基于FDS大渦模擬的工業建筑噴射火模擬分析

張 城 王子云 陳星百 向 月

（1.四川大學建筑與環境學院 成都 610065；2.宜賓四川大學產業技術研究院 宜賓 644002；3.重慶科技學院安全工程學院 重慶 401331）

0 引言

工業火災事故的頻發造成了人員傷亡和財產損失，給社會帶來不利影響。噴射火事故是工業建筑火災的一種形式，由加壓的可燃物質泄漏時形成射流，在泄漏口處點燃而形成。噴射火火焰及其熱輻射會對周圍人員、建筑和設備造成傷害。并且噴射火具有較大的初速度，帶有很大的沖擊力，會給泄漏口附近的設施帶來巨大的破壞，甚至可能引發二次災害，合適條件下火焰能迅速擴展到幾十米以外，充分與周圍空氣進行混合，燃燒更為劇烈，熱輻射影響范圍大[1]。

各位學者針對噴射火展開了許多研究，陳東生等[2]對室外高壓天然氣管道進行噴射火燃燒特性實驗。聶璇等[3]對氣固體混合物噴射火的火焰溫度、高度展開實驗研究。Zhou 等[4]提出了高壓氫氣/天然氣泄漏引發的火災理論框架。Tong 等[5]建立了射流火災模型，并利用Matlab 軟件確定噴射火的影響區域；何杰等[6]提出了精度更高且更符合實際噴射火危害區域的線性積分模型。張媛媛等[7]利用FDS 軟件模擬矩形泄漏孔在不同泄漏速度下的噴射火熱輻射分布。王小完等[8]利用PHAST 平臺基于大孔模型對天然氣管道泄漏火災進行模擬分析。還有學者利用FLACS 軟件[9]、Fluent 軟件[10]對噴射火進行數值模擬。

學者們在實驗、理論研究、數值模擬方面對噴射火的燃燒特性以及危害進行研究，在前人研究的基礎上，比較FDS 大渦模擬結果與噴射火經驗模型計算結果，探究兩者間熱輻射強度和傷害半徑的差異，驗證噴射火模型的有效性。再利用FDS 軟件在不同風速條件下對某工業建筑罐區噴射火事故進行數值模擬，探究噴射火的火焰發展、熱輻射強度和對相鄰建筑造成的影響。

1 FDS 大渦模擬

FDS 是由美國標準技術研究院NIST（National Institute of Standards and Technology）開發，用于分析火災的模擬軟件，通過求解Navier-Stokes 方程來模擬計算火災的煙氣流動以及熱傳遞的過程，還能夠模擬安裝噴淋設施以及其他的滅火設施時火災的發展蔓延過程。FDS 常使用大渦模擬（Large Eddy Simulation，簡稱LES）求解真實火災場景下的湍流問題，首先是需要通過濾波函數從瞬時N-S方程將尺度小于濾波函數尺度的渦過濾掉，從而得到可以直接模擬的大渦場的運動方程，而被濾掉的小尺度渦對大渦流動的影響，則通過在大渦流場的運動方程中引入附加應力項來體現，被引入的應力項稱為亞格子尺度應力，而構建亞格子尺度應力的數學模型稱為亞格子尺度模型（SubGrid-Scale Model，簡稱SGS）。

濾波后的Navier-Stokes 控制方程為[11]：

式中，τij為亞格子尺度應力；為應變率張量。亞格子尺度模型中的亞格子尺度應力可表示為：

式中，μt為亞格子湍流粘性系數,采用Smagorinsky-Lilly 模型計算：

式中，LS為亞格子尺度混合長度；k為Karman常數；d是到最近壁面的距離；V為計算控制體的體積；CS為Smagorinsky 常數。

2 噴射火經驗模型

噴射火理論模型主要分為單點源模型、多點源模型和圓錐體模型三種。單點源模型是把噴射火看成一個點源，噴射火能量由此點源向四周進行傳遞；多點源模型將噴射火看成一條線段，噴射火能量由此線段逐漸向四周進行傳遞；圓錐體模型則是把噴射火看成一個處于倒立狀態的圓錐體，與單點源模型和多點源模型相比，此種模型的能量傳遞方式與實際噴射火焰更為相像，在理論研究中，更多的科研工作者將噴射火看成圓錐體模型[7,12]。

以圓錐體模型為基礎的噴射火研究過程中，Thornton 模型是Chamberlain 在前人研究基礎上，基于（烴類）噴射火焰形狀研究得出的半經驗模型，該模型接受了風洞實驗和現場實驗的檢驗，包括陸地和水面上的大量實驗，應用范圍較為廣泛[13]。根據理論分析和實驗數據對比驗證結果，Chamberlain總結得出距泄露孔距離r處的熱輻射強度計算公式如下[14,15]：

式中：Ir為r處的熱輻射強度，kW/m2；η為效率因子，取0.35；M為物質泄露量，kg/s；Hc為物質燃燒熱，kJ/kg；Tjet為輻射率系數，噴射火取1；r為目標到泄露口處的距離，m。

3 數值模擬模型驗證

以甲烷為例通過FDS 大渦模擬結果驗證噴射火經驗模型熱輻射強度和傷害半徑的準確性。甲烷的理化性質如表1 所示。

表1 甲烷的理化性質Table 1 Physical and chemical properties of methane

3.1 熱輻射強度驗證

本次驗證取0.4m 的網格尺寸進行模擬，模擬區域為20m×50m×50m。噴射火通常發生在室外條件下，在FDS 軟件PyroSim 內將除地面外的其他邊界設為開放邊界，添加甲烷的燃燒反應和粒子模型，設置點火源表面和泄露表面，添加點火口和泄露口，泄露口面積為0.36m2，位置為（10，5，0），泄露質量速率為3.6kg/s。在X=10m 所在平面橫向和縱向間隔2m 分別設置熱輻射強度探測器（Radiative Heat Flux Gas），設置模擬時間為30s。

已知甲烷的泄露質量速率為3.6kg/s，燃燒熱為55687.5kJ/kg，根據式（4）可得甲烷噴射火模型距離泄露孔r處的熱輻射強度可表示為式（5），函數圖像如圖1 所示。

圖1 甲烷Thornton 模型熱輻射強度和與泄露孔距離關系曲線Fig.1 The relationship curve of thermal radiation intensity and distance from leakage hole in Thornton model of methane

經過FDS 模擬，甲烷噴射火在5s 左右達到穩定狀態，在30s 的模擬時間內，得到各測點熱輻射數據1000 組，在泄露孔附近的幾個測點所得輻射強度數據較大，主要受到黑體輻射和火焰影響；在噴射火焰最高處附近的輻射強度波動較大，受到火焰脈動的影響。噴射火焰可以分為兩部分，火焰內部的穩態火焰和火焰外部的間歇性火焰。穩態火焰燃燒比較穩定，傳熱比較穩定，因此所形成的熱輻射強度也比較穩定。間歇性火焰是由于隨著火災的持續發展，熱驅動火焰周圍空氣流動，冷空氣下沉，熱空氣上升，促使火焰附近周圍空氣形成卷吸現象，進而可能會干擾穩態火焰的穩定性，使得穩態火災周圍出現湍流現象，間歇性火焰由此產生，引起火焰的不穩定和傳熱的不穩定。

為了數據的準確性，只統計火焰影響范圍外20-30s 內處于較穩定狀態的測點的熱輻射強度，以同一高度最大的平均值作為此距離的熱輻射強度，所得結果與Thornton 噴射火模型進行比較，比較結果如圖2 所示。Thornton 噴射火模型計算結果與FDS 模擬結果所得的熱輻射強度變化趨勢是一致的，與泄露孔距離越遠，熱輻射強度越小，其變化率也越小。FDS 模擬結果與Thornton 噴射火模型經驗公式計算結果最大誤差為20%，隨著距離的增大，誤差逐漸減小，Thornton 噴射火模型是在理想化的輻射環境下進行計算，而實際的噴射火輻射強度受到火焰黑體輻射的影響，距離泄露孔越近，黑體輻射越強，對熱輻射強度的影響越大，距離越遠，其影響越小，所以Thornton 噴射火模型與FDS 大渦模擬的熱輻射強度結果的差值會隨著距離的增大而減小。

圖2 Thornton 噴射火模型與FDS 大渦模擬結果比較Fig.2 The result compared between Thornton Jet fire model and FDS Large Eddy Simulation

3.2 傷害半徑驗證

根據式（5）計算各熱輻射強度對應的理論傷害半徑，與FDS 大渦模擬及擬合結果比較如表2所示。由于黑體輻射的影響，導致同一距離內FDS大渦模擬熱輻射強度大于Thornton 噴射火模型，等熱輻射強度條件下，FDS 大渦模擬結果與泄露孔距離更近，所以Thornton 噴射火模型的理論傷害半徑比FDS 模擬傷害半徑更大，并且隨著距離的增大，誤差逐漸減小。

表2 Thornton 噴射火模型與FDS 大渦模擬傷害半徑比較Table 2 Damage radius compared between Thornton Jet fire model and FDS Large Eddy Simulation

4 噴射火場景模擬

4.1 模型建立與參數設置

以某化工企業罐區為例，依照建筑圖紙和現場圖片信息，通過SketchUp 軟件處理生成該企業罐區幾何模型，完成建模后，將在SketchUp 建立的工廠三維立體模型以DXF 格式導出并保存，然后通過Pyrosim 導入上述DXF 格式文件并加以修改，最后轉換為FDS 輸入文件格式。構建如圖3 所示的幾何模型。

圖3 幾何模型Fig.3 Geometric model

設置0.25m2方形泄露口、泄露速率為9.625kg/s的噴射火場景。環境壓力為常壓101325Pa，環境溫度為20℃，模擬時間為30s，網格大小為0.5m。在FDS 軟件PyroSim 內將除地面外的其他邊界設為開放邊界，模擬自然環境下網格邊界動力和熱量的傳遞。探究儲罐高壓儲存甲烷時沿-Y 方向發生噴射火事故，不同風速條件下對噴射火熱輻射強度和對相鄰建筑的影響。

4.2 模擬結果與分析

對于火焰發展過程，圖4 表示無風環境下噴射火災火焰發展過程，燃燒初期，泄露的甲烷具有很高的初速度，火焰處空氣壓力降低，并且空氣受熱上升，受氣壓影響，甲烷與空氣充分混合，噴射火在0.5s 時形成蘑菇云形狀，在1.5s 時持續沿泄露方向噴射，2.5s 時，火焰到達沿泄露方向最遠距離，并迅速向左右和上方膨脹，蘑菇云形狀的噴射火焰逐漸變大，在3.5s 時，泄露的甲烷經過充分燃燒，蘑菇云火焰膨脹至最大范圍后消失。5.5s 后，噴射火焰形態與噴射距離不再有大的變化。圖5 至圖7分別表示沿X 方向風速為2m/s、5m/s、8m/s 時的噴射火火焰發展過程，與無風環境下的噴射火焰發展過程類似，風速條件下增加了噴射火焰的擾動，火焰沿X 方向傾斜，噴射距離有所減少，并且隨著沿X 方向風速的增大，噴射火焰沿X 方向更加傾斜且傾斜得越來越快，火焰穩定前的噴射距離越來越短，噴射火焰沒有直接接觸到噴射方向的相鄰建筑。相比于無風環境下，隨著風速的增大，蘑菇云狀的噴射火焰越不明顯，并且消散更快，風速為8m/s 時，蘑菇云狀火焰迅速向X 方向膨脹，充分燃燒消散后火焰傾角逐漸變緩，最后穩定沿傾斜方向形成噴射火。

圖4 無風環境下噴射火火焰發展過程Fig.4 The flame development of jet fire in a windless environment

圖5 沿X 方向2m/s 風速下噴射火火焰發展過程Fig.5 The flame development of jet fire at a wind speed of 2m/s along the X direction

圖6 沿X 方向5m/s 風速下噴射火火焰發展過程Fig.6 The flame development of jet fire at a wind speed of 5m/s along the X direction

圖7 沿X 方向8m/s 風速下噴射火火焰發展過程Fig.7 The flame development of jet fire at a wind speed of 8m/s along the X direction

圖8 表示各風速條件下30s 時沿噴射方向的溫度場分布狀況?；鹧娴淖罡邷囟染_到970℃，由于風速的影響，隨著風速的增大，火焰逐漸傾斜，沿噴射方向的溫度分布范圍逐漸減小，火焰沿平面的覆蓋面積增大。

圖8 各風速條件下30s 時噴射火溫度場分布Fig.8 Temperature distribution of jet fire at 30s under different wind speed conditions

各風速條件下與事故儲罐相鄰的儲罐溫度監測均為環境溫度，事故未對相鄰儲罐造成影響。對于噴射方向上的相鄰建筑，無風環境下噴射方向相鄰建筑30s 內最大熱輻射強度在2.64s 時達到最大值，為84.37kW/m2；2m/s 時在2.22s 達到最大值，為17.57kW/m2；8m/s 時在6.6s 達到最大值，為7.7kW/m2。隨著風速的增大，噴射方向相鄰建筑受到的最大熱輻射減小，并且達到最大值的時間延長。圖9 表示了各風速條件下噴射方向上相鄰建筑的溫度變化。隨著時間的增加，相鄰建筑的表面溫度呈現先增加后減小的趨勢，無風時的溫度最高為35℃，隨著風速的增大，溫度的波動增強，20s 后噴射火焰較為穩定時的建筑表面溫度隨著風速的增大而減小，噴射火事故對相鄰建筑的影響減小。

圖9 各風速條件下噴射方向上相鄰建筑的溫度變化Fig.9 Temperature changes of adjacent buildings in the direction of injection under different wind speed conditions

5 結論

通過比較噴射火經驗模型和FDS 大渦模擬的熱輻射強度和傷害半徑，驗證模型的有效性，并用FDS 大渦模擬軟件對某企業罐區建筑進行噴射火場景模擬，模擬不同風速條件下噴射火焰的發展過程和熱輻射強度變化，通過對結果的比較分析，得出了以下結論：

（1）噴射火經驗模型與FDS 大渦模擬結果基本吻合，由于火焰黑體輻射的影響，FDS 大渦模擬的熱輻射強度結果高于噴射火經驗模型，并且熱輻射強度和傷害半徑的誤差均隨著離泄露孔距離的增大而減小。

（2）隨著風速的增大，噴射火焰受到擾動增強，更加沿來風的方向傾斜，火焰覆蓋的面積增大。

（3）相鄰罐區未受到噴射火的影響，噴射方向上的相鄰建筑受到的最大熱輻射強度為84.37kW/m2，并且建筑表面的熱輻射強度和溫度隨著風速的增大而減小，企業要加強對極端天氣的防范和對建筑間的合理布局。

（4）不足與展望：未在變風速條件下和不同噴射位置對工業建筑噴射火進行模擬分析，未來可以繼續模擬更多的工業建筑噴射火場景，深入探究各類參數對噴射火的影響。