郑源，黄玉彪，黄丹妍，杨立中

(中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，合肥 230026)



船用长通道顶棚下方烟气温度分布规律及蔓延运动分析

郑源，黄玉彪，黄丹妍，杨立中

(中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，合肥 230026)

基于大涡模拟(LES)方法获得烟气温度与速度，结合烟气在特殊长通道的结构特征，分析其温度分布规律与运动规律,发现温度边界层与速度边界层可以很好地表征烟气运动，顶棚下方0.015m处的烟气温度可以代替最高温度，与壁面对流传热的最高温度预测公式符合很好。

烟气船用长通道温度

火灾烟气是热浮力驱动的特殊流体，其蔓延范围广，危险性高。

在烟气研究中数值模拟的方法被广泛使用[1]，大量研究工作主要集中在长通道隧道这类结构的温度分布[2-6]，在一系列尺寸实验的基础上建立隧道顶棚下方最高烟气温升的经验公式[7]；对火灾车舱的火灾发展规律进行研究提出检验整体最大热释放速率系数，并且基于火羽流的理论建立了顶棚下方最高温升的多区域表达模型[8-9]；有研究者提出顶棚下最高温升的指数公式，其形式简洁使用方便[10-11]；有研究者对隧道火灾进行大量研究，从基本方程推导一维下顶棚下方最高温度分布情，并对指数型温度分布公式进行了分析验证[12]。

由于温度边界层的波动，最高温度的分布很难获取，在大量的分析温度数据的基础上，尝试寻找顶棚下方一定高处的温度分布来进行替代。

1 计算模型的建立

1.1 数值模拟软件FDS简介

针对水面舰船特殊走廊结构的火灾烟气运动规律及温度规律，运用美国国家标准与技术研究院(NIST)实验室的火灾计算模拟软件FDS(fire dynamics simulation)。

1.2 物理模型

根据船用长通道结构，简化模型，搭建长、宽、高分别为10、2、3 m的通道模型，其材质为2 cm厚钢板，内部存在联通门，其拱形门开口宽1.5 m高1.9 m，门结构的垂直段高1.5 m,见图1。整体结构以中部的连通门为中心向两端成对称分布，网格间隔0.03 m。共建立3 600 000个方形网格。火源设置为0.25 m×0.25 m的方形油盘。火源功率约为2 MW。燃烧反应机理为塑料材质燃烧化学反应。

2 结果与讨论

根据燃烧现象，当燃烧开始后的50～100 s，认为达到了燃烧的稳定阶段，针对稳定阶段采用欧拉法描述烟气运动，取烟气在特定时刻作为研究对象，并将稳定阶段烟气特征值取平均，对波动的烟气特征参数进行稳定处理，得到温度与速度等值图，见图2。

2.1 顶棚下方烟气层

在整个走廊内部，由于其纵向运动远大于横向的运动，可以忽略烟气在运动中横向上的温度交换。因此对其结构中部取切面，将三维结构简化为二维平面，并以中部切面作为表征烟气特性的特殊平面。根据图3中的温度等值分布，可以发现，受到热浮力驱动的烟气从火源位置开始向上运动，受到顶棚的限制与自身重力的作用，烟气在竖直运动被制止，转而开始水平。在图3中可以发现烟气出现了明显的分层作用，表明走廊结构中当烟气自由运动，或存在开口以及排烟装置时，其烟气可以在顶棚下方运动，而不会影响其走廊下部，可以发现在当前的条件下，以人体可以接受的40°为界限，走廊内下部的空气约占整个结构高的40%左右，也证明了火灾中烟气的排烟设计可以有效减弱烟气对人员的危害情况。

2.2 顶棚下烟气的运动与温度分布

图4表明烟气的流动状态，可以发现根据Fr数的影响，浮力很难保证烟气的稳定性，其靠近顶棚附近的运动与层流底层理论较为相符，其主要表现为上部进行水平向外运动，而下部烟气在运动过程中，不断卷吸大量空气，形成预混的烟气，其湍流运动现象十分明显。因此其内部烟气不断形成漩涡并破碎，并且在较长的顶棚下方空间内还会出现涡列，通过这样的运动来完成预混烟气的质量热量交换。

在图5速度等值图中可以发现，烟气的运动受到壁面粘滞力,以及反向空气的剪切力作用，以及运动过程中由于垂壁而迫使运动方向变化导致动能丧失等一系列作用相耦合，最终导致烟气的水平速度在顶棚下方不断的衰减，同样进入的空气也会反向减速，从整体上来看，烟气此时的运动是一种受浮力驱动，由受限结构与空气反向剪切而抑制的一种运动。

烟气的运动可以从壁面附近的上部烟气和下方烟气2个不同层次进行分析，根据计算模拟图6中的结果画出烟气运动的速度边界层δv，发现速度边界层稳定维持在顶棚下方一定距离，由边界层的计算结果了解到，边界层的厚度主要由雷诺数来决定。结果表明，在整个烟气运动的过程中，受到黏性力而产生的能量耗散在水平运动中几乎不变发生改变。

在图7中，可以发现类似速度边界层，顶棚下方同样存在温度边界，图7中等值线以z轴为因变量，可以发现每条等值线上的极值点即为烟气层在相应x坐标处的最高温度点，在顶棚下方，将每条等值线的极值点连接在一起，就形成了温度层边界曲线δt。可以发现温度边界层的厚度在顶棚下方呈现曲线分布，主要分布在顶棚下方0.01～0.05m之间。当烟气主要进行水平运动时，温度边界层将开始变厚，在烟气通过垂壁后撞击顶棚的位置，温度边界层变得很薄，随着烟气朝着垂壁运动温度边界层逐渐变厚，并且温度边界层从水平方向转换为竖直方向，从顶棚下方转换到垂壁一侧。根据温度边界层的厚度和速度边界层的相对位置及厚度，可以判断烟气运动过程中对流换热和运动耗散之间的关系，图6中的速度边界层稳定维持为一条直线，而图7中温度边界层呈现两端厚、中间薄的情况表明在远端垂壁处对流换热所占总散热的比例更大一些，但整体上温度层厚度的变化范围不大，近似认为某一高度即为走廊内的温度边界层界限，以这条直线上的温度来表征顶棚下方烟气温度。

由于走廊长通道结构中几乎都存在垂壁结构，因此考虑烟气这此结构中必须要考虑垂壁对烟气运动的影响，根据图8的模拟计算结果，发现当烟气通过垂壁时形成了一个涡旋，当烟气通过垂壁下端时，其本身具有水平的运动速度，且由于烟气是由热浮力驱动的，将会形成具有一定倾斜角度的烟气运动轨迹，当烟气以倾斜的角度撞击顶棚后，形成了流体力学中的驻点问题，此时烟气主流继续向开口方向运动；而另一小部分烟气向右侧运动，受到垂壁的反作用，形成涡旋，通过垂壁后的小部分烟倾斜向上运动通过u=0m/s的曲线，沿顶棚水平向垂壁运动在u=0m/s的右侧区域运动方向由水平运动转转化为竖直运动，此时烟气从新分为2个部分，温度较高的热烟气依然在涡旋中运动维持涡旋，而少部分低温烟气将重新被卷吸到主流烟气中继续向开口方向蔓延，从而形成了绕流运动。通过较长距离的运动以及涡旋的耗散，烟气在垂壁处丧失了较多的能量。

2.3 顶棚下方纵向温度分布规律

根据上文分析，选取顶棚下方0.015 m处的温度作为烟气的特征温度，见图9。

由图9可见，从烟气撞击顶棚开始，烟气沿着顶棚在下方纵向运动，温度沿着运动的距离不断衰减，由于温度测点的密度相对较大，认为整个分布是连续的，而在垂壁处，温度存在明显的间断，这是图8中烟气运动规律导致的，但在烟气运动过程中经过垂壁，温度没有呈现出大幅度衰减的情况，这主要是由于温度在纵向的衰减梯度比垂直方向上的梯度要低很多，在温度边界层附近，当纵向上丧失一定的热量后其下方的热烟气将从新补充到温度边界层上。因此在这个区域的温度没能发生大幅变化。因此，垂壁对烟气温度的影响主要发生在下部烟气，而在上部的影响很小。

在隧道、竖井等结构中，针对烟气纵向上的温度衰减情况的分析表明，从考虑壁面散热的流体力学基本方程出发，可以得到较为经典的指数形式温度衰减关系[5-6]，假定为稳态阶段，不考虑辐射能量、热传导、内热源等，求解后可以得出烟气温度与烟气运动水平距离的关系。

通过10c)图可见，当烟气开始纵向蔓延时，由于受到垂壁的影响，温度分布的规律比较复杂，并且由于垂壁附近顶棚下方处温度与边界层上的温度存在很大的误差，因此顶棚下方某一直线下的温度分布与指数分布的拟合结果不够理想，但除去垂壁附近温度的异常变化，烟气温度分布与公式的拟合程度都很高，认为在不考虑垂壁影响的作用下，最高温度可以由顶棚下方0.015 m处温度代替，其温度分布与蔓延距离呈现一定规则的关系。

3 结论

1)获得顶棚下方烟气的温度与速度分布并选取顶棚下方在纵向上可以表征烟气的特征温度速度。烟气在长通道内的总体上符合烟气的双层理论，并可以通过模拟数据获取温度边界层与速度边界层曲线，并通过两曲线的关系来确定烟气热量的损失方式。

2)考虑通道连接门的垂壁作用，可以有效迫使蔓延的烟气温度发生变化以及运动状态的改变。发现烟气通过垂壁时会以一定倾斜角度撞击顶棚，并且有一小部分烟气回流形成涡旋与绕流运动，运动规律的特殊性导致了垂壁处耗散了一部分的烟气能量，但由于烟气层有着本身的稳定性，下部烟气的补入，其温度整体变化不大。

3)发现基于壁面对流换热的经典温度纵向衰减公式依然适用，并且在不考虑垂壁附近特殊的温度变化时，以顶棚下方0.015 m处的温度表征烟气代替最高温度，能很好地满足烟气纵向衰减规律。

[1] FAN Chuan-gang, et al. Experimental study on transverse smoke temperature distribution in road tunnel fires[J],Tunnelling and Underground Space Technology, 2013,37:89-95.

[2] OKA Yasushi, IMAZEKI Osamu. Temperature and velocity distributions of a ceiling jet along an inclined ceiling-Part 1: Approximation with exponential function[J]. Fire Safety Journal, 2014,65:41-52.

[3] OKA Yasushi and IMAZEKI Osamu. Temperature and velocity distributions of a ceiling jet along an inclined ceiling—Part 2: Approximation based on cubic function and coordinate transformation[J]. Fire Safety Journal, 2014,65:53-61.

[4] 杨春华，严孝钦，翁振勇，等.基于CFD方法的LNG FSRU船浅水效应分析[J].船海工程，2016(4):6-9.

[5] OKA Yasushi, IMAZEKI Osamu. Temperature distribution within a ceiling jet propagating in an inclined flat-ceilinged tunnel with natural ventilation[J]. Fire Safety Journal, 2015,71:20-33.

[6]OKA Yasushi, OKA Hisushi, IMAZEKI Osamu. Ceiling-jet thickness and vertical distribution along flat-ceilinged horizontal tunnel with natural ventilation[J].Tunnelling and Underground Space Technology, 2016,53:68-77.

[7] KURIOKA Histoshi, et al. Fire properties in near field of square fire source with longitudinal ventilation in tunnels[J]. Fire Safety Journal, 2003,38(4):319-340.

[8] LI Ying-zhen, INGASON Haukur. Fire development in different scales of train carriages[J]. Fire Safety Science, 2014,11:302-315.

[9] LI Ying-zhen, LEIBo, INGASON Haukur. Study of critical velocity and backlayering length in longitudinally ventilated tunnel fires[J]. Fire Safety Journal, 2010,45(6-8):361-370.

[10] LI Ying-zhen, LEI Bo, INGASON Haukur. The maximum temperature of buoyancy-driven smoke flow beneath the ceiling in tunnel fires[J]. Fire Safety Journal, 2011,46(4):204-210.

[11] INGASON Haukur. Model scale railcar fire tests[J]. Fire Safety Journal, 2007,42(4):271-282.

[12] INGASON Haukur, LI Ying-zhen. Model scale tunnel fire tests with longitudinal ventilation[J]. Fire Safety Journal, 2010,45(6-8):371-384.

[13] HU Long-hua, et al. Full-scale burning tests on studying smoke temperature and velocity along a corridor[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2005,20(3):223-229.

Study on Smoke Temperature and Spread Distribution below the Ceiling in Ship Channel

ZHENG Yuan, HUANG Yu-biao, HUANG Dan-yan, YANG Li-zhong

(State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

The phenomena that the temperature and movenment of smoke thermal buoyancy-driven was studied by the large eddy simulation (LES) method.The discipline of temperature and movenment suffered from the effect that the obstructive effect of smoke screen in the unusual long steel channel sturcture was anaylzed. It was found that the charactar curve of temperature and velocity can represent the smoke feature, and the temperature below ceiling 0.015 m can replace the maximum temperature conform the common exponential relationship.

smoke; ship channel; temperature

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.007

2017-01-18

国家自然科学基金重点项目(资助号：51323010)和中央高校基本业务费专项资金(资助号：WK2320000033)

郑源(1993—)，男，硕士生

研究方向：密闭空间复杂结构下火灾烟气规律研究

U662.2

A

1671-7953(2017)03-0031-06

修回日期：2017-03-07