基于CFD的开放空间油池火燃烧速率和热辐射研究

消　防ｉ理　论　研　究　基于ＣＦＤ的开放空间油池火燃烧速率和热辐射研究　张硕　，浦金云　，姜　涛　，李东臻。　（１．海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉４３００３３；２．海军装备部驻大连４２６厂军事代表室，辽宁大连１１６００１；　３．海军装备部驻武汉地区军事代表局，湖北武汉４３００６４）　摘要：采用混合组分燃烧模型和有限体积辐射模型，通　Ｋｈｕｄｉａｋｏｖ的研究进行分析后指出：小直径（Ｄ＜５　ｃｍ）的　过液体表面蒸发模型对液态燃料和火羽流进行耦合，建立开放　油池火是由对流传热控制的层流预混燃烧，大直径（Ｄ＞　空间油池火模型。利用ＣＦＤ方法分别对不同直径的庚烷油池　１００　ｃｍ）的油池火是由辐射传热控制的湍流燃烧。随后　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　Ｂａｂｒａｕｓｋａｓ（１９８３）通过实验分析了直径、风速、燃料物　火焰中轴上的温度和单位体积热释放速率（ＨＲＲＰｕＶ）分布，　性、燃料厚度、液池边缘效应等因素对燃烧速率的影响；　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　Ｈａｙａｓａｋａ和Ｋｏｓｅｋｉ（１９８９、１９９４）分析了直径对燃烧速　的热辐射强度分布规律。部分模拟结果与实验进行对比，验证　该模型的适用性和有效性。　率、热辐射强度分布、火焰尺寸和温度的作用，并印证了　关键词：油池火；开放空间；燃烧速率；热辐射分布；ＣＦＤ　火焰对油池表面热辐射对燃烧速率的关键作用；Ｋｏｓｅｋｉ　模拟　（１９９９）和Ｊ　Ｍ　Ｃｈａｔｒｉｓ（２００１）分别对历史文献和实验数据　中图分类号：Ｘ９１３．４。ＴＫ１２１　文献标志码：Ａ　进行了汇总，并对燃烧速率经验公式进行了修正。在此　文章编号：１００９～００２９（２Ｏｌ１）１２一ｌ１Ｏ９一Ｏ５　基础上，Ｊａｎｓｓｅｎｓ　Ｍ　Ｌ（２００１）、易亮等（２００６）分别对庚烷　和甲醇油池火的燃烧特性和影响因素进行了研究。　近年来，随着经济的快速发展，在石油、化工等行业　从２Ｏ世纪８０年代以来，Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　Ｆｌｕｉｄ　Ｄｙ—　的生产过程以及飞机、船舶等交通运输过程中，由于燃油　ｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）技术取得了长足发展并在火灾领域开始了　泄漏引发的火灾频繁发生，不断造成灾难性后果。这些　应用，一些著名的ＣＦＤ软件在火灾学领域得到了较好的　火灾按燃烧方式可分为油池火、喷射火和闪火，其中油池　验证和应用，如ＪＡＳＭＩＮＥ、ＫＡＭＥＬＥＯＮ、ＦＬＵＥＮＴ、　火的发生率最高，危害性最大。　ＳＯＦＩＥ、ＰＨＯＥＮＩＣＳ、ＩＳＩＳ一３Ｄ、ＦＬＯＷ３Ｄ和ＦＤＳ。Ｓｉｎａｉ　自２０世纪中期以来，国内外的学者对开放空间油池　Ｙ　Ｌ等（１９９５）用ＦＬＯｗ３Ｄ对开放空间大尺寸航空煤油　火进行了大量的实验和研究。油池燃烧速率、火焰温度、　油池火的火羽流进行了ＣＦＤ模拟验证，考虑了油池形状　火焰高度是油池火的最重要的特征参数，是油池火灾研　和横向风的作用；Ｍｉｌｅｓ　Ｓ等（１９９７）用ＪＡＳＭＩＮＥ对楼厅　究的重点，因为其决定着油池火和对外界的热辐射强度　火灾浮力驱动羽流的空气卷吸量进行模拟，并用比例缩　和破坏后果。Ｂｌｉｎｏｖ和Ｋｈｕｄｉａｋｏｖ（１９５７、１９６１）最早对油　小模型进行了验证；Ｄｅｍｂｅｌｅ等（２００１）用ＳＯＦＩＥ对不同　池火进行了系统的实验研究，Ｈｏｔｔｅｌ（１９５８）对Ｂｌｉｎｏｖ和　尺寸油池火液池表面的热反馈和燃烧速率进行了计算并　・　‘　‘¨ｌ…　¨ＩＰ　　ｔｉｌｌ一・・。ｌｌ¨　…＿ｌ¨－……　０Ｉ　’‘ｌｌ¨Ｉ＿・’ｑｌ１．，・………・‘－ｌｌ¨Ｉ＿ｔ’ｑｈＩ－・一‘’……・－…Ｉ　－‘ＩｌＩ…－。ｌ＿¨　・¨¨…・一　……　－。ｑｈ一“ＩＩＩＩ１Ｉ－。ｑｌｌ‘・・¨¨…・一　ｔｌｌ…・－…　’－ＩＩｈ一”ＩＰ　ＩＩＩ－・　…　＿ｌ¨Ｉ　。‘。ｈＩ・・・’¨¨¨　｝－‘ＩＩＩ　Ｉ…ｌｌ¨　｜ｌ¨　－‘ｑｈ一・‘。’¨¨・・－“¨Ｉ　“ｔｉｌｌＩ－一’　ｌ・一・－‘Ｉｌｌ　ｌ。ＩＩｌｌ¨・－…Ｉｌ　ＩＰ　ＩＩＩ－一　’－’ｌ¨ｌ１．　ａｎｄ　ｉｎｃｌｉｎｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｗｉｒｅ　ｆｒａｍｅ　ｗａｓ　ｄｏｎｅ．Ｔｈｅ　ｆｉｒｅ～ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈａｎ　３　ｈ，ＳＯ　ｔｈａｔ。ｉｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ａｓ　ｆｉｒｅｗａｌ１　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ａｌｍｏｓｔ　ａｌ１　ｆｕｌｌ　ｓｉｚｅ　ｗａｌｌｂｏａｒｄ（４　１４０　ｍｉｔｔ×３　７００　ｍｍ×２４０　ｒａｍ）ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈｅｓｔ　ｆｉｒｅ—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ　ｉｎ　ｏｕｒ　ｔｅｓｔ　ｗｉｔｈ　ｌｏａｄ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｆｏｒ　Ｑｕａｌｉｔｙ　Ｓｕ—　ｃｏｕｎｔｒｙ　ｆｏｒ　ｌｏａｄ　ｂｅａｒｉｎｇ．　ｐｅｒｖｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　Ｔｅｓｔ　ｏｆ　Ｆｉｘｅｄ　Ｆｉｒｅ—－ｆｉｇｈｔｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｆｉｒｅ—－ｒｅｓｉＮ——　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＣＳ　ｆｉｎｅ　ａｇｇｒｅｇａｔｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｗａｌｌｂｏａｒｄ；ｗａｌｌｂｏａｒｄ　ｏｆ　ｔｉｎｇ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗＮ　ｔｈａｔ，ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓ—　ｉｎｓｕｌａｔｅ　ａｎｄ　ｂｅａｒｉｎｇ；ｆｉｒｅ—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｔｅｓｔ；ｆｉｒｅ—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｌｉｍｉｔ；　ｉｔｅ　ｉｎｓｕｌａｔｅ　ｗａｌｌｂｏａｒｄ，ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｍｏｕｌｄ　ｂｙ　Ｃ２５　ｊｅｔ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｆｉｎｅ　ａｇｇｒｅｇａｔｅ　ｊｅｔ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｉｎ　ｔｈｉｃｋ　ｏｆ　５５　ｍｍ　ｗｉｔｈ　１　３０　ｍｍ　ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ，ｈａｓ　ｎｏｔ　ｌｏｓｅ　ｉｔｓ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ　ａｎｄ　ｈｅａｔ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｕｎｄｅｒ　ａｘｉａｌ　作者简介：李海彬，男，天津大学建筑工程学院土　ｌｏａｄｓ　ｗｉｔｈｉｎ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｔｉｍｅ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ａｆｔｅｒ　３　ｈ．Ｉｔｓ　木工程系硕士研究生，主要从事建筑结构设计与建筑　ｆｉｒｅ—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｓａｔｉｓｆｉｅｄ　ｆｉｒｓｔ　ｇｒｅｅｄ　ｏｆ　ｎａｔｉｏｎａｌ　ｃｏｄｅ　ｆｏｒ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　材料的防火研究，天津市南开区卫津路９２号８楼３１８　ｆｉｒｅ－ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ　ｆｉｒｅ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗａｌｌｂｏａｒｄ　ｏｆ　ｆｉｎｅ　ａｇｇｒｅｇａｔｅ　ｊｅｔ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｗｉｔｈ　ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ　ａｎｄ　ｉｎｃｌｉｎｅｄ　ｓｔｅｅｌ　室，３０００７２。　ｗｉｒｅ　ｆｒａｍｅ　ｉｓ　ｂｅｔｔｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈｏｓｅ　ｏｆ　ｗａｌｌｂｏａｒｄｓ　ｐｒｏｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｍｏｒ—　收稿日期：２０１１—０８—２６　ｔａｒ－ｐｌａｓｔｅｒｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｗａｌｌｂｏａｒｄ　Ｓ　ｆｉｒｅ－ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｌｉｍｉｔ　ｉｓ　ｌｏｎｇｅｒ　消防科学与技术２０１１年１２月第３Ｏ卷第１２期　１１０９　与实验进行了对比；Ｍ　Ｇｒｅｉｎｅｒ等（２００６）用ＩＳＩＳ一３Ｄ对　横向风作用下的大尺寸ＪＰ８油池火进行了计算，并对其　危险性进行了评估，结果有较高的可信度。由美国国家　标准技术局（ＮＩＳＴ）开发的ＣＦＤ软件Ｆｉｒｅ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ　Ｓｉｍ—　式中：一ｓ　＝ｏ．５（　＋　）；　一（２一ｓ　ｓ—ｄ）　。　ｄｚ，　ｄＺ，　１．３混合组分燃烧模型　该模型假设燃烧由组分混合控制，且假设燃料和氧　气之间的反应速率无限快。燃烧反应的一般形式可描述　为式（８）。　ｕｌａｔｏｒ（ＦＤＳ）在火灾学中有着广泛的应用，其基本思想是　用大漩涡模拟（ＬＥＳ）对Ｎ—Ｓ方程进行数值模拟，分别采　用混合组分燃烧模型和有限体积法对燃烧和热辐射过程　进行模拟计算，Ｈｏｓｔｉｋｋａ、ＭｅＧｒａｔｔａｎ、Ｆｌｏｙｄ、Ｈａｍｉｎｓ等人　［Ｆ］＋　。［０］一∑口　［Ｐ］　（８）　（２００３）的研究对其进行了详细的阐述和验证，Ｔ　Ｇ　Ｍａ、Ｊ　Ｇ　Ｑｕｉｎｔｉｅｒｅ、Ｊ　Ｘ　Ｗｅｎ、Ｋ　Ｋａｎｇ等人将其应用于中小尺度　的油池火，表明其对火羽流的模拟相当成功。Ｃ　Ｈ　Ｌｉｎ、Ｙ　式中：Ｆ表示燃料（Ｆｕｅ１）；Ｏ表示氧气（Ｏｘｙｇｅｎ）；Ｐ表示燃　烧产物（Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）；　表示反应系数。根据化学反应计　量可知燃料和氧气的质量消耗速率有式（９）所示关系（Ｍ　表示反应物的相对分子质量）。　ｍＦ一　Ｍ　Ｆｅｒｎｇ等人对ＦＤＳ模拟结果对网格和辐射角数目的敏　感性进行了分析，给出了具有参考价值的结果。　但是以上大部分对油池火的ＣＦＤ模拟，将火源根据　ｍｏＷｏ　Ｍｆ１　ＦＭＦ　（９）　…　实验数据或经验值进行设定，火源功率作为输入值的一　部分，将研究的主要对象放在火羽流中各种物理场的模　拟上，对燃料的质量损失速率和热释放速率进行模拟研　究的较少。笔者采用ＣＦＤ方法对中等和大直径油池火　定义Ｚ为油池表面上方燃料蒸气中某一点的燃料质　量分数，可表示为式（１Ｏ）。　ｚ＝　㈣　进行模拟，研究不同直径油池火质量损失速率、热释放速　率及其热辐射强度分布规律，并与实验结果进行对比。　１　理论模型　式中：ｓ一　；＿Ｆ、＿ｆ１分别为燃料和氧气的质量分数；　ｙ　为空气中氧的质量分数。Ｚ值在ｏ～１的范围内变　化，且当　。一ｙ　（只有氧气，　一０）时ｚ＝０，当　。一０（只　有燃料）时Ｚ＝１，该质量分数也满足式（１１）的燃料和氧　ｌＩ　１　可压气体模型（气体守恒控制方程）　火羽流中的气体可认为是可压流，满足式（１）～式　（５）所示的关系。　气的守恒定律。　连续方程：　誓＋　（Ｃ『　Ｕｘ　　）＝ｏ　，　（１）＝　・　ｚ　…）　组分方程：　基于反应无限快的假设，燃料和氧气不能共存，可得　＋　十—　一　（一　ｐ　婺）Ｕ　十　＋１ｗ　动量方程：　（２）　到氧气质量分数ｙ。和Ｚ的关系如式（１２）所示。　ｙ（ｊ（ｚ）一　Ｙ　ｌ０　一ｚ／ｚｔ　ｚ＜　—＞　ｆ　（１２）　＋－ｐｕ，　一　ｉ一　Ｚｆ为火焰表面的燃料质量分数，且Ｚｆ　＋砉｛　ｃ　＋　＋　式中：（３）　１　ｏ　。　』　Ｉ』ｆ３　ｏ－￣：０　由式（１１）可得到氧气的质量守恒方程为式（１３）。　Ｐ　＝　・ｌ。ＤＶＹｏ￣ｍｏ　（１３）　能量方程：　Ｏｔ。　ａ　。＋Ｑ十丢（　。ａｚ　、ｒ‘ａ　）ｚ　一警Ｏｘ＋　（　喾）　（４）　＝－－ｐＤ　ｄ２Ｙｏ　Ｉ　ｖｚＩ。　＋　Ｏ：　所以氧气的质量消耗速率为式（１４）。　＝　・ＰＤＶＺ－－Ｖ　Ｄ　Ｚ）　ｘ（１４）　式中：　一　下　，；Ｑ为火源的热释放速率。　Ｐ。：ＲｐＴ　（５）　热释放速率可表示为氧气消耗量的函数，见式（１５）。　Ｑ＝△Ｈ。．ｍ。　ｏ　状态方程：１．２湍流模型　控制方程中的湍流项采用Ｓｍａｇｏｒｉｎｓｋｙ模型，表示　为式（６）、式（７）。　Ｚ＂０一ｐ（ｕ　“　一　ｑ”，（１５）　式中：△Ｈ。为消耗单位质量氧气所产生的热量。　１．４有限体积辐射模型　）：一２　（ｃ　）　△。Ｉ—ｓｉ—ｓ　（６）　非散射气体中的辐射离散传播方程为式（１６）。　ｓ．　）　（　）［　～　）］（１６）　一ｆ０（Ｔｕｊ－　）一　箬（７）　１　１　１　Ｏ　Ｆｉｒｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　２０１１・Ｖｏｌ　３０，Ｎｏ．１２　－式中：Ｓ为方向向量；ｒ　（ｚ，５）为波长为　的电磁波在Ｓ方　表２模拟计算条件　向的辐射强度；ｋ　（　）为吸收系数。采用有限体积法进行　角度离散。　直径　Ｄ／ｍ　０．２　Ｏ．３　Ｏ．６　１．０　２．Ｏ　燃料厚度　／ｃｍ　３．０　３．０　５．０　１０．０　２０．０　计算区域　×　×ｚ／ｍ　网格大小　辐射角数目　５ＯＯ　５ＯＯ　５００　５ＯＯ　５００　１．０×０．４×１．２　１．０×１．０×１．０　１．４×０．６×１．６　１．０×１．０×１．２　２．５×０．８×３．０　２．５×２．５×２．５　４．６×２．０×６．０　５．０×５．０×５．０　８．４×２．８×１２．０　８．０×８．０×８．Ｏ　１．５液体表面蒸发模型　液体燃料表面蒸发速率决定了燃料的质量消耗速　率，而蒸发速率又是由火焰对液体燃料的热反馈决定的。　由于火焰和液体燃料表面存在一层燃料蒸气，其很大程　度上削弱了火焰与液体之间的热传导，所以火焰的热反　馈Ｑ｛主要由对流热Ｑ…和辐射热Ｑ　组成（通过油池壁　在油池表面和油盘外部沿半径方向布置测点，测量　油池表面的热辐射反馈分布和热辐射在油盘外部沿半径　方向的分布，在油盘中心轴线上布置测点测量温度和热　向液体燃料的热传导很小，可忽略不计），热反馈主要用　于使液体燃料升温并维持其蒸发，如图１所示。　火焰热反馈ａ＝Ｑ…十　液体燃料　ｌ液体燃料受到　传导絮　图１　油池表面热传递和液体蒸发模型　液体表面热量和质量传递模型，见式（１７）～式（２１）　方程。　热平衡方程：　Ｑ　。一　＋ｍ”・Ｈｖ　（１７）　液体表面饱和燃料蒸气压方程：　Ｐ　一Ｐ　（　）　（１８）　燃料蒸气质量浓度方程：　＂Ｐｓ　，￣ＹＦ－＿Ｐｇ．ＰＦ　ＭＦ＋（Ｐ丽　（１９）　燃料质量流量方程：　ｍ”一ｈ　・（Ｙｈ—ＹＦ．。。）　（２Ｏ）　燃料表面下降方程：　－　“一（ＩＤ－・ｓ）　ｌ　ｍ“ｄｓ　（２１）　２数值计算　采用在火灾学领域较为通用的模拟软件ＦＤＳ进行　模拟计算，选取庚烷（Ｃ　Ｈ　。）为燃料，其物性参数如表１　所示。油池直径分别为０．２、０．３、０．６、１、２　ｍ；开放环境条　件：温度２５℃，气压１０１　３００　Ｐａ，相对湿度５０　，风速　０　ｍ／ｓ。根据Ｃ　Ｈ　Ｌｉｎ、Ｙ　Ｍ　Ｆｅｒｎｇ等人对网格和辐射角　数目的敏感性分析选取网格大小和辐射角数目，模拟计　算条件如表２所示。　表１庚烷物性参数　『化学式　密度　比热容　沸点　汽化潜热　燃烧热　／ｋｇ／ｍ。　／Ｊ／（ｇ・Ｋ）　｛。℃　／Ｊ／ｇ　／ｋＪ／ｇ　『Ｃ　Ｈ　６８８　２．２４　９８　３６４．４　４４．４３　消防科学与技术２０１１年１２月第３ｏ卷第１２期　释放强度，在距油盘中心轴线距离Ｌ＝３Ｒ处的竖直方向　布置测点，测量热辐射强度随高度ｈ的变化。测点的布　置如图２所示。　图２测点布置示意圈　３　结果分析　３．１　热释放速率和质量燃烧速率　不同直径的庚烷油池火在达到稳定燃烧后的热释放　速率ＨＲＲ和质量燃烧速率（ｇ／（ｍ。・ｓ））分别如图３、图４　所示。从图３、图４可以看出，二者都随着直径的增大而　增大，这与前人的研究结果一致。在图４中，Ｋｏｓｅｋｉ、Ｃ　Ｈ　ｎ等人的实验结果以圆圈表示，模拟结果用星号表示，　强径，　图４不同直径油池稳定燃烧速率　模拟计算与实验结果比较的误差如图５所示。从图５可　以看出，模拟值与实验值较为接近，误差在７　以内，模拟　结果较好地反映了实际情况。　Ｉ　＝　涎　一　／ｍ　图５燃烧速率模拟结果误差图　３．２油池表面热辐射反馈分布　根据Ｈａｍｉｎｓ、Ｋｌａｓｓｅｎ等人的研究结果，热辐射在油　池（Ｄ≥３０　ｃｍ）表面热反馈中起着决定性的作用，所以笔　者着重研究不同直径的油池表面的热辐射反馈。各油池　表面的热反馈取其在稳定燃烧时５　Ｓ的平均值，结果如图　６所示。从图６可以看出，随着油池直径的增大，油池表　面热辐射反馈明显增强，由此加速了液体燃料的蒸发燃　烧，使燃烧速率增大。另外，油池不同径向位置的热辐射　反馈强度不同，油池中心位置最大，离中心越远，强度越　小。对于Ｄ＝３０　ｃｍ的油池，其表面热辐射反馈强度都在　１０～２Ｏ　ｋｗ／ｍ　，与Ｈａｍｉｎｓ等的实验结果一致。　７Ｋ’Ｈ、　鞲　图６油池表面热辐射反馈径向分布图　３．３　油池火焰中轴温度和热释放速率分布　Ｋｏｓｅｋｉ等人的实验结果表明，油池火焰中轴温度随　着无量纲高度（Ｈ／Ｒ）的增加先升高后减小，峰值温度随　着直径的增加而升高，其中Ｄ一６　ｍ和Ｄ一２　ｍ的庚烷油　池火焰中轴峰值温度分别在１　２００。Ｃ和１　０００。Ｃ左右。　取稳定燃烧５　Ｓ的平均值，模拟结果如图７所示。从图７　中可以看出火焰中轴温度分布与Ｋｏｓｅｋｉ的实验结果一　致，峰值温度随直径的增加而增大，且峰值温度的位置随　直径的增大而降低，在笔者的研究范围内介于０．５Ｄ～　１．５Ｄ之间。另外，不同直径火焰中轴的单位体积热释放　速率ＨＲＲＰＵＶ（Ｈｅａｔ　Ｒｅｌｅａｓｅ　Ｒａｔｅ　Ｐｅｒ　Ｕｎｉｔ　Ｖｏｌｕｍｅ）分　布如图８所示，直径越大，峰值越高，峰值出现的位置越　低，这与中轴温度的分布一致，但峰值出现的位置介于　１．０Ｄ～２．５Ｄ之间，位置较温度峰值高，且不同直径油池　１　１　１　２　火焰的　Ⅲ，参　强赵蕞　∞ｌ。踟加鲫∞∞如如ｍ　０　垂直位’　／　尺　图７火焰中轴温度分布圈　（Ｊ　堑　ｘ＾≈　ｆ｛｛Ｒ　图８火焰中轴单位体积热释放速率分布图　３．４油池外部热辐射分布　热辐射是开放空间油池火引起危害和损失的主要因　素，笔者研究不同直径的油池火焰的热辐射在油池外部　水平方向和垂直方向（Ｌ一３Ｒ）的分布，分别如图９和图　ｌＯ所示。从图９、图ｌＯ可以看出，在水平方向，不同直径　皇　憩　辑　墨　水、｝ｚ｛Ｚ＇￣ｔ．／Ｌ／Ｒ　图９油池外部热辐射水平分布图　ｊ廷随位鬣／ｌｔ／Ｒ　图１Ｏ油池外Ｌ＝３Ｒ处热辐射垂直分布图　Ｆｉｒｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　２０１１，Ｖｏｌ　３０，Ｎｏ．１　２　的油池热辐射强度随着离油池中心的无量纲距离（Ｌ／Ｒ）　的增加而单调减小；在距离油池相同的无量纲距离处，其　热辐射强度随油池直径的增大而增大。在Ｌ一３Ｒ处垂　直方向，热辐射强度随着高度的增加先增加后减小，峰值　出现的位置介于１．５Ｒ～３．ＯＲ之间，且油池直径越小，峰　值出现的位置越低。　４　结　论　［４］Ｂａｂｒａｕｓｋａｓ　Ｖ．Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｌａｒｇｅ　ｐｏｏｌ　ｆｉｒｅ　ｂｕｒｎｉｎｇ　ｒａｔｅｓ［Ｊ］．Ｆｉｒｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９８３，１９：２５１．　［５］Ｋｏｓｅｋｉ　Ｈ．Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｌｉｑｕｉｄ　ｐｏｏｌ　ｆｉｒｅｓ［Ｊ］．Ｆｉｒｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９８９，６：２４１—２５５．　［６］Ｈａｍｉｎｓ，Ｋｌａｓｓｅｎ　Ａ，Ｇｏｒｅ　Ｍ．Ｈｅａｔ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆｕｅｌ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｉｎ　ｐｏｏｌ　ｆｉｒｅｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９４，９７：３７—　６２．　［７］Ｃｈａｔｒｉｓ　Ｊ　Ｍ，Ｑｕｉｎｔｅｌａ　Ｊ，Ｆｏｌｃｈ　Ｊ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｂｕｒｎｉｎｇ　ｒａｔｅ　ｉｎ　ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ　ｐｏｏｌ　ｆｉｒｅｓ［Ｊ￣．Ｃｏｍｂｕｓｔ　Ｆｌａｍｅ，２００１，１２６：１３７３　笔者在前人的研究的基础上，采用混合组分燃烧模　型和有限体积辐射模型，通过液体表面蒸发模型对液态　燃料和火羽流进行耦合，利用ＣＦＤ软件ＦＤＳ分别对Ｄ：　０．２、０．３、０．６、１、２　ｍ的庚烷油池火进行模拟。研究其质　量损失速率、热释放速率随油池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，另　外给出了油池表面和外部的热辐射强度分布规律，并与　前人的实验结果进行对比，验证了利用ＣＦＤ模型模拟油　池火燃烧速率和热辐射的有效性，得出以下结论：　（１）在所研究的直径范围内，稳定燃烧时的热释放速　率（ＨＲＲ）和单位面积质量燃烧速率都随着直径的增大　而增大，模拟值较好地预测了后者的变化趋势，与实验值　的偏差在１Ｏ　以内。　（２）油池表面热辐射反馈强度的径向分布并不是同　一值，而是油池中心位置最大，离中心越远强度越小，其　中Ｄ＝３０　ｃｉｎ的油池模拟结果与Ｈａｍｉｎｓ的实验结果一　致。另外，随着油池直径的增大，油池表面热辐射反馈强　度明显增强。　（３）油池火焰中轴温度和ＨＲＲＰＵＶ随高度（Ｈ／Ｒ）　的增加先升高后减小，二者都随直径的增加而升高。峰　值温度在６ＯＯ～１　０００℃，其高度介于０．５Ｄ～１．５Ｄ，ＨＲ—　ＲＰＵＶ峰值的高度介于１．０Ｄ－－２．５Ｄ，位置较温度峰值　高，二者出现的无量纲高度都随直径的增大而略有降低。　（４）油池外部水平方向热辐射强度随着距油池中心　的无量纲距离（Ｌ／Ｒ）的增加而单调减小；在同一无量纲　距离处，其热辐射强度随油池直径的增大而增大。在垂　直方向，热辐射强度随着无量纲高度的增加而先增加后　减小，在Ｌ：３Ｒ处峰值出现的位置介于１．５Ｒ～３．０Ｒ之　间，且油池直径越小，峰值出现的无量纲高度越低。　参考文献：　口］范维澄，王清安，姜冯辉，等．火灾学简明教程［Ｍ］．合肥：中国科学　技术大学出版社，Ｉ　９９５．　［２］Ｅ　Ｐｌａｎａｓ—Ｃｕｅｈｉ，Ｈ　Ｅ　Ｍｏｎｔｉｅｌ，Ｃａｓａｌ　Ｊ．Ａ　ｓｕｒｖｅｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｒｉｇｉｎ，ｔｙｐｅ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅｓ　ｏｆ　ａｃｃｉｄｅｎｔｓ　ｉｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｐｌａｎｔｓ　ａｎｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｐｏｒ—　ｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈａｚａｒｄｏｕｓ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ＥＪ］．Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｓａｆｅｔｙ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，１９９７，７５（Ｂ１）：３—８．　［３］Ｈｏｔｔｅｌ　Ｈ　Ｃ．Ｃｅｒｔａｉｎ　ｔａｗｓ　ｇｏｖｅｒｎｉｎｇ　ｄｉｆｆｕｓｉｖｅ　ｂｕｒｎｉｎｇ　ｏｆ　ｌｉｑｕｉｄｓ［Ｊ］．　Ｆｉｒｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ａｂｓｔｒａｃｔｓ　ａｎｄ　Ｒｅｖｆｅｗｓ，１９５８。（１）．４１—４４．　消防科学与技术２０１１年１２月第３Ｏ卷第１２期　～１３８３．　［８］Ｓｉｎａｉ　Ｙ　Ｌ，Ｏｗｅｎｓ　Ｍ　Ｐ．Ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＣＦＤ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ｕｎｃｏｎｆｉｎｅｄ　ｐｏｏｌ　ｆｉｒｅｓ　ｗｉｔｈ　ｃｒｏｓｓ—ｗｉｎｄ：Ｆｌａｍｅ　ｇｅｏｍｅｔｒｙ［Ｊ］．Ｆｉｒｅ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｊｏｕｒ—　ｎａ１，１９９５，２４：１—３４．　ＣＦＤ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｂｕｒｎｉｎｇ　ｒａｔｅｓ　ａｎｄ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｏｐｅｎ　ｐｏｏｌ　ｆｉｒｅｓ　ＺＨＡＮＧ　Ｓｈｕｏ　，ＰＵ　Ｊｉｎ—ｙｕｎ　，　Ｊ　ＩＡＮＧ　Ｔａｏ。，ＬＩ　Ｄｏｎｇ—ｚｈｅｎ。　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｎａｖａｌ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ，Ｎａｖａｌ　Ｕｎｉ—　ｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｂｅｉ　Ｗｕｈａｎ　４３００３３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｄａｌｉａｎ　４２６　Ｆａｃｔｏｒｙ　Ｍｉｌｉｔａｒｙ　Ｄｅｐｕｔｙ　Ｏｆｆｉｃｅ　ｏｆ　ＰＬＡＮ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｄｅ—　ｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｄａｌｉａｎ　１１６００１，Ｃｈｉｎａ；３．Ｗｕｈａｎ　Ｍｉｌｉｔａｒｙ　Ｄｅｐｕｔｙ　Ｂｕｒｅａｕ　ｏｆ　ＰＬＡＮ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｈｕｂｅｉ　Ｗｕｈａｎ　４３００６４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｉｘｔｕｒｅ　ｆｒａｃｔｉｏｎ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｖｏｌｕｍｅ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｗｅｒｅ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｔｏ　ｓｅｔ　ｕｐ　ｏｐｅｎ　ｐｏｏｌ　ｆｉｒｅ　ｍｏｄｅｌ　ｗｉｔｈ　ｌｉｑｕｉｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｖａｐｏｒｉｚａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｉｒｅ　ｐｌｕｍｅ　ａｎｄ　ｌｉｑｕｉｄ　ｆｕｅｌ　ｐｏｏ１．Ｈｅｐｔａｎｅ　ｐｏｏｌ　ｆｉｒｅｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐｏｏｌ　ｄｉ—　ａｍｅｔｅｒｓ　ｗｅｒｅ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ＣＦＤ　ｍｅｔｈｏｄ，ｗｉｔｈ　ｅｍｐｈａｓｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｕｒｎｉｎｇ　ｒａｔｅｓ　ａｎｄ　ｈｅａｔ　ｒｅｌｅａｓｅ　ｒａｔｅｓ　ｗｉｔｈ　ｐｏｏｌ　ｄｉａｍｅｔｅｒｓ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｒｅ　ｐｌｕｍｅ　ｅｅｎｔｅｒｌｉｎｅ　ｔｅｍｐｅｒａ—　ｔｕｒｅ　ａｎｄ　ＨＲＲＰＵＶ　ｗａｓ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒａｄｉａｔｉｖｅ　ｈｅａｔ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｔ０　ｔｈｅ　ｐｏｏｌ　ｓｕｒｆａｃｅ．ｒａｄｉａｔｉｖｅ　ｈｅａｔ　ｆｌｕｘ　ｄｉｓｔｒｉｂｕ—　ｔｉｏｎ　ｉｎ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ａｎｄ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｏｕｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｏｌ　ｗｅｒｅ　ａｌｓｏ　ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｓ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｗａｓ　ｖａｌｉｄａｔｅｄ　ｂｙ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｉｔｈ　ｓｏｍｅ　ｐｒｅｖｉｏｕｓ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｏｏｌ　ｆｉｒｅ；ｏｐｅｎ　ｓｐａｃｅ；ｂｕｒｎｉｎｇ　ｒａｔｅｓ；ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｄｉｓ—　ｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ＣＦＤ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　作者简介：张　硕（１９８７一），男，海军工程大学船　舶与动力工程学院舰艇安全技术系博士研究生，主要　从事火灾仿真和性能化评估方面的研究，湖北省武汉　市矫口区，４３００３３。　收稿日期：２０１１—０８—２４　１１１３