3m直径煤油池火灾火焰特性的数值研究解析.docx
《3m直径煤油池火灾火焰特性的数值研究解析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《3m直径煤油池火灾火焰特性的数值研究解析.docx（13页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
3m直径煤油池火灾火焰特性的数值研究解析
第20卷第10期中国
2010年10月China
安全
Safety科学Science学报
JournalVol.20No.10Oct.2010
3m直径煤油池火灾火焰特性的数值研究
史光梅
高级工程师
*
李明海张中礼胡绍全罗群生
（中国工程物理研究院总体工程研究所,绵阳621900
学科分类与代码:
6202740（安全模拟与仿真学中图分类号:
X932文献标志码:
A基金项目:
国家自然科学基金委员会-中国工程物理研究院联合基金资助（10776100。
摘要为了预测油池火灾的火焰特性,采用CFD模拟技术开展静风状态下3m直径煤油液池的火灾场景模拟,探讨火焰温度、火焰羽流速度、辐射热通量、燃烧产物质量分数等油池火焰特性参数随高度的变化关系;并结合火焰形态分布,提出一种4区域模型,即将湍流扩散火焰划分为油气混合燃烧区、燃烧火焰区、烟尘区和热烟气区来分析燃烧气流在不同高度的实际物理化学特性。
此外,通过经验公式和CFD模拟2种方法分别计算出3m直径煤油池火灾的火焰高度、火焰表面的辐射通量及热辐射破坏半径,并对计算结果进行比较分析,结果表明:
2种方法可互相补充完善,有助于池火灾的热辐射危害性评估。
关键词池火灾;计算流体力学（CFD模拟;4区域模型;火焰高度;热辐射破坏半径
NumericalResearchonFlameCharacteristicof
aThreemeterDiameterKeroseneFire
SeniorEngineerLIMinghaiZHANGZhongliHUShaoquanLUOQunshengSHIGuangmei
（InstituteofSystemsEngineering,CAEP,Mianyang621900,China
Abstract:
Athreemeterdiameterkerosenefireinopenstagnantairwassimulatedforforecastingflamecharacteristics.BasedonCFD（ComputationalFluidDynamicssimulation,therelationsofflametemper
ature,plumevelocity,thermalradiationflux,andthemassfractionofCO2withheightwerediscussed.Onthebaseofthevariationflamecharacteristic,combiningtruefireprofile,afourzonemodelofpoolfirewasproposed.Buoyantturbulentdiffusionflamescanbedividedintofourparts:
mixedfiringzone,combustionflamezone,smokezone,andhotgaszone.Thecharacteristicsofcombustiongasflowineachzonewereanalyzed.Furthermore,flameheigh,tsurfaceemissivepowerandthermalradiationdamageradiusofpoolfirewerecalculatedusingexperienceformulaandCFDsimulation,andthecalculationresultswerecomparedandanalyzed.Theresultsshowthatthesetwomethodscanbemutuallycomplementary,whichhelpstothefirehazardassessmen.tKeywords:
poolfire;computationalfluiddynamics（CFDsimulation;fourzonemode;l
flameheigh;tthermalradiationdamageradius
由于意外泄漏很容易引发池火灾,池火火焰及热辐射将对周围人员和设备设施产生严重危害,甚至可能造成重大的人员伤亡及财产损失。
自20世纪
0引言
液化天然气及各种燃料油在储存及运输过程中
:
06;-
∀32∀
中国China安全Safety科学Science学报第20卷
Journal2010年
60年代至今,国内外众多研究机构围绕液化天然气及各种油品池火灾的燃烧过程、放热特性及众多影响因素,开展了大量的试验研究工作,取得了许多有价值的数据,并建立了众多经验与半经验公式来描
述池火火焰的几何特性、辐射发热量及池火灾的燃烧过程与危害性等
[1-5]
风条件下3m直径煤油液池在平稳燃烧期的燃烧特性进行三维定常模拟,获得了油池火焰特性参数随高度的变化关系;并根据其变化特征,结合静风状态的真实火焰形态分布,将湍流扩散火焰划分为油气
混合燃烧区、燃烧火焰区、烟尘区和热烟气区等4个区域,分析燃烧气流在不同高度的实际物理化学特性。
此外,采用经验公式和CFD模拟2种方法,对3m直径煤油液池火灾的火焰高度、火焰表面辐射通量及热辐射破坏半径进行了对比计算分析。
。
但由于池火灾研究具有特
殊性,受资金、安全、环保等因素的限制,开展大量实验研究是非常困难的。
另外由于野外池火灾实验受气候和环境的影响使实验重复性差,难以获得一致的结果。
因此,近年来随着计算机技术与数值模拟方法的飞速发展,应用数值模拟进行池火灾特性参数计算及其热辐射危害评价已成为更为可行的手段
[6-9]
1池火灾的数值模型与边界条件
整个计算模拟区域考虑为18m!
18m!
27m,建立网格数目约为118万个的三维模型。
为验证计算结果相对于网格划分的独立性,将该粗网格模型进行细化,获得的较细网格模型的网格数目达到260万个。
进行比较计算,发现采用粗细2种网格获得的火焰面温度分布基本相同,如图1所示,说明采用粗网格模型可以满足计算精度要求,节约计算成本。
在油池火焰引起的周围空气流动中,浮力占重要地位,对该项的处理将直接影响到计算结果的物理真实性。
模拟过程中,采用引入浮力修正的标准k-双方程模型模拟气相湍流输运,即在动量方程和湍流模型中引入浮力项来模拟浮力的影响,而在
控制方程的所有其他项中忽略浮力的影响。
。
目前一般采用场模拟和半经验模拟2种方法研究液体燃料池火灾。
场模拟,即CFD（计算流体力学模拟,以自然界的普遍规律为依据,并借助火灾中一些基本现象的数学模型,完成对火灾现象的描述。
场模拟的优点在于提供比半经验模拟更精密灵活的系统来解决燃烧问题。
因此,一旦确定典型池火灾的外形数据,结果能够达到很高的置信度。
半经验模拟通过无因次关系描述池火灾的几何和辐射特点,这些经验公式由大量的实验数据得出,如果应用没有超过有效范围,就可以得到合理的预测。
半经验模拟由于它应用相对简便,更多地使用在风险评估领域中。
笔者基于CFD模拟技术,应用Fluent软件对静
图1静风条件下油池火焰面的温度等值线图
油池火灾的实质燃烧过程是燃油蒸气和空气发生的湍流扩散燃烧,因此油池火焰属于湍流型扩散火焰,为考虑系统的多级化学反应过程和湍流效应,
笔者采用概率密度函数法（PDF对湍流与燃烧的相互作用作统计描述,计算时采用非预混的混合分数平衡化学模型,假定平衡混和物中有13种组份:
第10期史光梅等:
3m直径煤油池火灾火焰特性的数值研究
∀33∀
CH4,C2H4,O2,CO,CO2,OH,C,H,N2,H2,H2O（气态,H2O（液态和C（固体,N2不参加反应。
液体燃料为煤油,其发热量取48MJ/kg,密度为820kg/m。
在燃烧过程中,辐射传热是一种重要的传热方式,其对整个燃烧体系的贡献体现在能量守恒方程中的源项之中。
目前常见的辐射传热计算方法有区域法、蒙特卡罗法、热流法、离散传播法和离散坐标法。
基于计算经济性与计算精度的综合考虑,笔者采用离散坐标法计算辐射换热。
在建模时,开敞空间边界设置为压力出口边界
-5
条件。
燃料表面入口速度为5.0!
10m/s。
固壁面处为无滑移速度边界条件,地面和油池壁面为绝热边界。
针对火焰流场的非线性和强源项问题,采用了步进解法和欠松弛迭代法来加速收敛。
3
图4中左起第3个虚线框、图5中下起第3个虚线框标注出的C区。
该区域受烟尘遮蔽,对周围环境的热辐射输出较低（图4,但火焰内部温度继续缓慢升高,在21.63m高时达到最高温度1348K。
21.63m之后,轴向速度几乎不再增加,火焰温度随着高度的增加逐渐降低,氧气的质量分数稍有增加,该区域内主要是热烟气与周围空气间较弱的扩散-对流作用,可把它看作热烟气区,即图2#图4中左起第4个虚线框、图5中最上面的虚线框标注出的D区。
从图3中还可以看出,在烟尘区及热烟气区,由于持续卷吸进入的空气的作用,烟羽气流的湍动能增强。
计算得到如图6所示的静风条件下3m直径煤油液池在平稳燃烧期的模拟火焰形态。
可以看出,火焰形状大致呈圆柱状,且在靠近油面上方,火焰出现颈缩现象,与图5所示的真实火焰形态基本相似。
2数值模拟结果及分析
2.14区域模型及火焰特性参数分析
图2反映了氧气、二氧化碳和燃料蒸气的质量分数及火焰温度随高度的变化规律,图3绘制了燃烧气流的竖直方向速度及湍动能随高度的变化关系,图4表明了火焰的热辐射通量随高度的变化规律。
图5为试验过程中用数码相机记录的静风状态下的火焰形态。
如各图所示,根据火焰温度、反应物及产物组分分数、燃烧气流的竖直方向速度及湍动能和火焰的热辐射通量等油池火焰特性参数的变化特征,可将油池火焰划分为以下4个区域:
油气混合燃烧区、燃烧火焰区、烟尘区及热烟气区,并在上述图中分别用虚线框标注出了所划分的4个区域。
在油气混合燃烧区,即图2#图4中左起第一个虚线框、图5中下起第一个虚线框标注出的A区（0.00~2.53m,该区域内含有丰富的燃料蒸气和氧气,并含有少量的燃烧产物,火焰温度、湍动能及热辐射通量随着高度的增加迅速降低。
在燃烧火焰区,即图2#图4中左起第2个虚线框、图5中下起第2个虚线框标注出的B区,燃料蒸气与空气充分混合并发生化学反应,燃烧产物（如CO2浓度增加,燃料与氧气的含量逐渐降低,火焰温度随着高度的增加快速升高,燃烧气流的竖直方向速度持续增加。
在该区域内,温度和化学动力学是燃烧过程的主要影响因素,因此燃烧气流的湍动能基本维持不变。
2#
2.2火焰高度
通常对火焰界限的定义就是以被高温燃烧产物所占据的面积为基础的可见区域。
事实上,在大型
池火灾中,由于缺乏氧气,烟尘产物的浓度很高,这
∀34∀
中国China安全Safety科学Science学报第20卷
Journal2010年
燃烧时火焰形态图进行处理分析,得到3m直径煤油液池在平稳燃烧期的火焰高度值为6.78m,如图7所示。
可以看出,Thomas关系式的预测值比该次模拟预测的火焰高度值和试验分析值略微偏低。
而美国气体协会（AGA组织实施了多次地面液化天然气池火灾实验
[11]
（!
1.8m和!
6.1m,并通过
摄像测量了火焰的几何特性,试验得出火焰羽的高度（静风时大约是基底直径的2.0~2.5倍。
笔者
通过CFD模拟计算得到火焰的无量纲高度LF/D为2.0,通过试验分析得到的火焰高度值是池径的2.26倍,与文献值提供的范围较相符,而Thomas关系式预测的火焰高度值是池径的1.82倍,与文献值相比偏低。
图7火焰高度的试验分析值
2.3火焰的热辐射特性
在开放空气环境中,池火灾的主要破坏机理是热辐射。
预测池火灾的破坏半径对于预防和减轻可能发生的事故损失具有重要意义。
常见的热破坏准则有热通量准则、热强度准则、热通量###热强度准则、热通量###时间准则和热强度###时间准
明显的火焰都被忽略。
因此,对模拟计算结果进行分析时,定义燃烧火焰区高度即为火焰高度LF。
有众多不同的预测火焰高度的关系式,其中使
[10]
用最广泛的是Thomas关系式,它是以物理原理和实验测量为基础的,如下所示:
LFm∃=Da
0.61
则。
热通量是指单位时间、单位面积发射或接受
的热能。
热通量准则的关键是确定热通量的临界值。
在稳态火灾（指在较长时间内能够比较稳定燃烧的火灾的作用下,引起加工设备破坏所需的临界热通量为37.5kW/m,引燃木材的临界热通量为
2
25kW/m,熔化塑料管的临界热通量为12.5kW/m。
池火灾表面热辐射的大小可以根据燃烧释放的总能量进行估算。
假定能量从圆柱形火焰的顶部和侧面向四周均匀辐射,按下式计算火焰表面的辐射通量:
0.25∀Dm∃HC#
E=
F
2
2
2
[12]
（1
2
式中:
m∃为单位面积燃烧速度,kg/（m∀s;a为周围空气密度,若是标准状况（1atm,0%条件下,计
32
算值为1.295kg/m;g是重力加速度,取9.8m/s;D是油池直径,m。
按照式（1计算得到3m直径煤油池火焰的高度为5.47m。
如图2所示,火焰高度LF的数值模拟计算值为5.99m,即燃烧火焰区的高度值。
应用
（2
式中:
Hc是燃料的最大发热量,取48MJ/kg;#为系,介于0.0.之间;
第10期史光梅等:
3m直径煤油池火灾火焰特性的数值研究
∀35∀
对于大型油池火灾,由于烟尘的屏蔽作用,使得辐射分数随着油池直径的增加而下降,笔者计算时取平均值0.24。
按照式（2计算得到3m直径煤油池火焰表面
2
的热辐射通量为58.97kW/m。
周围环境获得的火焰热辐射为
q=∃FvgE
（3
式中:
∃为大气透射率;Fvg为火焰表面和接受表面之间的视角因子,可以通过火焰和接受表面间的几何关系计算出。
如果接受体距离火焰表面足够远,那么火焰的真正尺寸就不是很重要,因此可以假设用一个点源代替,并假定干涉大气不吸收任何热能。
此时接受体表面的热辐射为
（∀/4Dm∃H24∀s
式中,s为接受体距离火焰的距离,m。
q=#
2
火灾作用下的热破坏半径R（距油池壁面的距离,如图10所示,同时,在图中还绘制了根据点源模型得到的计算值。
可以看出,点源模型的预测值比场模拟的计算值偏高。
根据点源模型（式（4得出的3m直径煤油池火灾周围设备设施的最小安全距离（离池壁的距离,q<10kW/m约为3.7m,应用CFD模拟计算得到的最小安全距离约为2.3m,点源模型的预测值相对比较保守。
从FLUENT计算结果中导出不同火焰高度下的热辐射通量数据,应用数据处理软件ORIGIN,绘制出根据热通量准则确定的三种临界热通量值的热破坏半径随火焰高度的变化情况,如图11所示。
从图中可以看出,不同程度的热破坏半径随火焰高度均呈先增后降的趋势。
图11还表明,3m直径煤油池火灾周围加工设备不遭破坏的最小安全距离（离池壁的距离约为0.7m,周围木材不被引燃的最小安全距离约为1.2m,周围塑料管不被熔化的最小安全距离约为2.4m。
2
（4
图8反映了通过CFD模拟得到的3m直径煤油液池中心轴线上火焰表面热辐射通量随火焰高度的变化。
图9
显示了通过热像图分析得到的火焰表
面热辐射通量分布。
可以看出,火焰表面的热辐射通量是随火焰高度发生变化的,火焰底部的热辐射通量值比较大,随着高度的增加,热辐射通量逐渐降低。
与经验公式的恒定计算结果相比,通过场模拟得到的非均匀的火焰表面热辐射通量与实际情况比较相符。
3结论
1利用FLUENT计算流体动力学模拟软件,对静风状态3m直径煤油液池在平稳燃烧期的燃烧特性进行三维定常模拟,获得了火焰温度、火焰羽流速度、辐射热通量、燃烧产物质量分数等油池火焰特性参数随高度的变化关系。
∀36∀中国China安全Safety科学Science学报Journal第20卷2010年静风状态的真实火焰形态分布,提出一种4区域模型,即将湍流扩散火焰划分为油气混合燃烧区、燃烧火焰区、烟尘区和热烟气区等4个区域,分析燃烧气流在每个区域的实际物理化学特性。
3采用经验公式和CFD模拟2种方法,对3m直径煤油池火灾的火焰高度、火焰表面的辐射通量及热辐射破坏半径进行了对比计算分析。
结果表明,半经验模拟方法方便实用,可以规律性地获取相关数据;CFD模拟对于火焰的动态变化情况更具实际意义,同时在数值上对经验公式起到补充和完善作用。
通过2种方法的结合,可以更全面准确地掌握火焰高度及火焰表面的热辐射通量数据,更准确地预测油池火灾的火焰特性,对池火灾的热辐射危害评估具有重要的指导意义。
参考文献[1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12]M.Muoz,J.ArnaldosJ.Casa,E.PlanasAnalysisofthegeometricandradiativecharacteristicsofhydrocarbonpool,l.fires[J].CombustionandFlae2004,139（3:
263-277m,.PK.Ra.jLNGfires:
Arevieofexperientalresultsmodelsandhazardpredictionchallenges[J].JournalofHazard.wm,ousMaterials2007,140（3:
444-464.,FabioFerreroMiguelMunozJosepArnaldosEffectsofthinlayerboiloveronflaegeometryanddynamicsinlarge,,.mhydrocarbonpoolfires[J].FuelProcessingTechnology2007,88（3:
227-235.,宇德明,冯长根,曾庆轩,等.开放空气环境中的池火灾及其危险性分析[J].燃烧科学与技术,1996,2（2:
95-103.朱建华,褚家成.池火特性参数计算及其热辐射危害评价[J].中国安全科学学报,200313（6:
25-28,.Y.Xin,S.A.FilatyevFiredynaicssiulationsofaonemeterdiaetermethanefire[J].CombustionandFlae.mmmm,2008153（4:
499-509.,王晓宁,李丽霞,王明贤.有风情况下池火灾的数值模拟[J].江苏大学学报（自然科学版,2006,27（4:
328-331.庄磊,陈国庆,孙志友,等.大型油罐火灾的热辐射危害特性[J].安全与环境学报,2008,8（4:
110-114.姜玉曦,任玉新,刘秋生.穿透风对外部燃烧火焰影响的数值模拟[J].清华大学学报（自然科学版,2007,47（2:
272-275.PH.ThoasTheSizeofFlamesfroNaturalFires.9thSymp.OnCombustion[M].London:
aAcademicPressInc.m.m.,1963.AGA,LNGSafetyProgram,tion,1974.宇德明,冯长根,曾庆轩,等.热辐射的破坏准则和池火灾的破坏半径[J].中国安全科学学报,1996,6（2:
5-10.InteriReportonPhaseIIWork[R].IS-3-1,ArlingtonVA,AmericanGasAssociam,作者简介:
史光梅（1974-,女,新疆奇台人,中国工程物理研究院总体工程研究所环境试验中心高级工程师。
1998年7月本科毕业于重庆大学制冷与低温技术专业,后于2004年12月获工程热物理专业硕士学位。
工作期间,主要从事武器装备气候环境试验技术、火烧试验及数值模拟、武器装备热安全性等研究工作。
Emai:
lsgm9894sina.com.@
升级会员 