山東建筑大學  徐琳，郭紅會，陳佳樂，于孔飛，趙英浩

       【摘  要】為了準確的火災建模和排煙系統設計，了解火焰輻射分數是至關重要的。 最近的研究表明：對于庚烷池火災，輻射分數隨縱向通風速度的增加而減小。 然而，對于丙烷或液化石油氣引發隧道火災，縱向空氣速度和燃料流量對火焰輻射分數的影響尚未得到研究。 為了填補這一空白，本文利用多孔燃燒器在1/20縮尺試驗臺進行了多組燃燒實驗。提出以“背靠背圓臺”描述可見火焰形狀，根據固體火焰模型，建立火焰輻射預測模型，與實驗結果相比，具有80%的精度。計算得到試驗工況的輻射分數，并與文獻數據進行了對比分析。 詳細研究了縱向通風速度、燃料流量對火焰輻射分數的耦合效應，并分析了它們對排煙系統關鍵參數的影響。

ABSTRACT：Fires in tunnels have attracted special attention in recent years due to catastrophic ?res, which cause huge human and economic losses. For accurate fire modelling and ventilation system design, it is critical to understand the correct radiative fraction of the flame. Recent study has proved that Xr decreases with the increase of longitudinal air velocity in heptane pool fires. However, the impacts of longitudinal air velocity and fuel flow rate on flame radiative fraction in propane or liquefied petroleum gas tunnel fires have not been studied. To fill the gap, this paper conducts two sets of fire experiments in a 1/20 reduced-scale wind tunnel using a porous burner. Unique visible flame shapes are observed and described by the ‘back-to-back conical frustum’. In comparison with the experimental results, the radiation model using the proposed flame shape shows an 80% accuracy. The predictive radiative fractions of the tests are calculated and compared with other tests from literature. The coupling effects of longitudinal air velocity and fuel flow rate on the flame radiative fraction are studied in detail. And their influences on key parameters of smoke extraction system are analyzed. 

1. 引言

       由于結構密閉，隧道火災易引發災難后果，火災煙氣控制引發廣泛關注?；馂臒後尫潘俾蔘，特別是對流熱部分(Q_c=(1-X_r)Q)是一個關鍵技術參數，直接影響產煙量、臨界風速的確定。其中，X_r是火災輻射分數，工程設計中多參照無風環境下油池火數據，取常數0.2-0.4 ^[1-4]。事實上，隨著通風速度增大，火焰形狀、尺寸、光亮度發生明顯變化，X_r數值可能隨之發生變化^[5]。張等研究人員指出：對于中等大小、方形庚烷和丙酮池火，X_r隨著通風速度的增大而減小，且隨著池尺寸的減小，庚烷比丙酮的下降趨勢更為明顯^[6]。此外，以丙烷或液化石油氣為燃料的多孔燃燒器常作為火源，用于隧道火災縮尺實驗。如何在實驗中測量X_r，其數值隨縱向通風速度、燃料流量如何變化?  這些問題值得深入討論。

2. 理論分析

       輻射分數X_r可以計算如下：

          （1）

       其中，m_j 和?H_c是燃料質量流量、燃燒熱；η是燃燒效率。Q_r是火災輻射放熱量,難以直接測量，需要根據輻射模型進行計算。根據固體火焰輻射模型，熱流計處輻射通量計算如下^[7]：

       （2）

       其中，τ_hf是火焰與熱流計間空氣透過率，由于間距小于10m，τ_hf ≈1^[8]；F_hf-Af是熱流計處火焰輻射角系數；E_f是火焰表面平均輻射率；A_f是火焰表面積。公式（1）與（2）合并可得：

       （3）

3. 縮尺模型實驗分析

       （1）實驗臺介紹

        如圖1所示，針對某雙車道公路隧道，根據Fr相似準則，搭建1/20縮尺隧道模型試驗臺。地板上安裝兩個多孔燃燒器模擬火源，送風段和燃料進氣段設有流量調節及測量裝置，模擬不同的縱向通風速度、LPG流量，參數變化見表1。地板上布置4個輻射熱流傳感器，1-1斷面氣體采樣與氣體分析儀連接，監測燃燒產物O₂, CO, CO₂變化，實驗臺詳細參數設置參見文獻[9-10]，這里不再贅述。

圖1 縮尺模型實驗裝置 (單位：mm)
表 1 實驗參數變化范圍

       注：1.根據耗氧法測量火災熱釋放速率。 

       （2）輻射模型驗證

       利用MATLAB軟件對可見火焰形狀進行識別，并以火焰出現概率為0.5，標記火焰輪廓^[11]，文引入“背對背圓臺”模型描述可見火焰的形狀，見圖2。對于實驗1、2，以任意測點輻射熱流為基準，根據公式（3），可預測其他測點輻射熱流數值，其中角系數計算詳見文獻[9]。如圖3所示，理論預測與測量值吻合較好，多數預測值在測量值的±20%之內， 沒有預測值超出50%~150%的范圍。即，基于該幾何性狀描述的火焰輻射模型是準確的，可用于后續X_r計算。 

（a）實驗1火焰形狀                      （b）實驗2火焰形狀                       (c) “背靠背圓臺”火焰形狀描述
(Gj=112.7 l/h, vin=0.36m/s）         (Gj=111l/h，vin=0.37m/s）                                                                
圖2  典型實驗工況可見火焰形狀（立面圖）及幾何描述

圖3 輻射熱流預測值與測試值對比

4. 輻射分數

       （1）縱向通風速度、燃料流量對Xr的影響

       如圖4(a)所示，對于相同的燃料流量，火焰輻射分數隨著縱向通風速度的增加而減小。且隨著燃氣流量的增大，縱向通風速度的改變對輻射分數的影響呈增大趨勢。以G_j=161l/h為例，當風速從0.1m/s增加到0.36m/s，X_r值從0.45減小至0.1。 此時，Q_c將從0.55Q增加到0.9Q，排煙系統的一些關鍵參數也會同時增大，見表2。與文獻中常用X_r數值0.3相比，X_r=0.1意味著上述參數將低估8%-15.4%，對于X_r =0.45情況，參數則會高估8.3%-17.5%。

   
圖4 輻射分數、燃燒效率隨縱向通風速度、燃氣流量的變化（實驗1）

       此外，燃料流量對輻射分數的影響表現為兩種情況:v_in>0.22m/s時，輻射分數與燃料流量無關; 當v_in <0.12m/s，隨著燃氣流量增加，輻射分數顯著增加， 高Xr潛在原因是燃燒效率較低。本文根據耗氧法計算得到實驗1火源燃燒效率，其隨風速、燃氣流量變化見圖4（b）?？紤]到取樣斷面存在一定自然分層，進而造成O₂、CO、CO₂的取樣濃度降低，導致火災熱釋放速率、燃燒效率預測偏低。但是，燃燒效率隨縱向通風速度的變化是不容忽視的。隨著v_in增大，η變化趨勢與X_r相反，即在縱向通風速度較小時，輻射分數數值可能會更大。

表2 火災排煙系統關鍵參數隨輻射分數的變化

       注: 1. Q_c=(1-X_r)Q，假定熱釋放速率 Q不變。 2. 下標 ‘1’, ‘2’ and ‘3’ 對應 X_r=0.45/0.1/0.3。

       （2）實驗關聯式的擬合

       考慮到實驗中火焰擴散的物理本質與橫風作用下放散火炬擴散情況類似，本文進一步參照已有文獻數據處理方法^[13]，將實驗測試結果整理回歸得到適于工程應用的關聯式，見公式（4），工程師可以快速地估算出不同燃氣流量，通風速度下X_r，用于隧道火災排煙系統設計。如圖5所示，擬合實驗關聯曲線與橫風作用下放散火炬實驗變化趨勢吻合^[13-14]。

       （4）

       R²=0.93

       其中，m_j是燃氣流量，kg/s; v_in是縱向通風速度，m/s。

圖5 輻射分數擬合曲線隨v_in和m_j的變化

5 結論

       本文在1/20縮尺模型隧道中進行了多組隧道火災試驗，對縱向通風速度、燃氣流量對輻射分數的影響展開討論，結論如下：(1)提出了一種“背靠背圓臺”形狀描述多孔燃燒器可見火焰形狀。與實驗結果相比，基于該火焰形狀描述的輻射模型具有80%以上的精度。 (2) X_r隨縱向通風速度的增加而減小，且較大燃氣流量時X_r數值變化遠大于較小燃氣流量情況。(3) X_r與通常假定常數值偏差較大，將影響排煙系統的可靠性。表2中列出的關鍵參數在X_r=0.1情況下被低估8%-15.4%，在X_r=0.45的情況下被高估8.3%-17.5%。 (4)當v_in>0.22m/s時，輻射分數與燃料流量無關; 當v_in <0.12m/s時，隨著燃氣流量的增加，輻射分數顯著增加。

參考文獻

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       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2021年10月刊 總第48期（第二十二屆全國通風技術學術年會論文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。