基于FDS的大型油池火特性数值模拟和实验对比研究毕业论文
2020-04-09 15:22:56
摘 要
论文通过数值模拟，探究在油盘的面积为1m2、5m2、10m2和25m2正方形油池下，RP-5航空煤油油池火的火焰高度以及温度场的分布特性。本文应用FDS火灾模拟软件对开放空间的油池火进行数值模拟计算，并将油池火的火焰高度、火焰温度与实验值进行对比分析，验证了FDS火灾模拟软件pyrosim模型对油池火计算的可行性。同时验证了Thomas提出的火焰高度预测公式并探究了其适合的场景。最后，通过对模拟数据和实验数据的整理，给出了大尺寸油池火在不同高度处沿无量纲水平距离的温度分布规律, 以及油池垂直中心轴线上的温度分布。
关键词：油池火；大涡模拟；火焰高度；火焰温度；RP-5航空煤油
ABSTRACT
The paper explores the flame height and distribution characteristics of temperature field of RP-5 aviation kerosene oil pool under the oil pools with square area of 1m2, 5m2, 10m2 and 25m2. In this paper, the FDS fire simulation software is used to numerically simulate the open-space oil pool fire, and the flame height and flame temperature of the oil pool fire are compared with the experimental values to verify the FDS fire simulation software pyrosim model for the calculation of the oil pool fire. At the same time, it verified the flame height prediction formula proposed by Thomas and explored its suitable scenario. Finally, by arranging the simulated data and experimental data, the temperature distribution of the large-scale oil pool fire at different heights along the dimensionless horizontal distance and the temperature distribution on the vertical center axis of the oil pool are given.
Keywords: oil pool fire；large eddy simulation；height of flame；flame temperature；RP-5 aviation kerosene
目录
摘要 i
ABSTRACT ii
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.3 研究意义 2
1.2 研究现状 2
1.2.1 池火火焰高度研究现状 3
1.2.2 池火火焰温度研究现状 4
1.2.3 池火数值模拟现状 4
1.3 研究内容及方法 5
1.3.1 研究内容 5
1.3.2 研究方法 6
第二章 油池火基础理论 7
2.1 基本控制方程 7
2.2 湍流模型中的大涡模拟 8
2.3 燃烧模型和辐射模型 9
2.4 本章小结 9
第三章 油池火数值模型建立 10
3.1 大尺寸油池的原型 10
3.2 油池几何模型 12
3.3 火源设置 13
3.4 网格划分 16
3.5 边界条件设置 18
3.6 本章小结 18
第四章 油池火燃烧特性 19
4.1 池火火焰高度 19
4.1.1 实验数据 19
4.1.2 模拟结果 20
4.2 池火火焰中心轴线温度分布特性 23
4.2.1 实验数据 24
4.2.2 模拟结果 26
4.3 池火水平温度分布特性 28
4.3.1 实验数据 28
4.3.2 模拟结果 29
4.4 本章小结 30
第五章 结论与展望 31
5.1 结论 31
5.2 展望 31
参考文献 32
致谢 34
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
火是人类最早利用的能源之一，从原始人类利用野火到发现摩擦生火，象征着人们从野蛮步入文明。在远古时期，人类利用天然火——如雷电引起的树木燃烧来熏烤食物，到后来烧柴取暖、烧瓷、打造兵器等，大大提高了劳动生产力。十八世纪六十年代，工业革命的发展使人们对能源的需求指数迅速上升，蒸汽机的发明和使用，让煤取代木炭占据了燃料消费结构中的主导地位。本世纪初内燃机的普及和应用，让石油这种新型燃料逐渐步入了人们的视野。伴随着经济的迅速增长，石油化工等行业也迎来了新的发展，大型工厂，油池，储罐相继出现，人们对各种燃料的依赖程度进一步提升。
在巨大的财富的创造过程中，也产生了不少隐患，俗话说，水火无情，如果人们在对燃料的利用过程使用不当导致火灾，创造的财富会化为灰烬，同时对人们生命造成威胁。火灾事故是化学工业和危险物质运输事故中的一个重要组成部分，是指由于失去控制的燃烧所造成的灾害，在各类灾害中发生最频繁且极具毁灭性[1]，根据一项有关6099起历史事故的调查，涉及火灾而引起的事故的占总事故的41.4%；同时，分析表明不同类型的火灾中，如射流火灾，闪燃火灾等，池火灾发生最为频繁[2]，扑救更困难，往往造成严重后果。
火灾发生的必要条件是可燃物、助燃剂和点火源。可以从不同的角度将火灾进行分类。例如，根据火灾发生的地点、燃烧现象、损失程度和起火原因等[3]。依据可燃物的种类不同，国家进行了相关标准化分类，将火灾分为A-F类火灾，分别代表固、液、气体、金属、带电物以及烹饪物的火灾。
本文取用燃料为RP-5航空煤油，其泄露引发的火灾属于火灾分类中B类、可燃液体火灾，可燃液体火灾中火焰面并非在液体表面，而是在液面上方，一般表现为液面燃烧。这是因为可燃液体燃烧时先蒸发，生成可燃性蒸汽，可燃蒸汽再与空气混合燃烧，形成火焰。火焰面反应剧烈放出热量，使液面蒸发更多燃料。一旦参与火焰燃烧的蒸汽与蒸发的蒸汽达到平衡，即产生稳定的火焰。液体可燃物的着火过程如图1.1及1.2所示。
图1.1液体可燃物着火过程[4]
图1.2液体可燃物液面燃烧[4]
1.1.3 研究意义
石油作为各个国家工业现代化发展的重要能源，在经济发展中的地位日益重要，然而在工业处理及运输过程中由于各种原因导致燃油泄漏，从而引发火灾，造成较为严重的灾难。且油类具有易燃、易爆、易挥发、易流动扩散、挥发分易受热膨胀、易产生静电等特点，所以油池火灾具有燃烧速度快、持续时间长、热辐射强、易发生沸溢喷溅等特点[5]，火势容易蔓延，甚至会引发爆炸的发生，极具危险性。
作为一个典型的液体火灾模型，油池火灾一旦发生不仅会导致财产损失，往往还会危害到人员的生命安全，同时对环境造成严重破坏，短时间内难以恢复。
由上分析可知油池火灾具有潜在而巨大危险性，针对油池火在这一特定的研究对象，研究其火焰特性规律十分必要。由于大型油池火灾试验经费需求过多,且火灾现象是一种受油池面积、风速、地理环境等多种因素影响的极复杂过程 ,致使相关的数据分析很少 , 理论和实验研究都十分困难[6]。因此本课题采用计算机软件FDS对其进行火灾仿真模拟。通过对油池火进行数值模拟，获得其发展规律及火灾中一些重要的参数，这不仅有助于更好的服务于工业消防，对预防和扑救油池火灾具有十分重要的意义，而且对油池储罐设计和防火规范的修订具有一定的指导意义。
1.2 研究现状
池火是最常见且最具代表性的火灾形式之一，实验中常以池火作为火源研究真实的火灾事故。自1950年开始，人们对池火做了大量的实验和理论方面的研究工作，得到了许多重要数据和成果[7]。前人对于油池火进行了广泛的研究，主要涉及燃烧速率、火焰高度、脉动、热辐射、火焰温度、传热机理等。火焰高度作为一个很重要的研究点，对辐射放热、燃烧速率起着重要的作用；对于油池火火焰高度研究[8-12]，前人将火焰分为三个区域，计算火焰高度的方法也有很多，有平均火焰高度，连续火焰高度，间隙火焰高度。其中Heskestad[8]提出的浮力扩散无量纲火焰高度随无量纲火焰热释放速率的经验关系式被广泛应用。前人对于火焰中心线温度做了研究[13-15]，最典型的是McCaffery[14]的火焰中心线温度模型。
1.2.1 池火火焰高度研究现状
近年来，在石油，化工等行业的生产过程中以及飞机和船舶的运输过程中，由燃油泄漏频繁发生的火灾造成了灾难性的后果。 航空煤油是一种具有高热值和高危险性的燃料，是燃料泄漏火灾的主要危险源[16]。 典型的燃油泄漏火灾是在风的作用下的一种液体池火灾。 火焰高度和无风自由燃烧之间存在很大差异。 火焰高度直接影响到邻近物体的热辐射，研究无风多风条件下航空煤油池的火焰高度特性，对控制和扑灭火势蔓延，降低危险性具有重要的理论意义。
参考SFPE的定义[17],火焰高度是火焰锋线和燃烧表面之间的垂直距离,如图1.3所示.
图1.3火焰高度定义图
自20世纪50年代以来，国外研究人员对油池的火焰高度进行了大量研究。 Thomas[18]在20世纪60年代初期进行了一项实验性研究，认为燃料流量对火焰的高度有决定性的影响，并给出无风条件下火焰高度的表达式。
2003 年，日本研究人员Yasushi Oka等[19]研究了开放空间内不同风速条件下的火焰高度变化规律,并建立了以燃烧器为实验条件下的关系式.
2009年，庄磊，陆守香等[20]人在实验室中研究了不同尺寸油池在不同风速下的火焰高的，拟合了相关数据并提出了有风条件下的火焰高度预测模型。
2016年，哈尔滨工业大学研究生曾娇[21]在她发表的论文中探究火焰高度和风速之间的关系，并利用FDS软件验证，提出相关预测模型。
火灾科学国家重点实验室的研究人员对油池燃烧特性进行了较多研究[5, 22, 23], 其中，宗若雯等人研究了小规模油品扬沸时火焰的高度。 其中一些实验是在小型风洞中进行的，主要是燃气燃烧器，另一些则在风洞或隧道内进行。 实验条件大尺度空间的有风效应存在一定的差异。
1.2.2 池火火焰温度研究现状
火焰是火灾的最初基本形式。火焰中心线的轴向温度对于控制建筑物的火灾蔓延和建筑构件的保护具有重要意义。前人对羽流中心线温度做出了很多研究，Mccaffrey[14]，Zukoski [9], Heskestad[8] 等人在对火焰中心线温进行研究后分别提出了不同的火焰中心线温升计算方法。由于试验中三种羽流模型实验的条件并不相同，对于不同可燃物、功率的火灾，不同羽流模型得到的结果也存在较大的差异，使工程上对火焰中心线温升计算存在不确定性。为此不少研究人员在后来的研究中验证了相关公式并进行修正。
2009年，火灾国家重点研究室成员陈志斌，胡隆华[24]等人开展了不同尺寸矩形油池的火焰特性研究，得到的火焰高度轴线升温与Hasem的火焰轴线温度修正模型对比，发现随着火源形状因与理论结果的相关性。
2012年，中国矿业大学张国维、朱国庆[25]等人开展了高大空间640Kw及1080Kw的小功率火灾试验，测量火源上方4~7.5m处火焰轴线温度，并验证了三种理论模型与实验的吻合性，得出Heskestad模型更适合大空间小功率油池火的预测。
2015年，中国科学技术大学胡郡郡[26]在学术论文中探讨了火焰发展区温度分布，与实验数据相结合，提出了预测发展区中心线温度的方法。
1.2.3 池火数值模拟现状
数值模拟是一种利用计算机求解由质量，动量和能量守恒方程组成的非线性偏微分方程的的方法，利用图像显示技术，给出空间各个位置的速度、压力、温度、湍流特性以及流动、传热和反应装置等详细信息从而研究工程乃至自然界中各种物理问题和现象。不同于传统的实验方法，数值模拟具有很大的优势：一是数值模拟工作成本只在于软件的注册和建模的人力成本，用于材料的方面成本低，耗时短。其次，数值模拟中的环境变量容易控制，可以较好的模拟实验条件难以达到的状况，因此，它比实验研究更灵活，更容易操作和实施。第三，数值模拟拥有良好的可重复性。在相同的计算精度下，如果计算条件不发生改变，得到的结果是相同的；最后，利用数值模拟可以发现一些新的现象。因为这些突出的优点，该技术的应用随之广泛。数值模拟在工程技术和科学研究中发挥着越来越重要的作用。
2002年，火灾国家重点研究室成员秦俊，廖光煊[27]等人在对火旋风火灾机理的研究中利用数值模拟技术，获得火旋风温度场结构以及其特有的物理现象
2011年，张硕浦，浦金云[16] 等人利用CFD软件对不同直径的庚烷油池火进行模拟,研究其燃烧速率、热释放速率随直径的变化以及火焰中轴上的温度和单位体积热释放速率(HRRPUV)分布,并得出油池表面的热辐射反馈以及油池外部水平和垂直方向的热辐射强度分布规律。
2013年，饶璐，李士平[28] 利用FDS软件模拟了开放空间和受限空间下稳定燃烧的庚烷油池火的羽流特性,研究空间着火后的烟气流动、温度场、质量损失速率和热释放速率的分布情况。
2015年，研究人员孙国骏、蒋新生[29] 等人利用数值模拟软件,构建了一种基于耗氧原理的油池火锥形量热法模拟实验系统，研究了油池火点火特性,得到了油池火辐射强度、辐射距离对油料点燃时间的影响规律以及点燃时间与锥照射强度之间的拟合公式。
由于各种原因，人们不能直接使用实验室数据来构建工业级设备。另外，即使是小型的实验站也需要花费大量的精力来建设。近年来，随着计算机计算能力的提高和普及，火焰特性的计算已成为与实验研究方法共存的有效手段。除了比实验更经济外，最重要的是数值模拟可以在各种工作条件下获得完整的数据。另外油池火受环境影响机理比较复杂，就风速而言，它不仅影响燃料表面的传热，还会改变燃料与空气的混合状态，以及火焰辐射分布，实验条件控制困难，得出的结果也是各有差异。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。
本文利用FDS平台软件pyrosim，主要关注RP-5航空煤油池火火焰高度及火焰线温度在不同尺寸条件下的燃烧特性。
1.3 研究内容及方法
1.3.1 研究内容
本文主要利用实验和计算机仿真模拟的手段，对大型油池火发生、发展过程进行研究。围绕本文的主题，其具体研究内容如下：
1）油池火实验。通过对不同尺寸油池油池火分别进行实验，取得相关火焰高度，温度数据。
2）油池物理模型。选取不同尺寸油池作为研究对象，按照实验相关参数，并用相关软件，对油池简化后的物理模型进行绘制。
3）边界条件参数和火源相关参数。根据所建立物理模型的原型，得到该油池相关的边界条件参数，并结合燃油的相关性能指标，建立油池燃烧的火源，求出该火源的相关参数。
4）火灾发展过程的数值模拟，包括温度场分布、火焰高度和火焰温度特性的模拟。基于以上所建立的数学物理模型，采用FDS软件对模型内火灾发生后稳定燃烧状态下的参数进行模拟。
1.3.2 研究方法
本研究通过查阅大量文献及调研，建立油池火的数学模型以及机油池物理模型并设定合理的边界条件参数和火源相关参数，利用FDS软件平台，对油池火灾的发生、发展全过程进行数值模拟，再现油池火灾的发展情景，得到不同尺寸油池火焰高度，以及火焰温度场分布，与实验得到的数据进行对比，以期对大尺寸油池火的火焰温度特性的研究提供指导。具体路线如下图
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