（安全技术及工程专业论文）基于数值模拟技术的火灾调查研究.pdf

! 垦型兰垫查查兰堡主兰垡丝苎 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , t h ee x p e n s et h a taf i r ec o s th a sb e c o m e l a r g e ra n dl a r g e rs oi ti sn od o u b to fb i gi m p o r t a n c et oi n v e s t i g a t eaf i r e a c c i d e n tf o rt h es a f e t yo fo u rc o u n t 吖, t h es t a b i l i z a t i o no fs o c i e t y e s t a b l i s h i n g t h el a wo fr e l e v a n ta r e a ，p r e v e n t i n gt h es a m ea c c i d e n t ，a n dc o g n i z a n c et h e r e s p o n s i b l ep e r s o nf o rt h ea c c i d e n t t h i si sa l s oo n eo ft h em o s ti m p or t a n t t a s k sf o rt h er e s e a r c h e r si nf i r es c i e n c et oc o n f r o n tw i t ht h ed e v e l o p m e n to f o u rc o m p u t e rs c i e n c e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb e c o m eo n eo ft h em o s t i m p o r t a n tm e t h o d si nf i r es c i e n c e w h i l en o w a d a y st h ea n a l y s e so ff i r e a c c i d e n tm o s t l yd e p e n d0 nt h ee x p e r i e n c eo f e x p e r t si nl o n g t e r mw o r k t h e r ei sa l m o s tn on u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o du s e di nf i r ei n v e s t i g a t i o n w h e nt h ef i r es c e n ea r ea f f e c t e db yt h ef i r e ，i t si n t e r n a ls t r u c t u r ew i l l c h a n g ea n df o r ms o m es p e c i a lt r a c e ，w h i c hr e c o r d st h ef i r ei n i t i a ll o c a t i o n s p r e a dd i r e c t i o n ，a n db u r n i n gr a t e ，e t cr e s e a r c ho ft h e s em a r k sc a nh e l p r e s e a r c h i n gt h er e a s o nf o rt h ef i r em o r ei m p e r s o n a l i t ya n dn i c e l y s o b y e s t a b l i s h i n gan u m e r i c a ls i m u l a t i o np l a t o r mf o rf i r er e s e a r c ht os t u d yt h er u l e o fh o wt h em a r ks h a p e di st h ek e y s t o n eo ft h i sp a p e r b yb e t t e r m e n tt h eo r i g i n a lf d sc o d e ( a d d i n gas u b r o u t i n e ) ，p y r o l y s i s m o d e la n dt h r e e d i m e n s i o ns i m u l a t i o nw e r ec o u p l e dt os i m u l a t et h eb u r n t m a r kt h a taf i r el e f t t h ef i r es t r u c t u r ea n dr a d i c a lr e a c t i o ns p e e dw e r e s t u d i e d b yc o u p l i n gd e t a i l e dc h e m i c a ld y n a m i cm e c h a n i s mt om a k eu pt h es h o r t a g e o fs i m p l i f i e d s i n g l es t e pr e a c t i o ni nc o m m o nt h r e e d i m e n s i o nn u m e r i c a i s i m u l a t i o na n da tl a s tan e wm o d e lw a ss t r u c t u r e dt os i m u l a t et h es o o t i n e s s m a r kt h a taf i r el e f to nt h ew a l lap l a t f o r mf o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nf i r e i n v e s t i g a t i o nw a sr e a l i z e dw i t ht h ee x p e c t i n go fe s t a b l i s h i n gad a t a b a s ef o r f i r ei n v e s t i g a t i o na n dr e d u c i n gt h el o s si naf i r e k e yw o r d s ：f i r ei n v e s t i g a t i o n t r a c e ，p y r o l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 4 中国科学技术大学硕士学位论文 主要符号对照表 s m a g o r i n s k y 亚格子模型常数 定压比热 扩散系数 混合分数 重力加速度 辐射强度 黑体辐射强度 热传导系数 l e w i s 数 气体混合物分子量 p r a n d t l 数 压力 空间平均压力( 背景压力) 热通量 辐射热流向量 单位体积热释放速率 总热释放速率 通用气体常数 雷诺数 s c h m i d t 数 温度 时间 完全辐射强度 数度矢量 均方根速度 【1 3 印 d ， g i 厶 k k m 阶 p 风 q 吼 p p q r 盼 乳 t t u u 中国科学技术大学硕士学位论文 下标 曙 0 v c g 位置向量 空间坐标 第i 种组分的质量分数 燃料的质量分数 氧气的质量分数 混合分数 热扩散系数 固体计算温度 标量耗散率 导热系数 密度 面积 温度曲线系数 温度曲线系数 温度曲线系数 比热 挥发热量 比焓 质量损失率 热通量 着火 初始环境条件 原始材料层挥发层焦化层条件 焦化物 气体，挥发物 z y x k r 0 口0 0 弓 k ： 。 口 。 兄 p 4 “ 默 q 。 衄 。 。 中国科学技术大学硕士学位论文 v p s 挥发层 稳定状态 7 中国科学技术大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 在人类发展的历史长河中，火，燃尽了茹毛饮血的历史；火，点燃了现代 社会的辉煌。正如传说中所说的那样，火是具备双重性格的“神l 一有时是人类 的朋友，有时是人类的敌人。火一旦失去控制而造成火灾，那将是无情的，损 失也将是惨重的，将给人类带来巨大的危害。随着我国国民经济的快速发展， 重大恶性火灾及爆炸事故频繁发生。大多数国家的火灾损失都占国民生产总值 的0 2 以上，火灾造成的死亡率可占人口总死亡率的十万分之二 1 。随着我 国国民经济的快速发展，重大恶性火灾及爆炸事故频繁发生，直接危及人民的 生命财产安全。2 0 世纪8 0 年代以来，我国火灾次数和损失总体上呈现快速增 长的趋势。据统计：1 9 8 1 年至1 9 9 0 年的1 0 年间，我国平均每年发生火灾约3 9 万起，死亡人数2 2 7 2 人，受伤3 5 0 6 人，直接财产损失约3 6 亿元。 图1 1 1 9 8 8 年到2 0 0 0 年中国火灾损失统计 1 9 9 1 年至2 0 0 0 年的l o 年间，平均每年发生火灾约8 9 万起，比前1 0 年 中国科学技术大学硕士学位论文 增加了1 3 4 2 ：直接财产损失约1 1 6 亿元，比前1 0 年增长了2 2 2 2 ：死亡人 数2 4 5 6 人，同比增长8 1 ；受伤4 3 4 2 人，同比增长2 3 8 。从近年来的火灾 形式看，今后几年我国的火灾次数和所造成的损失可能会进一步增多，甚至有 进入火灾多发的上升期的可能性 2 。 火灾科学的模拟研究是探索火灾确定性规律的重要手段，包括实验模拟和 计算机数值模拟 3 。近十几年来，随着火灾科学研究的逐步深入以及计算机科 学的飞速发展，计算机模拟成为火灾科学研究中的重要手段之一。火灾的实验 研究往往耗费资源巨大，实验周期长。而计算研究能够很好的解决这一问题。 通过对燃烧和流动等过程进行计算机模拟来研究火灾，大大降低了研究成本， 缩短研究周期。计算机模拟还能进行一些实验难以实现的研究内容。火灾过程 计算机模拟具有众多优点，在火灾研究中发挥着重要作用。 目前世界各国已对火灾的探测、逃生、扑救、材料阻燃等研究给予了极大 的关注，取得了许多重要的成果，并己形成了相对较为完整的理论体系 卜5 。 但由于火灾的随机性特征、以及各种人为因素使得火灾仍将长期存在于人类社 会的发展中，可以预计，随着国家经济的发展和科技的进步，火灾将呈现多元 化趋势 1 ，6 9 。火灾后的情景再现、事故原因确定对于国家安全、社会稳定、 相关政策的制定、同类灾害的防治、以及事故责任者的认定等无疑具有十分重 要的意义，也是火灾科学研究者们目前必须面临的重要课题之一。由于火灾燃 烧过程的极度复杂性( 涉及高分子燃料、燃烧空间大、空间结构复杂) 、以及不 同燃烧行为会产生表面上相似的后果等原因，使得这类研究变得极为困难。受 目前计算条件的限制，通常三维数值模拟中的化学反应被简化为单步反应或者 总包反应，本文作者对典型纵火燃料的详细反应动力学机理也做了研究以补充 一般三维数值模拟的不足。由守恒律的控制方程组出发，事先给定燃料的空间 分布和释热率、着火点和物理空间边界条件，对火灾动力学演化进行“正向” 的计算和理论分析是“确定的”，因而也较为容易；而所谓“逆向”的“重构”， 由于不确定性因素较多，所以较为困难。目前国内外对火灾事故类型的分析仍 大量借助于专业人员长期工作积累的经验、或采用半经验的方式。 火灾现场的承受客体受到火场作用后，外观及内部结构发生变化，形成一 些特殊痕迹，表现为颜色和烧损破坏程度的区别这些特殊变化痕迹与火灾温 中国科学技术大学硕士学位论文 度、燃烧持续时间、起火部位位置上存在着对应变化的规律和联系 2 9 ，3 0 。这 些燃烧留下的图痕是火灾过程中客观记录火源、起火点、蔓延方向、燃烧速率 的一种符号语，研究这些图痕的形成规律及机理能更客观、准确的认定起火原 因。作为火场勘察人员能获得的除了着火温度和烧损程度夕 又一个重要资料， 燃烧图痕已经作为火灾调查的一个重要依据 3 1 。 室内火灾发生后燃烧痕迹的主要承载客体一般是壁面，大面积的壁面记载 着火灾发展蔓延的“足迹”。壁面表层材料在热通量、热辐射等各种因素的作用 下可能会发生热解行为，因此研究壁面热解行为的结果对我们调查火灾的发生 和蔓延具有重要意义 3 2 。 图1 2火灾现场痕迹的蔓延方向 1 2 国内外研究现状 美国国家标准和技术协会n i s l 、在2 0 0 1 年曾指出：火灾的灾后调查是社会 发展的迫切问题，建立严格的科学体系已成为迫切需要，幸运的是，联邦政府 的支持以及相关科学家的努力己开始弥补这方面的缺口 3 3 。 美国检验与材料协会a s t m 自1 9 9 0 年以来，制定了火灾痕迹物质分析的系 列指导性技术文件a s t me ，对需要采样的物质、采样方法、采样仪器进行了规 定，最近a s t m 又制定了两个新标准e 1 3 8 7 和e 1 6 1 8 ，分别规定采用气相色谱g c 和气相色谱一质谱仪g cm s 对可燃液体残余物进行分析，a s t me 系列标准通过 对含碳c 、物质的测定，分析是否有汽油、煤油、芳香类溶剂等速燃助燃物质， 从而判断是否为人为纵火 3 4 。法国t o u r o n 等学者使用毛细气相色谱c p g 、 中国科学技术大学硕士学位论文 g c m s 和h n u 光化学电离分析仪，探测现场可能存在的c , - c 。碳氢组分，通过设 计一个分析策略，使得对火灾痕迹物质的分析实现了半自动化，主要判断火灾 是否为人为事故 3 5 。台湾c h e n 等人通过研究金属熔化部位的离子质谱仪s i m s 测定曲线，分析电气短路火灾行为 3 6 。美国和英国学者m c c u r d y 等人采用气 相紫外线光谱，测量事故现场是否有速燃助燃物质成分一石油产品中的芳香类 碳氢物质或二甲苯同分异构体组分，从而分析判断是否为人为纵火 3 7 。日本 学者e u i p y e o n gl e e 等人采用x 一射线色散分析和电子扫描显微镜，对火灾发 生后电气线路上的碳化残余物质结构进行分析，研究证明了短路引起的火灾其 碳化物结构为石墨化碳和非晶碳，而非火源电线上的碳化物仅包含非晶碳 3 8 。 美国国家火灾调查协会n a f i 曾制定和进行了一个火灾调查研究计划，采用录像 的方法，对十种典型室内火灾过程进行了全尺度实验，研究分析天花板、墙壁、 以及地板上火灾发生后的痕迹，以确定火源位置和火灾类型。他们的实验表明， 发生轰燃会使壁面有不同的痕迹，并特别指出，当火源为家具类物质、以及家 具类材料中的可燃液相组分燃烧时，地板上将包含聚氨脂类泡沫物质，而仅使 用可燃液体作为助燃速燃剂时，情况有较大不同 3 9 。美国n i s t 曾使用他们开 发的火灾动力学演化程序f d s ，对1 9 9 9 年1 2 月2 2 日发生在i o w a 州一所双层 公寓大火进行了事后计算，模拟获得了火源位置、轰燃时刻、以及烟气蔓延历 程等一些重要信息，但正如他们所指出的，由于采用所谓“正向”的模拟方法， 使得许多输入参数不确定，从而不得不采用大量模拟的方法，并与目击者所述 情况和灾后的一些调查数据进行反复对比 4 0 。美国烟酒和火器局b a t f 、火灾 行政管理局f a 、n i s t 、以及一些私营企业曾共同发起过一个火灾调查者培训计 划，通过大量火灾过程和灾后情景的录像、以及计算机模拟结果显示，对从事 火灾调查者进行培训 4 1 。美国n i s t 建筑火灾研究室通过现场勘察和目击者访 问，使用火灾模型技术，对1 9 9 0 年3 月2 3 日发生在w a s h i n g t o n 一座办公建筑的 大火进行了计算分析，他们使用的模型为较为简单的区域模型。分析结果表明， 火源为一个易着火的箱体材料，着火后6 分钟发生轰燃，导致天花板上的电路 等系统失灵 4 2 。美国n i s t 建筑火灾研究室对泄漏在乙烯树脂、木地板和地毯 上的汽油、煤油燃烧行为进行过全尺度试验，结果表明，无孔表面上可燃液体 的峰值释热率约为相同面积油池火峰值释热率的1 4 到1 8 ；而地毯上可燃液 中国科学技术大学硕士学位论文 体的峰值释热率等价于相同面积的油池火峰值释热率，他们建议热释率可作为 火灾情景估计的输入数据 4 3 。美国a k r o n 大学t a n 等学者应用气相色谱g c 、 气相色谱一质谱仪g c m s 探测火灾现场中基于石油产品中的速燃助燃物质，同时 利用多变量识别技术判断是否为人为纵火 4 4 。 由以上国外研究现状可以看出，各国已开始对火灾调查研究给予了充分的重 视，但火灾调查和重构还远没有形成较为完整的理论体系，有限的研究仍是分 散的、还仅侧重于某一方面，如探测事故现场中是否含有石油产品类物质，从 而判断是否为人为纵火，但正如m c c u r d y 所指出的，精心策划的纵火不总是以 上方式，我们需要分析火灾的整个过程 4 5 。 1 3 本文主要研究内容 本文提出了用数值模拟手段计算壁面燃烧痕迹，并用于火灾调查的方法及 意义，运用数值模拟方法对于通过模拟壁面痕迹对火灾调查提供依据进行了探 讨，同时补充了关于纵火典型燃料甲烷、乙醇火焰结构的详细反应动力学机理 研究。基于开放的f d s 原程序进行了改进，增加了一个子程序，使得壁面热解 形成的痕迹可以通过改进后的程序计算得到，且使计算结果可以直接通过 s m o k e v i e w 软件显示，使其结果显示更加直观、方便。作者还通过计算固壁的 燃烧痕迹来初步总结痕迹形成规律，通过多种工况的计算并与文献比较，该方 法可以通过壁面热解痕迹体现火蔓延过程，并且对于场景的变化具有敏感性， 可以作为调查室内火灾起火点位置、火源功率、原始环境的依据，为火灾调查 提供帮助。并把该方法试用于真实的火灾情况，计算结果与现场调查结果基本 一致。最后作者还尝试了通过建立模型对壁面烟熏痕迹进行计算并计划在下一 步工作中继续完成该模型。 本文计算程序提出的用数值模拟计算壁面热解形成图痕不仅可以给火灾调 查提供理论支持，还可以为现场火灾调查提供大量数据库，以协助火调的进行。 数值模拟作为火灾调查的一种方式无疑具有重要意义和发展价值。 中国科学技术大学硕士学位论文 1 4 论文章节概要 本文的主要章节安排如下： 第一章绪论。介绍目前火灾调查的发展情况，提出数值模拟作为火灾调查的 平台的重要意义和可行性。 第二章详细反应动力学模型。研究了耦合详细化学反应动力学机理的预混火 焰模型，并采用该模型对射流火焰进行了数值模拟，研究纵火中典型 燃料中自由基在料着火延迟中的作用，建立释热率和反应速率的数据 库，为进一步建立火灾相关典型燃料数据库奠定了重要基础。 第三章控制方程。分析研究f d s 源程序的原理，了解程序所使用的计算模型。 第四章数值方法。研究分析f d s 4 计算过程中使用的数值方法。确定对其功 能进行发展的可行性。 第五章壁面的火蔓延及热解。讨论火灾过程中火焰沿壁面蔓延的特征及模型 的建立，热解模型与三维模拟的耦合。充分讨论热解模型的建立及原 理，为其在程序中的运用奠定基础。 第六章使用数值方法对壁面烧损痕迹的模拟。使用该程序对墙角火进行模 拟，并通过与实验照片对比验证痕迹可以反应火蔓延过程，并通过4 种工况的计算研究壁面燃烧痕迹形成的初步规律。 第七章计算机模拟方法对实际火灾调查的初步应用。通过对实际火灾场景的 模拟并和现场调查报告比较，计算现象符合调查报告所提关键点，并 提出意见补充调查报告结论。 第八章总结以及进一步工作的展望。提出壁面痕迹除了烧损痕迹外还包括烟 熏痕迹，通过建立模型来计算烟熏痕迹，并期待下一步完善工作。 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章耦合详细反应动力学机理的自由扩散火焰 燃烧过程是一个复杂对物理化学现象，受到计算条件的限制，通常对其进 行耦合详细化学反应动力学机理的多维数值模拟十分困难 4 。而在火灾中有相 当多的一类现象都可以归结为预混燃烧问题，其着火燃烧现象受化学动力学控 制，需要详细研究化学动力学机理的影响。传统的平衡反应或者“总包”反应 的研究方法不能准确地反映火焰结构简化反应机理，对于反应的描述不够精细， 模拟结果不够精确，并且难以得到火灾研究中一些较为重要中间产物、自由基 的信息。在本文中，作者通过详细反应动力学模型研究自由扩散火焰，并应用 该模型对预混自由扩散火焰进行了数值模拟实验，研究自由基对火焰结构对影 响，计算并获得了该火焰结构的详细数据，为进一步建立火灾相关典型燃料数 据库奠定了重要基础。 对于自由扩散火焰结构的研究可以了解在特定压力和初始温度下火焰速度 特征和气体混合特点，预计火焰的温度分布。模拟计算中耦合详细化学反应动 力学机理，考虑到反应过程中中间产物和自由基的作用，一方面，可以使模拟 计算的精确程度增加，得出大量中间产物，如0 h ，n o 等的详细数据；另一方面， 可以更准确的描述在最小长度尺度与分子扩散尺度上的燃烧问题，如点火，熄 火过程等问题。蒋勇 5 ，6 等人应用详细半详细化学反应机理研究了碳氢预混 火焰有害物质生成和燃料点火、熄火等问题，m a r v i s 等人也通过详细化学反应 机理研究自由基对火焰结构的影u 向 7 通常多维数值模拟计算多使用单步或多步反应 8 儿9 机理。本文将利用详 细反应动力学模型，耦合乙醇详细化学反应机理，通过对甲烷乙醇空气预混 自由扩散燃烧计算模拟，来研究自由基对火焰结构的影响，包括对主要组分、 自由基、中问产物的生成量以及生成速度的影响、对燃烧的体积释热率和燃烧 温度的影响，研究建立数据库。 中国科学技术大学硕士学位论文 2 1 守恒方程 2 1 1 守恒方程组 准一维火焰传播守恒方程可按如下表示： 连续性方程： m = p u a 能量方程 m 塑一：1d ( d 五4 塑) + 鲁壹呶魄= o xd xd x c 。 7 c 智 组分方程 m 譬+ 要( - a k c b k w k ：o ( ，) 蕊黜 。 状态方程 p 矿 口= r 丁 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其中x 表示空间坐标，m 表示质量流率( 独立于x ) ，t 表示温度，乓是第 k 种组分的质量分数( 共有k 种组分) ，p 表示压力，u 表示混合流体的速度， p 表示质量密度，表示第k 种组分的摩尔质量，旷表示混合物的平均摩尔质 量，r 表示通用气体常数，丑是混合物的热传导率，c 。是混合物常压时的热容， 表示混合物第k 种组分常压时的热容，咄表示第k 种组分每单位体积的化 学反应摩尔速率，魄表示第k 种组分的焓，k 表示第k 种组分的扩散速率。 每一种组分的净化学反应速率咄是由所有组分间化学反应的竞争产生 的。假设每一个反应根据物质行为规则和递进率系数为改进的a r r h e n i u s 形式， k f = a t 口e x p ( 面- e a ) ( 2 5 ) 除了化学反应速率，组分的输运特性同样需要关注。 中国科学技术大学硕士学位论文 2 1 2 多组分输运特性 对于多组分情况，输运特性的赋值遵从d i x o n l e w is 描述的方法 1 0 。多 组分扩散系数，热传导率和热扩散系数由一组守恒方程计算得出，包括扩散系 数，组分摩尔分数，和组分的热动力学及分子特性。这些守恒方程可以推算出 多组分扩散系数皿，第k 种组分在第j 种组分的中的扩散，以及组分的热扩 散系数和热传导系数。 对于多组分的表达式，扩散速率由下式定义： k = u + ( 2 6 ) 一般扩散速率项可以由下式表示 唯：了杀窆形职，d j v k2 而k l 7 ；+ k 辅j u k ( 2 7 ) 其中矿是平均摩尔质量，w 是第j 种组分的摩尔质量，d j 由下式定义 t2 跗t + ( 五一) 砉即 热扩散速率由下式得出： u = 篆亭v 丁 ( 2 8 ) ( 2 ，9 ) 其中d 7 。是组分k 的热扩散系数，当热扩散作用占重要地位时，使用该模 型可以很好的模拟热扩散行为。 2 1 3 边界条件 适当的边界条件可以由c u r t i s s 和h i r s c h f e l d e r 的工作中推导得出 1 1 。 对于自由扩散火焰m 是一个特征值，必须作为求解的一部分【1 2 。因此需要另 外确定约束范围，或者该边界不能有一阶自由度。在此通过确定火焰位置和描 述固定点的温度来解决该问题。这样便有充足的约束条件来求解火焰速度特征 中国科学技术大学硕士学位论文 值m 。如果不能达到以上条件，由于一些热量将会通过冷边界丧失， m 会过 低。 2 2 数值方法 2 2 1 有限差分近似 计算。对流项的差分采用中心差分格式： c m d 出t ) ，竹，c 高+ 镣l 一赤南， c zc 焉+ 镣l 一丽h 。t j j 抓出l 球d x ) jc x y + l l - - x ji ，阻。，： 乏专h 圳。，：) ( 到 t 吣。一( 鼍学) 川，2 l 等等j ( k ：也矿) k ：圭( v k + w k ) ( n a v y , ) 。，：一( 州k k ) 。，： c m d x ，c 鼎确+ 锗乃一而高码， 其中j 指网格节点， ，= x 。一x ，。迎风差分法需要在初始边界上引起人为 扩散，并导致n e w t o n 法初始迭代收敛不敏感。如果网格在高梯度范围精确，人 为扩散将不会在网格精确后对结果产生重大影响。对于给定网格，迎风差分没 有中心差分精确度高，因此如果收敛没有困难一般选择中心差分法。 能量方程求和项中的一阶导数通常用中心差分来近似， c zc 焉确+ 话l 一东南码，汜 能量方程中的二阶导数项采用二阶中心差分， 中国科学技术大学硕士学位论文 鼢a ，辨c x y + i l x j _ ，卜。，： 篡h 圳。j ( 鬻 汜1 3 ) 组分守恒方程中的扩散项也用同样的方法差分，一般和热扩散速率在 节点j 1 1 2 混合平均估算， 和 ( 等l ：( x k i 一xk i x j + i x ， ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 为了避免某种组分的摩尔分数为0 ，通过构造式3 1 4 需要用圪k 代替 k ( k = 五吼w ) 。当扩散率在所有网格中间点计算后，修正率屹可由下式 得出 扩散项差分格式如下式 旱d ( 嗍吼丝掣盟汜x 。 x ，+ 1 1 2 一x j 一1 2 其他项及系数均在节点j 处估算。 2 2 2 边界条件 在冷边界，描述质量通量分数和温度 督( 学l ，2 _ 。 i 一瓦= 0 气 生二当：o x i 一01 一f 旦继 ：o( 21 8 ) lm ，2 譬 警 62 、l， + 七 卜 。m = 圪 中国科学技术大学硕士学位论文 及 巧一五= 0 其中& ，1 是进口第k 种组分的分数，瓦是给定的燃烧口的温度，在热边 界层，所有的梯度耗散率为 垦： 堕! ：o x j x g 一1 及 五二兰= ! ：o x j x j i 2 3 计算结果及分析 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 引起火灾的火源通常不是单组分原料，而更多的可能是混合燃料。因此只研 究单组分材料的火源对于复杂火灾场景是不足够的。如今的社会生活和工业中 大多使用的是碳氢化合物，因此研究混合燃料的化学反应动力学机理是非常必 要的。本文中作者研究了两种主要烷烃，甲烷和乙醇。 二十世纪八十年代以来，乙醇已逐渐成为重要的燃料添加剂，近期它的广 泛使用更是出于环保因素 1 5 。目前已经有关于关于燃料中引导自由基的研究， 但是对于使用更广泛的混合燃料仍然没有充分研究。因此对于单纯化合物的燃 料和混合化合物燃料火焰结构的研究还需要更深入仔细 1 5 一1 7 。本文开展了一 系列的计算模拟来研究甲烷燃料添加酒精及燃烧促进添加剂的火焰结构。 由于燃烧行为是复杂的物理化学现象，受限制于现在的计算条件，耦合多 维数值模拟的详细动力学模型的计算仍有难度 1 7 ，本文中的计算采用的是以 为计算模拟。由于大部分的火灾现象可以被归类为可用化学动力学机理描述的 自由扩散预混燃烧，因此本文选用p r i m i x 代码来模拟火焰结构。 本计算采用了n i c km m a r i n o v ，发展的乙醇氧化详细反应动力学模型。计 算结果可以看出在高温条件下的乙醇氧化显示出很强的乙醇分解敏感性。该详 细动力学模型包括5 6 种组分和3 2 7 个反应，并表述了反应c 2 h 5 0 h ( + m ) 一c h 3 中国科学技术大学硕士学位论文 + c h 2 0 h ( + m ) ，c 2 h 5 0 h ( + m ) 一c 2 h 5 + o h ( + m ) 和0 + 0 h 0 2 + h 的重要性。 该计算使用了s a n d i a 国家实验室发展的c h e m k i n 一3 软件 1 8 联合p r e m i x 代码一一用来计算自由扩散预混火焰的层流火焰组分和温度剖面，及燃烧时气 体混合的火焰速度。考虑了有限化学反应动力学和多组分分子输运。热动力学 和输运特性来自s a n d i a 国家实验室以及m a r i n o v 研究组。计算条件为火焰前锋 进行一维数值模拟并且对环境没有热损失。数学离散采用了中心差分法。 本文计算了三种不同条件下的火焰结构：a ，预混c h 4 0 2 n 2 火焰；b ，预 混甲烷一酒精火焰( 9 ：1 ) ：c ，引入诱导自由基( 0 1 ，如o h ) 的甲烷一乙 醇混合燃料。并对着三种情况下的火焰结构进行对比。为了研究初始温度对火 焰结构的影响，本文计算了1 5 0 0 k 和1 2 0 0 k 两种初始温度，且燃料、空气比为 】o 。 a 初始温度为1 6 0 0 k 的数值模拟 其模拟结果如下图所示( 图2 1 一图2 5 ) 工况a 工况b工况c 图2 1 温度v s 火焰高度 显然温度发展趋势是不相同的。对于纯甲烷燃烧的情况，温度在高度0 6 厘米时达到峰值，而在工况b 中，温度在1 o c m 处达到峰值。且甲烷火焰的模 拟显示温度的下降趋势比混合燃料火焰的要快。甲烷火焰的最高温度也比混合 燃料火焰的要略高。因此可以得出如下结论：向甲烷燃料中添加少量乙醇可以 促进燃烧，但是稍微影响了峰值温度。图2 3 和图2 4 表明在工况b 中反应2 3 c i 4 + h = c h 3 + h 2 和5 9 c h ，0 + 0 = c h 。01 + o h 比工况a 吸收了更多的热量。 因此这可能是导致b 比a 最高温度低一些的原因。 八三一 ；藤；“笠 一 、， 呓 ， 致 一善一 k w 弘。 中国科学技术大学硕士学位论文 根据图2 2 一图2 5 的计算结果显示可以观察到对于混合燃料燃烧，当加入 诱导自由基后反应显著提前且强度增加，将在下文进行讨论。 工况a工况b工况c 图2 4 部分反应热产量v s 火焰高度 从图2 2 可以看出当在混合燃料中加入自由基以后并没有影响最终的摩尔 分数分布情况，但是从图2 3 结果显示加入自由基的反应开始的更快速。从图 2 5 结果可以看出自由基对部分氧化过程对作用，为了使反应充分释放，需要 中国科学技术大学硕士学位论文 积累一定的自由基数量。 工况a 工况b 工况c 图2 5 摩尔转换v s 火焰高度 b 初始温度为1 2 0 0 k 时的数值模拟 本文计算的第二种初始温度为1 2 0 0 k ，其部分计算结果由图2 6 图2 1 0 表示，可以很明显的看出不同燃料的火焰结构间的差异。对于甲烷燃料的火焰 结构模拟结果显示，最高温度在火焰高度1 5 c m 处达到1 5 0 0 k ，而对于甲烷一 乙醇混合燃料的燃烧，其反应进程要提前一些，但是最高温度要稍微低一些。 对于加入自由基的混合燃料的燃烧其火焰最高温度并没有明显改变。而且加入 少量0 h 诱导自由基可以减少着火延迟时间，同类自由基如0 ，h ，h 2 0 2 ，也会有 相同现象。 工况a 工况b工况c 图2 6 温度v s 火焰高度 一s；#- 中国科学技术大学硕士学位论文 工况a 工况a 工况b工况c 图2 7 摩尔分数v s 火焰高度 工况b工况c 图2 8 净反应速率v s 火焰高度 在相对较低的出1 3 温度( 1 2 0 0 k ) 时和相对较高的出口温度( 1 5 0 0 k ) 两种 情况0 h 的影响。如图3 8 所示，在工况a 中主要反应速率在l c m 处达到最大值， 且持续到3 a m 处。在工况b 中主要反应从喷口处即开始，在大约3 c m 处结束； 而在工况c 中反应从喷口处强烈开始到0 7 c m 处结束。 鲣 工况a工况b工况c 图2 9 部分反应热产量v s 火焰高度 三嘉 ； 、 描 巨一 一鼠= 薹 、 瓣匡 兰一 蕊鬯 咖 蕊 勰 毛疆惴 蕈 1 n 兰 鎏蕊m 、孝蒜 | 登捌曝 。裴i一 照 中国科学技术大学硕士学位论文 工况a 2 3 1 讨论 工况b 工况c 图2 1 0 摩尔分数v s 火焰高度 本计算研究有两个目的，一个是研究乙醇添加剂的作用，另一个是研究诱 导离子在燃烧中的作用。 a 在甲烷燃料中加入乙醇 根据计算数据可以得出，甲烷中混入乙醇后影响了着火延迟时间和混合燃 料燃烧反应的选择性。更容易发生的反应可以从图2 3 和图2 7 观察到。在这 些工况中，反应# 3 l ，i t 2 ，# 2 3 ，# 3 0 和# 1 3 9 更容易发生。它们分别是 c h 3 + 0 2 = c h 2o + o h ， o + 0 h = 0 2 + h ， c h 。+ h = c h 3 + h 2 ， c h 。+ o = c i l 3 0 + 0 c 2 k 0 h + h = c h 。c h 。0 + h 2 比较工况a ( 纯甲烷燃料) ，工况b ( 加入乙醇的甲烷混合燃料) 的计算结 果，我们可以观察到反应2 3 从正向变为负向，这显示更多的h 产生以促进反应 进行。从反应3 1 ，2 ，2 3 ，3 0 和1 3 9 可以观察到大量的0 ，h 和o h 被产生出来 以促进反应的进行，因此可以减少着火延迟。反应3 1 从负向变为正向也是为了 增加o h 的产量，这是因为从甲烷中产生h 比从碳氢化合物中产生h 要困难的多 1 9 ，而且在温度为1 1 0 0 k 到1 7 0 0 k 之间的化学反应迅速且复杂，大量的气相 反应会发生。同类的反应需要一个诱导期可以让自由离子来储蓄直到反应可以 中国科学技术大学硕士学位论文 剧烈发生 2 0 。因此当加入乙醇到甲烷火焰时，反应需要的0 ，h ，和o h 更多的 需要乙醇来提供。 2 3 2 在预混火焰中引入自由基 在甲烷一乙醇一空气混合物中加入少量的自由基，本文诏众研究了甲烷一 乙醇的氧化过程，以及c h 的化合键，甲烷对于自由基的敏感性要高于碳氢化 合物 2 1 。 主要的离子如0 ，h 和o h 对所有反应的选择性都有重大影响。从图2 2 和 图2 5 可以看出火焰结构中的摩尔分数曲线被合理的再生成。这些组分的反应 发生在一个所谓的“t h 由基池”：o + o h ：o 。+ h ，o h + o h = o + h ：0 ， o + h 。= o h + h ，o h + h 。= h ：o + h ，h + o h + m = h 。o + m ，h + h + m = h 。+ m ，在燃烧反应中更具活性 且影响着选择性 2 2 。 工况a 工况b工况c 图2 1 1 温度v s 火焰高度 工况a 工况b工况c 图2 1 2 部分净反应速率v s 火焰高度 中国科学技术大学硕士学位论文 2 3 3 结论 通过本文的工作可以得出如下结论： a ) 通过在甲烷燃料中加入乙醇，着火时间可以减少而最高温度值会比初 始温度为1 5 0 0 k 时要稍微低一些，而和出口温度为1 2 0 0 k 时相当。这 是因为部分主要反应需要吸收热量，且对加入对乙醇更敏感。 b ) 当在甲烷燃料中添加了乙醇，其作用不只是提供了可以加强火焰当 碳，而且可以生产自由基，如o h 。 c ) 对于加入了自由基的甲烷一乙醇混合燃料，可以大大减少着火延迟。 d ) 在混合燃料的燃烧中，乙醇可以用来提供自由基，其作用相当于) j n x 自由基。 e ) 对于含有可以提供如o i 的自由基的成分的混合燃料更容易点火燃烧。 中国科学技术大学硕士学位论文 3 1 大涡模拟方法 第三章数学模型 火灾引起的烟气输运和空气流动几乎都是湍流运动。一个湍流系统通常由 时间尺度和空间尺度大小不同的各种涡团组成。最大尺度的涡的尺度可以和平 均运动的特征尺度相比，而最小尺度可由k o l m o g o r o v 尺度表征。如果采用直接 数值模拟( d n s ) ，为了能够描述湍流的所有流动结构，计算区域的网格尺度至 少为r e “4 ，不适用于火灾场景的模拟。而工程中常用的雷诺平均的方法以及 k e 模型以及修正的k e 模型又不能够详细描述燃烧参数。大涡模拟方法是 介于两者之间的一种方法。不同尺度的涡具有不同的特点，如表2 1 所示。流 动中大部分的质量、动量、能量输运来自于大涡。因此在计算过程中大尺度涡 采用直接模拟的方法，小尺度涡采用模型模拟。 表3 1 湍流中大尺度涡同小尺度涡的比较 大尺度涡小尺度涡 与平均流作用强烈，从主流获得能量从大尺度涡获得能量 强烈依赖于流场结合边界条件具有一般性 具有拟序性随机的 非均匀、各向异性均匀各向同性 存在周期长存在周期短 很难找到广泛适用的模型容易找到广泛适用的模型 在大涡模拟过程中，加入滤波后动量方程，组分方程，能量守恒方程以及 状态方程分别如方程3 卜3 4 所示： a 。4 ；，+ 熹( 瓦) = o 乱 舐、7 ( 3 1 ) 中国科学技术大学硕士学位论文 p f 巫a t 矗等 - 挈a ( p - p o ) + 毒蔓o t + 等 十孺耻善c s z ， 碡皤氨害 _ 鲁+ 毒卜善 + 西一考 慨。， 歹= 乃f r m ( 3 4 ) 3 1 1 火灾条件下的控制方程 建筑火灾过程中的流动主要是由燃烧引起。与一般的工业燃烧过程相比， 有其特殊性，可以对控制方程进行一定的简化处理，在保持火灾过程典型流动 特征的同时，加快求解速度，实现准确性和经济性的一个合适的平衡。 现在进行低马赫数条件下的控制方程组的简化。火灾过程中的烟气运动速 度与声速相比非常慢，是一个低马赫数的可压缩流动，到目前为止大部分用于 可压缩流动计算的数值算法通常采用空间、时间的高阶差分算法，同时需要采 用极小的时间步长。而在火灾过程中，由于烟气运动的速度相对比较慢，火灾 过程的时间尺度相对较长，其结果必将是需要耗费巨大的计算资源和时间。同 时，高精度的数值格式往往会带来稳定性的问题，这就进一步增加了这些数值 算法应用于火灾过程工程计算的困难。因此，通常的可压缩流动计算的数值算 法在解决火灾过程这样的问题上并没有取得较好的效果 5 0 。 近几年来，美国国家标准技术局( n i s t ) 的研究者r e h m ，m c g r a t t a n 4 8 ，4 9 等提出了一种解决上述问题的方法，主要是基于下述考虑： 火灾过程引起的流动具有如下特点： 1 火灾过程引起的流动速度远远小于声速： 2 温度与密度有较大的变化： 3 压力变化很小 在这样的假定下，将压力项分解为“背景压力”风( f ) ，“静压”，以及流动引起 的压力变化( p e r t u r b a t i o n ) 项： p = p o 一几g z + p ( 3 5 ) 中国科学技术大学硕士学位论文 大部分情况下，p o 是常数，也可以是随时间缓慢变化的量。能量方程和状态方 程中的压力项可以用一个空间平均压力( 或称之为“背景压力”) 来代替。不再 需要对声波的作用进行准确的计算。因此计算所能允许的时间步长将极大的增 加。并且利用二阶差分格式就能取得合理的结果 4 8 ，5 1 。 经过变化可将动量方程写为如下形式： p ( 害+ 互1v k2 - - u x c d ) + 印喘+ 厂冉r ( 3 6 ) 将上述压力分解形式代入，并在方程两侧减去静压力项，可得到 p ( 害+ 瓤2 - - u x 0 3 ) + 即如训冉r 慨， 进而有 害+ 却i2 + 万1w = 如一成) “r ) 3 1 2 动量方程的处理 ( 3 8 ) 进一步考察动量方程( 不考虑外力f 的作用情况下) ： 鲁= 窑+ ( 川) “= 掣1 一即+ ( p 一几) g + v r ( 3 。) 沿着随流体运动的任意一条封闭流体线l 对动量方程( 2 8 ) 进行积分，可得到该 封闭流体线的加速度环量： 嘎面d u y = 嘎去 一印+ ( p 一氏) g + v r p ( 3 ，。) 其中d 表示随体导数。任意封闭流体线l 速度环量随时间的变化率等于该封闭 流体线的加速度环量 5 2 ，有： 中国科学技术大学硕士学位论文 百d f = 詈( 嘎“胡) = 屯面d u 讲= 啦古 一即+ ( p 一比) g + v r 讲 ( 。- - - ) 从上式可以看到，产生涡量的主要因素有斜压矩( b a r o c l i n i ct o r q u e ) ，浮力以 及粘性。在火灾过程中产生涡的最主要因素是浮力的作用，因而可以忽略由