3 】： ( 1 ) 空气受热膨胀引起的压差p n ： q = 去( 蠢 2 p ， 其中： p 。开口处密度，k g m 3 开口处温度， 以开口面积，m 2 c 。流量系数，通常取0 7 【4 0 】 q 热释放率，k w ( 2 ) 气体密度差产生的热浮力压力差a p o ： p b = ( 日一风) ( 成一以) g ( 2 2 ) 其中： 日开口高度，m 日关于参考面的中性面高度，m g 重力加速度，m s 2 1 2 第2 章小开e l 空间火场研究以及喘振基本理论 ( 3 ) 由于四周墙壁气体流入砌m 和气体流出r h 刚产生的压力差p m ： i m - 丽瓦r h 2 万( 2 - 3 ) 质量流量r h 在下式中给出： r h 2 = ( 帆一历。以) 2 ( 2 - 4 ) ( 4 ) 由于燃烧或其他原因导致的质量流量增大产生的压力p ： 、p ：- _ p , ：r h _ - r h i ( 2 - 5 ) e魂 式中：i 表示燃烧前的初始状态 改变以上任意一个参数都会造成空间内的压力波动。第一个因素p d 和第四个因素 p 的方向指向壁面。相对于中性面以上的压力p 人们通常认为是常数。第二个因素热浮 力产生的原因是密度差。对于第三个因素，p m 和r h 的方向是一样的。稳态条件下，开 口的质量流量是0 ，此时 r h 加一r h 。埘= 0( 2 6 ) 质量流量疡的变化决定开口处的压力变q 6 a p ，热释放率q ，受空气密度卸和空 气温度r 影响。根据文献 4 1 4 2 ，当p ，卸和r 同时改变时，喘振可能会放大或不 变。 热浮力产生的p b 可能会比温度的改变丁延后，瞬时值r h 拥和r h 。眦是不一样的： a r h = l h 抽一r h 训= a 葡e i o ( 2 7 ) 其中： 0 9 角频率，r a d s 荡振幅，k g m 3 以上四个因素中，热浮力和热膨胀压力是喘振的主导因素。当热浮力和热膨胀压力 接近即临界状态时，喘振现象最明显。下面将分析热浮力以及热膨胀压力对开口空间的 相关理论。 膨胀压力驱动流体流动的理论对于水平开口或者垂直开口是一样适用的。然而，热 浮力驱动的流体流动对于水平向上开口或者垂直开口是不一样的，因为p h 是由等式 ( 2 - 2 ) 中( h 一日) 决定的。 根据公式( 1 1 ) 、( 1 2 ) 、( 1 - 3 ) 、( 1 4 ) ，开e l 空间浮力系数b 可以用格拉晓夫数函和 雷诺数的平方r e 2 的比值表示成：b = g r r e 2 = g a p d a p 。本质上，浮力系数口表现 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的是热浮力与热膨胀压力的比值p h p n ，因此，b 的大小直接反映了热浮力与热膨胀 压力之间的关系。 竖直开口受限空间中，空气由于开口处的压力的不同气体会发生流动，同时开口处 内外密度差同样会影响气流的流动。对于室内体积为z g 的空间，当热释放率q 和开1 7 1 面 积a 。改变时，凹。叱也会改变，这时，不同的b 值就会产生。膨胀会使温度升高。最 终，温度分布均衡，此时，热浮力只有在开口处有影响。 图2 2 竖直开口封闭空l 司 如图2 2 ，当热浮力远大于热膨胀压力即g ，r e 2 1 时，热浮力产生自然对流，同 时冷空气进入室内，室内的热空气和进入的冷空气混合，热空气就会冷却。室内雷诺数 也是热浮力产生的压力差、热膨胀以及开口特征高度凰的函数【4 2 】。 当热浮力远小于热膨胀压力即研r e 2 图3 2 4b 模型开v l 处质量流量曲线 图3 2 5 a 、b 开口处质量流量曲线 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 2 5 为a 、b 两种模型开口处质量流量曲线对比，我们可以发现，a 曲线几乎没 有出现振荡，由于a 模型火源比b 模型熄灭的早，因此图中a 曲线质量流量的拐点也 比b 曲线拐点提前。总体上a 、b 曲线趋势一致，并且质量流量峰值也相当，因此a 、 b 两种模型开口处流场特性基本一致。 图3 2 6b 模型4 5 s 速度矢量图图3 2 7b 模型9 0 s 速度矢量图 图3 2 6 和图3 。2 7 分别为4 5 s 以及9 0 s 时y = 1 2 m 截面处速度矢量图，4 5 s 时，开v i 中上部烟气大量流出，下部空气少量进入室内，此时火源热释放率接近峰值点，热膨胀 压力作用下热烟气大量流出；9 0 s 时，外部冷空气从开口下部大量进入，此时火源接近 熄灭。这两个速度矢量图与a 情况下速度矢量图( 图3 1 5 、图3 1 6 ) 特性基本一致。 综合以上对b 模型测点温度、热释放率、开口处质量流量、速度矢量图等的分析以 及与a 模型的对比讨论，我们可以从中得出结论：对于i s 0 9 7 0 5 房间b 开口这种情况， 火源距离开口中心的垂直高度为1 2 5 m ，虽然比a 模型开口降低0 5 m ，但开口仍然较高， 并且开口相对房间尺寸较小，外部氧气不能及时补给，导致热源熄灭较早，不足以发生 喘振现象。 3 3 3c 模型 c 开口情况下计算模型如图3 2 8 ： 3 2 第3 章竖直小开口房间火灾数值模拟 图3 2 8c 开口情况计算模型 与b 模型相比，c 模型开口大小也是o 8 m x 0 5 m ，开口中一t l , 高度继续下降0 5 m ，距 地面高度变为0 7 5 m ，火源在i s 0 9 7 0 5 房间的正中一t l , 。模拟结果显示：火源在5 8 3 s 时 b u r n r a t e 为0 ，即5 8 3 s 后火源熄灭，较a 、b 模型燃烧时间明显变长。观察室内热 烟气流动，在开口处多次出现喘振现象，但喘振现象在不同的阶段强度不同，并且开口 处喘振时有时无。首先分析温度曲线图，从k 、a 、b 、c 、d 、e 、f 这八个温度测点中选 取具有代表意义的k 、a 、b 、f 四个测点进行分析，如图3 2 9