火灾温度分布规律研究范文

《消防科学与技术杂志》2015年第九期

随着我国经济的快速发展，电线电缆在国民经济中的地位日趋重要。因电线短路、过负荷及电气设备故障等原因引起的电线电缆火灾的发生也呈逐步上升的趋势，在造成重大经济损失的同时，严重威胁着人们的生命安全。电缆系统是指其内部能够容纳较多电缆，且便于人员施工和巡视的相对封闭的地下通道，是典型的狭长受限空间。因此，研究狭长受限空间内火灾时的温度场分布规律及火灾蔓延规律，对于发展防火保护技术、预防及控制电气火灾尤为重要。笔者以NFPA262－2002《通风控制空间内电线电缆火焰传播与烟气测试标准实验方法》为依据，建立温度场的数值模拟模型，进而研究炉内温度场分布特性。在水平隧道炉中开展燃烧试验，选取3种典型可燃物，研究不同可燃物作用下的温度场分布特性。分析对比数值模拟结果和燃烧试验数据，提出模型的优化调整方案，并建立温度峰值拟合函数。

1工况设定

1．1模拟工况根据NFPA262规定，环境温度23℃，空气流速1．2m／s，管道初始温度41℃，沿长度方向，四个壁面绝热。空气流从试验箱左侧面进入，右侧面流出。在试验箱底部靠左端有一33cm×33cm的正方形火源。根据GB4715－2005《点型感烟火灾探测器》中对4种标准火源的规定，设计火源温度为800、700、600、500、400℃，标记为工况1～工况5。

1．2输入参数在FLUENT环境中选择RNGk－ε湍流模型。火源的作用时间5min，时间步2s，计算步数150，计算时间300s。5min后将火源进口速度更改为0，关闭火源。

1．3输出参数根据NFPA262要求，采集点A－O的瞬态温度，测点位置如图1所示。

1．4试验火源选取依据美国UL标准、欧洲EN标准、国际ISO标准以及我国的国家标准，公认的标准试验火有8种。在狭长受限空间内，选取的火源既应具有典型代表意义，也必须满足在火灾发展初期阶段，火源种类不同的区分。综上，选取聚氨脂塑料火、酒精火和汽油火作为试验火源，材料的布置方式、点火方法和试验开始与结束条件，均参照GB4715规定。1．5测点位置沿隧道炉长度方向，热电偶位置与模拟中的温度输出点位置相同。在D－I采集面上划分100mm×100mm的网格，在每个节点上布置热电偶。热电偶命名原则为其在矩阵中的相对位置，如D剖面上热电偶分别命名为D13、D14、D15、D21、D23、D24、D31、D32，该8只热电偶所采集的数据足以对整个剖面的温度分布特性进行分析。

2数值模拟研究

2．1水平隧道炉建模及网格划分在SolidWorks软件下，绘制隧道炉空间结构。在进行温度场分布规律研究时，主要分析试验箱内部的温度场分布特性。试验箱内部长7620mm，宽451mm，高305mm，将该区域设定为模拟计算区域。

2．2水平隧道炉内温度场数值模拟对不同火源温度作用下的隧道炉内温度场分布规律进行数值模拟。由结果可知，在一定火源温度作用下，温度场分布情况极为复杂，等温面为形式各异的多面曲面。火源温度会影响温度场的扩散范围和形状，在纵断面、水平断面和横断面上均产生规律性的变化。在不同温度作用下，温度场随时间发生变化，在火源作用的5min内，试验箱中温度迅速上升，温度峰值随着火源温度的降低而降低。沿试验箱长度方向，空间温度逐渐降低。到300s时，热气流可作用在隧道炉的绝大部分区域内。随着火源温度的降低，热气流沿长度方向蔓延的趋势加快。在关闭火源后，火源处的温度急剧下降，空间内其他区域的温度也呈下降趋势，但下降幅度不明显。当作用时间到达540s时，空间温度变化趋于稳定。

2．3结果分析在火焰作用下，各测点的温度迅速上升，沿燃烧试验箱长度方向，升温速率减慢。随火源温度的降低，各工况下的温度峰值逐渐降低。关闭火源后，A点处温度急剧下降，但稳定温度明显高于其他各测点。沿长度方向，距离火源越远，各测点温度受火源的影响越小。

3燃烧试验研究

3．1试验过程及现象描述在隧道炉中，分别对3种火源开展燃烧试验，标记为工况6～工况8，记录火焰持续时间和温度数据：（1）工况6：聚氨脂塑料火，火焰持续507s；（2）工况7：酒精火，火焰持续261s；（3）工况8：汽油火，火焰持续357s。火源种类不同，火焰持续时间有明显差异。固体火源的火焰持续时间较长，两种液体火源的火焰持续时间相对较短，且差异不明显。聚氨脂塑料火和酒精火的火光布满了整个观察窗，其火焰状态受风速的影响不大。而汽油火在点燃的瞬间，火焰立即呈现出了随空气流偏移的趋势。

3．2燃烧试验结果分析

3．2．1聚氨脂塑料火在工况6作用下，各测点温度在点火后迅速沿凸曲线的趋势上升，到200s前后达到峰值，进而沿凹曲线下降。测点A温度最高，到166s时可达到758℃。由于测点A布置在火源上方，A点温度可近似代表火源温度，即聚氨脂塑料火的最高温度可达758℃。由温度数据可知，A、B、C三点升温较高，而J－N温度升高不明显。原因是上述5点距火源较远，热量在传递过程中有部分散失。J、N两点并没有出现温度峰值，而是逐渐上升，因其布置在燃烧试验箱底部，而热量较多的聚集在空间上方，下部空间受热对流作用较小。在D剖面上，D14、D23、D24三点的温度变化趋势基本一致，温度峰值可在138s处达到251℃，该值在C、K两点温度峰值之间，足以证明沿隧道长度方向，距离火源越远空间温度值越低。D21、D13两点的温度变化趋势一致，但D13在空间温度分布稳定后的值为78℃，高于D剖面上任一点的温度，可知热气流始终聚集在空间的上部。D15的最高温度可达148℃，低于第一层其他各点的温度，因其靠近燃烧试验箱边界，热气流主要沿空气流动的方向向前涌动，对边界处的影响小于对中心线上各点的影响。D31、D32两点峰值最高达到100℃，远小于D剖面上其他各点，因这两点分布在第三层，位置相对较低，受热流作用较小。E—I剖面上各点温度亦呈分层变化趋势，且各剖面上的峰值温度逐渐减小，其中I剖面上的峰值温度为156℃，高于K点曲线的峰值温度。

3．2．2酒精火工况7作用下，测点A、B变化趋势一致，温度最高可达到755℃。A点温度可近似代表火源温度，即酒精火的最高温度可达755℃。在D剖面上，D13、D14、D21的温度变化趋势一致，其中D13在空间温度分布稳定后的值为131℃，高于D剖面上任一点的温度，可知热气流始终聚集在空间上部。

3．2．3汽油火工况8作用下，测点B温度最高，可达939℃。汽油火的火焰呈现出了沿环境气流方向偏移的趋势，因此B点温度远高于A点温度，这一特点表现出了与上述两种火源的差异。B点温度可近似代表火源温度，即汽油火的最高温度可达939℃。A、B、C三点由于距离火源较近，其受热对流作用明显，而点J－N升温不明显，上述三种火源呈现出了一致的规律。在D—I剖面上，温度分布呈现明显的分层现象。达到稳定后，第一层测点温度明显高于第二层，且更高于第三层。针对特定火源，D－I剖面上对应点的温度曲线变化趋势一致。

4温度规律特性分析

4．1数值模拟与实验研究对比

4．1．1聚胺脂塑料火根据GB4715，聚氨脂塑料火的火焰温度为310～415℃，用工况5近似表征聚氨脂塑料火的火源属性，将数值模拟和试验结果进行比对分析，见表1。由模拟结果可知，A－D点出现峰值温度的时间逐渐延长，而在实体试验中各测点出现峰值的时间大体上一致。比较峰值温度，实测结果明显高于模拟结果，这需要对模型输入参数中的火源温度进行相应调整。

4．1．2酒精火选用工况1近似表征酒精火的火源属性，将数值模拟和试验结果进行比对分析，见表2。比较峰值温度，实测结果虽然仍高于模拟结果，但差异有所缩小，即增大火源温度可使模拟结果更接近于实际测量值。在实体试验中，火焰持续作用357s，这与模拟结果表现出了良好的一致性。

4．1．3汽油火选用工况1近似表征汽油火的火源属性，对比数值模拟和实体试验结果，见表3。比较峰值温度，实测结果仍明显高于模拟结果，需对模型输入参数进行相应调整。且B点温度明显高于其他测点，这与数值模拟的结果明显不同。

4．2拟合方程建立分别对三种火源在A－D剖面上的温度峰值用Ori－gin软件进行拟合，按照指数规律拟合效果最好，参数见表4。

5结论

（1）火源种类对狭长受限空间温度场分布特性产生规律性的影响。空间内温度场分布情况极为复杂，等温面为形式各异的多面曲面；火源种类不同，燃烧持续时间不同；火源温度会影响温度场的扩散范围和形状；随火源温度降低，热气流沿长度方向蔓延的趋势加快；沿隧道长度方向，距离火源越远，空间温度值越低，其变化受火源的影响越小；在横断面上，曲线分层布置，最高温度出现在空间的中上部，而非顶部。（2）FLUENT环境下建立的温度场模型能够反映酒精火的作用结果，通过参数调整、优化即可模拟其他典型可燃物燃烧时的空间温度场。（3）不同种类火源的温度峰值与测点到火源的距离呈指数规律，并通过回归得出相应拟合方程。

作者：雷蕾 单位：中国人民武装警察部队学院