摘要：在3.5 m×3 m的小室內，采用煤油模擬油池火，進行細水霧滅火模擬試驗，試驗結果表明，Fluent能很好的模擬水滴與高溫煙氣的相互作用。

　　關鍵詞：安保職稱論文發表,核心期刊論文發表,細水霧,通風條件,滅火效果,Fluent

　　1. 研究背景

　　細水霧滅火技術具有無環境污染、滅火迅速、用水量少、對防護對象破壞小、有效沖刷煙氣等熱點。目前被公認為哈龍系列滅火劑的主要替代品。自1987年蒙特利爾公約簽訂以來，細水霧滅火技術受到世界各國的重視，已成為當今國際滅火安全技術前沿的研究熱點之一[1] 。

　　近年來，計算機模擬方法已經成為研究火災發生、發展規律的重要手段。隨著計算機技術的發展和湍流燃燒理論的完善，計算流體力學越來越廣泛的應用于細水霧滅火研究中。本文采用計算流體動力學軟件Fluent對小室內火災在水噴淋存在的情況下的變化規律進行研究，分析室內溫度場和組分濃度變化情況。

　　2. 水滴與火羽流的相互作用分析

　　細水霧滅火是一個及其復雜的過程，滅火過程中水滴與火羽流的相互作用主要有四個方面

　　(1)動量相互作用，水噴霧能改變火焰的氣流形式，從而改變氣流結構、熱以及物質傳遞特性，細水霧作用于火焰后，發生動量轉換，火焰受到細水霧的劇烈擾動，被撕裂或拉長，使火焰的強度減小、穩定性降低，而易于熄滅;

　　(2)熱相互作用，當水霧噴入火焰區時，由于水霧的表面積很大，它會吸收來自火焰的熱量，使其溫度升高，并發生氣化，大量水霧的升溫—氣化將吸收大量的熱量，使火焰溫度大大降低;

　　(3)稀釋一隔氧作用，當細水霧在火焰高溫區蒸發時，水蒸汽將沿著與火焰中O2輸運方向相反的方向擴散，在兩者相向擴散的過程中相遇并混合，使O2濃度降低，從而起到抑制火焰的作用，水霧氣化產生的水蒸汽也能稀釋液態燃料蒸發產生的燃料蒸汽，抑制燃料的燃燒。另外，細水霧氣化產生的大量水蒸汽因擴散滯后，在火焰外表面形成一個惰性氣體外殼，阻止燃料和氧氣的接觸，從而抑制其燃燒。

　　(4)熱輻射的減弱，細水霧及其蒸汽吸收高溫火焰的輻射熱，使火焰對燃燒物的熱輻射降低.另外，由于水蒸汽的大熱容量和細水霧的巨大比表面積，提高了對火焰的冷卻效果，也使火焰對燃燒物表面的熱輻射降低。水有吸收熱輻射的能力，在滅火過程中，水霧極其迅速的蒸發，產生高強度的吸熱屏障，遮斷熱輻射的傳遞，降低對燃料的熱反饋。Coppalle等人對水霧減弱熱輻射進行了研究。假設衰減作用是由吸熱和散射共同作用的結果(很大程度上是散射)。以溫度為1300℃的黑體作為火源(最大輻射波長λ=1.93 m)，其能量的輻射波長在1 m～10 m之間。結果發現：霧滴直徑和最大發射波長的數量級相同時，水霧衰減輻射能力最強。

　　除此之外，加了添加劑的細水霧在滅火過程中還對火焰有化學抑制作用[2, 3] ，其化學抑制作用主要有異相化學反應機制與均相化學反應機制[4] 。研究表明，房間的通風狀況不僅影響火場的燃燒，而且直接影響細水霧的滅火作用[5-9] ，因此本文主要研究在其它因素不變的情況下，通風因子變化時，水霧啟動時間、火焰形狀和滅火時間的變化情況。

　　3. 數學模型

　　單室火災是一個包括湍流流動、燃燒及輻射換熱的非常復雜的過程。噴入的離散相水霧與熱煙氣的相互作用，是一個典型的兩相流過程，兩相之間通過交換質量、動量和能量相互影響。作者使用Finite.rate/Eddy.dissipation模型模擬氣相湍流燃燒，使用帶浮力修正的RNG k-ε模型模擬燃燒過程中的湍流運動，使用P1模型計算輻射換熱，壁面函數采用標準壁面函數。計算區域采用GAMBIT軟件生成的二維四邊形網格劃分。模擬的火災場景為小室側壁處發生火災后生成的熱煙氣與頂棚噴頭釋放出的細水霧相互作用的過程。

　　4. 邊界條件與初始條件

　　設置兩種邊界條件，即壁面邊界條件及入口邊界條件。

　　4.1 壁面邊界條件

　　小室中所有壁面假設為絕熱固壁，外流溫度為300 K，流系數為5W /K·m2。

　　4.2 入口邊界條件

　　入口邊界條件設置燃料入口和空氣入口，燃料入口溫度為850K，設為質量流率進口，質量流率取0.05kg/s。空氣入口設為速度進口，進口速度為1m/s，溫度為300K。

　　4.3 初始條件

　　全場的初始條件：壓力為1.01×105 Pa，初始流場速度為0，溫度為300 K。

　　使用氣體的體積燃燒化學反應(volumetric reaction)模型，湍流與化學反應的相互作用為Finite-rate/Eddy.dissipation模型。燃料為煤油，生成產物為二氧化碳和水蒸氣。輻射模型使用P1模型，因為它適用于顆粒狀物質與流體的輻射換熱。火災場景如圖1所示，生成均勻四邊形網格，為了保證計算速度和精度，取網格尺寸為0.05 m，即圖中每個小方格的尺寸為0.05×0.05。

　　使用非穩態求解器，為了保證計算速度和精度，時間步長取為0.1s，火災達到穩態后開始向腔室內噴射水霧，分析了霧滴在腔室中的運動及其與火源的相互作用。噴嘴離左端墻壁2 m，離地2.7 m，實心錐角為60°。在這種布局下，研究了火場中不同粒徑粒子的運動特性，離散相設置為Fluent提供的group模型，假設噴嘴釋放的水霧液滴粒徑滿足Rossin-Rammler分布，顆粒直徑最小為0.01mm，最大為0.1mm，平均粒徑0.04mm，并打開聚合、破碎模型。釋放的水霧溫度為300 K，流量0.05 kg·s，出口處液滴軸向速度為-12.5～12.5 m/s，軸向速度為-22 m/s。火災發生后10 s，火場基本達到穩定，這時噴嘴開始響應。

　　5. 結果與討論

　　5.1 溫度場變化

　　由圖可知，施加了水霧以后，由于燃燒的熱煙氣有一個向右的推力，使水蒸氣主要存在于右側，故隨著時間的推移，右側溫度降低較快，左側由于火源的不斷放熱，而水滴的冷卻能力有限，故模擬最后仍存在一個墻壁羽流。

　　5.2 水滴分布情況

　　由圖可知，細水霧在由噴嘴噴出以后，在高溫的條件下，粒徑較小的水滴蒸發，粒徑較大的水滴隨著右邊空氣入口來的空氣向左運動。

　　6. 結論

　　Fluent可以用于模擬火災與水霧的相互作用，在高溫區域水滴蒸發而使溫度降低，模擬仍有一些地方的問題尚未解決：

　　(1) 火源應設置為在燃料入口處加高溫體，而使燃料開始燃燒，當施加了水霧以后，由于卷吸作用，使燃料附近的局部溫度降低，從而達到滅火的目的，此方法的關鍵在于怎樣點火;

　　(2) 水噴霧施加時是否需要在噴口處設置一速度入口條件;

　　(3) 出口邊界條件應如何設置，若設置成壓力出口邊界條件，噴霧經噴口噴出后會沿出口的方向運動，達不到滅火的目的，無奈之下只能設置入口邊界條件，而不設置出口邊界條件;針對上述問題，筆者將繼續研究，力求更好的掌握Fluent運用于火災領域的相關知識。