比较FDS和FLUENT在池火灾模拟中的应用.docx

比 较fds和fluent在池火灾模拟中的应用 彬，张礼敬，张村峰，王益敏曹( 南京工业大学城市建设与安全工程学院，江苏省城市与工业安全重点实验室，南京 210009)摘 要: 热辐射是池火灾燃烧的主要危害之一，可能导致人员伤亡或设备设施损坏。油罐火灾 是典型的池火灾。本文通过对无风情况下油罐火灾火焰形状进行理论模型分析，建立了各自的物理 模型和几何模型。应用计算流体动力学软件 fluent 和火灾动力学模拟软件 fds，对无风情况下池 火灾对周围大气环境的热辐射强度进行模拟，得到了火焰周围入射热流密度分布图，运用软件 sta- tistica 拟合得出热辐射强度与距离火焰中心的水平距离的对应关系，分别计算出轻伤半径区域下 的最小安全距离。数值模型模拟结果与池火灾经验模型进行比较，发现 fds 辐射强度结果与经验 模型结果吻合较好。分析了利用这两种模型模拟油罐火灾各自的优点 和 缺 点，最后提出了运用 fds 软件模型模拟油罐火灾时的优势。关键词: 池火灾; 热辐射; 数值模拟中图分类号: x93文献标识码: acomparison of fds and fluent applied in pool fire simulationcao bin，zhang li-jing，zhang cun-feng，wang yi-min( jiangsu key laboratory of urban and industrial safety，school of urban construction and safety engineering，nanjing university of technology，nanjing 210009，china)abstract: thermal radiation is a key hazard characteristic of pool fire，which may result in injury to people anddamage to adjacent equipment and facilities the tank fire is a typical kind of the pool fire some theoretic supposi- tions and analysis about the flame shape of tank fire without wind were carried out in this paper also the physical and geometrical to the shape were established the heat radiation to environment from the pool fire were thereby nu- merical simulated by using software fluent of computational fluid dynamics and fire dynamics simulation soft- ware，to obtain the density distribution diagram of incident heat flow around the flame the software statistica was used to fit the relationship between heat radiation intensity and horizontal distance to the center of flame，then cal- culate the minimum safety interval under the minor injuries radius of the area by comparing with the empirical models，the presented results of fds appeared to be quite good the calculation methods of the two models were further analyzed to find the advantages and disadvantages of then when being used in simulating oil tank fires fi- nally，it was concluded that fds has more advantages than fluent with satisfactory resultskey words: pool fire; thermal radiation; numerical simulation1引言收稿日期: 2011-02-24作者简介: 曹彬，硕士研究生。在石油、化工和危险品储运过程中存在着大量46中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 7 卷的危险易燃易爆化学品，一旦发生液体泄漏，很容易引起池火灾或爆炸。通常情况下，在石油储罐区，一 旦某一储罐发生事故，极有可能引发临近单元发生 相应事故，从而引发事故多米诺效应，造成人员伤亡和财产损失，导致事故规模的进一步扩大1。因此 研究池火灾的安全距离对预防次生灾害的发生和灭火救援具有重要意义。池火灾危险性分析其主要目的是估算池火灾对周 围目标的破坏程度。其后果分析主要包括: 火焰半径、火焰高度、火灾总的热辐射通量以及目标入射热辐射通量等2。池火灾属于稳态火灾，其危害能力取决于 其火焰热辐射传热能力和热烟气对流传热能力3，因 此选用热通量伤害 / 破坏准则计算热辐射伤害半径( 包 括死亡、重伤、轻伤及财产损失半径) 等4。由于油罐火灾的特殊性，直接进行大型试验非常困难。采用计算机模拟技术，运用模拟软件对油 罐火灾过程及周围热辐射规律进行数值模拟成为研 究池火的重要方法。本文以某柴油储罐区为例，利速率中，有相当大一部分是以热对流的方式释放的，只有很小的一部分以热辐射的形式散发出去，在液 体池火、甚至充分发展的多孔堆火情况下，对流散发 的热量占总热释放量的 60% 70% 以上，而热辐射 能量只占总释放能量的 30% ，此处取 = 30% 。2. 3目标接受的热辐射通量 q对于圆柱形火焰，热辐射在空气中传播的热辐射通量可用下式来表达: 距离池中心某一距离 x 处的入射热辐射强度为6-7: qtc ( 3)i =4x2式中: i 为热辐射强度，kwm 2 ; t 为 热 传 导 系 数，c在无相对理想的数据时，可取值 1; x 为目标点到液 池中心的距离，m。本文选取某化工园区的柴油储罐区为实例进行 研究，柴油储罐分别为容积 100m3 ，直径为 5. 2m 以及容积 为 150m3 ，直 径 为 6. 0m。当 火 灾 发 生 后，柴 油泄漏到防火堤内，计算所得泄漏后的当量直径分别为 11. 37m 和 14. 06m。利用计算流体力学软件 和火灾动力学软件模拟储罐区中其中一个储罐的泄 漏，对池火灾热辐射进行数值模拟，模拟预测发生池 火灾时周围热辐射的空间分布，并将结果与经验公 式计算得出的结果比较。用火 灾 动力学模拟软件 firedynamics simulation( fds) 和计算流体动 力 学 软 件 computational fluiddynamics( cfd) ，研究油罐火灾燃烧的热辐射特性， 计算分析了其发生池火灾时的伤害破坏范围，针对两种模拟计算结果进行了比较。qtc，参 阅 q 准则中的中轻伤的 根据公式 i =4x22池火灾模拟理论基础临界值，将 q = 1. 9kw / m2 代 入 式 ( 3 ) 进 行 计 算，得研究的轻伤区域半径分别为 48. 55m 和 58. 38m，定 为模拟区域半径; 模拟区域高度取火焰高度的 2 倍，分别为 37m 和 42. 8m。池火灾指的是可燃液体或易燃固体作为燃料的火灾。池火灾模型的几个重要的参数是池火的火焰高度h5、表面辐射通量 e、目标接受的热辐射通量 q。2. 1池火的火焰高度 h3模拟结果0. 6= 84r ( dm / dt) ( 1)h0. 50 ( 2gr)式中: h 为火焰高度，m; r 为液池半径，m; 0 为空气目前在对池火灾的研究，通常用于模拟的软件是 fluent 和 fds。fluent 是一种通用的流体动力学 计 算 软 件，其 设 计 基 于“cfd 计算机软件群 的 概 念”，针对每一种流动的特点，采用各种合适的数值 解法以求得在计算速度、稳定性和精度等方面达到 最佳。它将不同领域的计算软件组合起来，成 为 cfd 软件群，从而高效率地解决了各个领域的复杂1. 293kg m 3 ; g密 度，取为 重 力 加 速 度，取9. 81 ms 2 。2. 2表面辐射通量 e( r2 + 2rh) h ( dm / dt)c( 2)q =72( dm / dt) 0. 61 + 1式中: q 为总热辐射通量，kwm 2 ; 为效率因子; 38hc 为液体燃烧热 kgm。流动计 算 问 题 。fds 软件是由美国 标 准 与 技 术研究所( nist) 开发的，用于预测在拟定的最不利的式中 为热辐射系统效率，因为在总的热释放第 9 期中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 47可信设计火灾下所导致的火灾环境。该模型是一个基于有限元方法概念的计算流体动力学模型。下面 分别运用这两种模拟软件研究油罐火灾燃烧的热辐 射特性9。3. 1 fluent 模拟3. 1. 1基本假设及几何模型为计算方便，突出重点矛盾，达到研究 的 目 的， 这里对研究对象做几点假设如下:首先，假定池火灾火焰为圆柱形火焰; 将火焰对 周围的热辐射假定为火焰圆 柱外表面对周围的辐 射，为灰体辐射，黑度取炭黑的黑度 0. 96; 设置火灾 场景为无风情况的稳态池火灾。研究区域为里面长方体到外面圆柱的中间部分， 里面的长方体的尺寸的当量直径为假定火焰的尺寸， 外面圆柱的尺寸是根据经验公式算得的轻伤半径。3. 1. 2基本参数设置中间介质为大气，主要成分为 n2 、o2 以及少量h2 o、co2 、co 等，结构对称的气体分子在火灾高温范 围。其中大部分位于红外线区段内没有辐射和吸收 的能力，可以认为是热辐射的透明体; 鉴于火灾影响 范围相对较小，这里只考虑 h2 o、co2 的辐射和吸收。 查阅当地近年内平均气象资料可知，其中大气的水分 含量在 1% 4% ，这里取 2% 。二氧化碳的含量保持 在 0. 34% 左右10-11。物质的吸收性质随温度的变化 也将有所不同，这里取池火灾火焰温度和环境温度的 平均温度 900k，代入下列两式，再结合其浓度分数， 得到空气的平均吸收系数为 0. 177 / m。导入 statistica 软件进行数据拟合，得 到 下述关系:2y = 28313. 8945 3. 0066x 10. 1545x ，得 安 全距离 x = 50. 8m。当直径 d = 11. 37m 时，y = 1. 7m 上火焰周围入 射热流 q 的分布图见图 4。z = 0m 上火焰周围入射 热流 q 的分布图见图 5。= exp278. 713 153. 24ln t + 32. 1971h2o( lnt) 2 3. 0087( lnt) 3 + 0. 48386( lnt) 4 ( 4)= exp969. 86 588. 38lnt + 132. 89co2( lnt) 2 13. 182( lnt) 3 + 0. 48386( lnt) 4 ( 5)边界条件: 辐射热源黑度设 为 炭 黑 黑 度 0. 96， 温度为 1500k; 顶 部、地 面 及四周壁面黑度取 1，取 四周及顶部壁面温度为环境温度 300k; 绝 热，即 热 流为 0kw / m2 。3. 1. 3模拟结果当直径 d = 14. 06m 时，y = 1. 7m 上火焰周围入 射热流 q 的分布图见图 1。z = 0m 上火焰周围入射 热流 q 的分布图见图 2。从上述 fluent 计算的数据库中，取人 的 平 均 高 度 y = 1. 7m 的平面上的数据，得图 3 所示曲线。48中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 7 卷从上述 fluent 计算的数据库中，取人 的 平 均 高度 y = 1. 7m 的平面上的数据，得图 6 曲线。图 6 y = 1. 7 时曲线图导入 statistica 软件进行数据拟合，得 到 下述关系:y = 26997. 6675 1. 3771x 14. 8147x2 ，得 安 全 距离 x = 41. 1m。图 7 y = 1. 7 时拟合曲线图件进行数据拟合，如图 8 所示。3. 23. 2. 1fds 模拟油池燃烧质量损失速率油池燃烧质量损失速率12:mf = m ( 1 ekd)( 6) 2 1式中: mf 为 燃 油 的 质 量 燃 烧 速 率，kg m s;m 为燃油的最大质量燃烧速率，kg m 2 s; k 1为火焰的吸收衰减系数，m 1 ; 为平均光线长度校正系数; d 为油池直径，m。对于柴油，munoz 等13 通 过 实 验 得 到 m 和 k 的 值 分 别 为 0. 062m 1 与 0. 63m 1 ，代 入 公 式 6得 mf = 0. 062。图 8 y = 1. 7 时拟合曲线图关系式: y = 94. 4506 5. 5863x + 0. 0764x2 ，得安全距离 x = 47. 7m。3. 2. 2单位面积放热速率单位面积放热速率:q= 1 hc mf( 7)4结果分析式中: 燃烧效率 1 是总的热释放速率与理论热释放速率之比。理论热释放速率是燃料的质量燃烧速率 与燃烧热 的 乘 积。柴油燃烧效率 介 于 0. 68 0. 85通过无风情况下的泄漏到防火堤的油池燃烧对油池液面高度辐射的模拟计算，结果如表 1 所示。表 1 储罐不同模拟方法下的安全间距之 间，取 1 = 0. 8。 得 单 位 面 积 放 热 速 率2. 12mwm 2 。q=3. 2. 3模拟结果fluent 模拟安全间距 / mfds 模拟安全间距 / m经验公式计算得安全间距 / m直径当直径 d = 14. 06m 时，取 y = 1. 7m 且 x 0 的平面 上 的 数 据，导 入 statistica 软件进行数据拟 合，如图 7 所示。关系式: y = 133. 5638 6. 796x + 0. 0792x2 ，得安全距离 x = 56. 3m。当直径 d = 11. 37m 时: 取人的平均高度 y =1. 7m 且 x 0 的平面上的数据，导入 statistica 软11. 3714. 0641. 150. 847. 756. 348. 5558. 38对于无风情 况，fds 和 fluent 数 值 模 拟 结 果都比经验模型的略小，相较而言，fds 的结果和经验 公式所得结果吻合较好，比较分析原因有以下几点:第 9 期中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 494. 1湍流模型不同fluent 模拟中，考虑到池火灾的实际情况，选取的破坏半径j 中国安全科学学报，1996，2( 6)yu de-ming，feng chang-gen，zeng qing-xuan，et althermal radiation damage critiria and pool fire damage radiusj china safety science journal，1996，2( 6) thomas p h the size of flames from nature fire，9th symp on combustion london: a academic press inc，1963 王志云，肖勇，贾伟玲 汽油储罐火灾爆炸事故定量安 全评价方法简析j 安全、健康和环境，2006wang zhi-yun，xiao yong，jia wei-ling analysis of the fire and explosion quantitative risk assessment of thegasoline tankj safety health environment，2006刘博，梁栋，黄沿波 池火灾热辐射计算及模拟j 安 全、健康和环境，2008，( 12)liu bo，liang dong，huang yan-bo heat radiationcalculation and simulation of pool firej safety health environment，2008，( 12)杨君涛，魏东，李思成 基于油罐火灾数值模拟的模型 选取 与 分 析j 中国安全科学学报，2004，14 ( 1 ) :28-33yang jun-tao，wei dong，li si-cheng selection andanalysis of fire models based on oil tank fire simula- tionj china safety science journal，2004，14 ( 1 ) :28-33肖泽南，谢 大 勇 cfd 技 术 在大空间烟气运动模拟中 的应用j 消防科学与技术，2005，( 2)xiao ze-nan，xie da-yong the application of cfdtechnique used in modeling smoke movement in large spacej fire science and technology，2005，( 2) 李丽霞，张礼敬，孟亦飞，涂善东 池火灾热辐射下的 最小安全间距j 中国安全科学学报，2004，3 ( 14) :16-19li li-xia，zhang li-jing，meng yi-fei，tu shan- dong minimal safety distance under heat radiation ofpool firej china safety science journal，2004，3( 14) : 16-19承奇，张礼敬，陶刚，宋会会 高架火炬事故状态火焰 热辐射 危 险 性 分 析j 石油化工高等学校学 报，2009，22( 1) : 69-72cheng qi，zhang li-jing，tao gang，song hui- hui flame heat radiation hazard analysis of elevatedj flare under accident condition journal of petro- chemical universities，2009，22( 1) : 69-72zabetakis m g，burgess d s research on the hazards associated with the production and handling of liquid hy-drogen，bmri-5707 r washington: bureau ofmines，1961munozm，arnaldos j，casal j，et al analysis of the geo- metric and radiative characteristics of hydrocarbon poolfires j combustion and flame，2004，139 ( 3 ) :263-2771的是 k- 模型，标准 k- 模型是一种经验模型，是基于湍流能量方程和扩散速率方程。fds 模 拟 时，对火灾过程模拟默 认 采 用 les。 les 模型提供了一种方式，让依靠时间尺度模拟的 大边界计算问题可以利用一系列的过滤方程。4. 2 网格划分fluent 模拟选用 fluent 自带的网格生成器 gam- bit 生 成 网 格 采 用 tet / hybrid 方 法 划 分 网 格。在 模 拟过程中，考虑到实际情况的复杂性以及计算机计 算的负荷能力在这里对距离火焰近距离处网格划分 较细密，且距离越远网格的划分就越粗大。fds 计算区域分别为 4