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摘 要：本文采用基于大涡模拟的数值模拟软件FDS（Fire Dynamics Simulator）作为计算平台，对直径为22m的浮顶油罐火灾进行了模拟。通过使用不同网格精度的模拟结果进行对比分析，发现网格粗时，计算结果偏低，计算的误差很大，当网格精密到一定程度以后，可以得到跟真实值相近的解，网格太精密需求非常多的计算机资源，所以对大场景的浮顶油罐火灾进行模拟时需要先进行网格独立性分析。分析对浮顶油罐火灾的模拟结果，并结合热辐射破坏准则，探讨了我国相应的消防法规对防火间距规定的合理性，并与一些发达国家的规定进行了对比，并通过计算给出了合理的防火间距。
关键字：浮顶油罐火灾，网格独立性，FDS模型，热辐射强度，防火间距
1.1 物理模型的建立
直径为22m的浮顶油罐，高15m，可存储5000m3的原油。其罐壁与密封圈的宽度为1.33m，密封圈挡板高度为0.91m。
由此可计算出，对于此浮顶油罐，开始发生火灾时，着火面积可以通过计算得出 。
使用Pyrosim建立物理模型如下图所示：
考虑到拓展区域对计算结果的影响以及计算机资源的限制，计算区域确定为40m×120m×60m。分别在油罐中心上方和环状火焰上方18m、20m、30m、40m和50m高度出设有热辐射监控点。在L/D=0.9、1.0、1.1、1.5、2.5、3.5、4.5处，高度为10m、15m和17m处分别设有热辐射监控点。
1. 2 热物性参数及边界条件设置
1. 火源功率：环状火源的面积为 ， 可以近似认为等效于直径10.5m的油池，根据公式3.1可及计算出，单位面积的热释放速率为2.074MW，则火源功率约为180MW。本文主要研究油罐火灾持续稳定燃烧对相邻油罐安全性的影响，所以在进行模拟时并未考虑油罐火灾的发展阶段，故热释放速率从模拟开始就按照一恒定值来给定。
2. 环境参数：环境温度为20oC，标准大气压，没有风速，相对湿度40%。
3. 炭黑比：按照经验取为0.1。
4. 辐射百分数：根据经验公式 时，
日本学者测得20m直径的油罐辐射百分数为0.16，则可以计算得出，辐射百分数约为22%。
5. 网格划分：根据公式
火源附近的网格尺寸需取 ，即网格尺寸为0.2m～0.4m，距离火源较远的位置最大网格尺寸可以取至2m。为了要对场景进行全尺寸的网格独立性分析，分别划分了一下几种网格尺寸：1）网格尺寸1m；2）网格尺寸0.5m；3）火源附近网格尺寸0.4m，距离火源较远的位置网格尺寸0.8m；4）火源附近网格尺寸0.25m，距离火源位置较远位置网格尺寸0.5m；5）火源附近网格尺寸0.2m，距离火源较远位置网格尺寸为0.4m。
6. 热物性参数：罐体材料为钢，钢的导热系数为49.8W/m*K，比热容为0.47kJ/kg*K，热扩散率为1.77E-5，材料厚度为0.1m； 地面材料为混凝土，其导热系数为1.0W/m*K，比热容为0.8kJ/kg*K，热扩散率为5.7E-7，材料厚度为0.2m。
1.3 全尺寸模型网格独立性分析
1. 不同网格尺寸下x=0截面上的温度分布比较
3. 对比结果分析
从图1.2～图1.6可以看出，对于计算结果中x=0平面上温度分布而言，当网格尺寸采取为1m时，计算得出的温度在300oC以下；随着网格的逐渐加密，火源附近网格尺寸取为0.5m和0.4m时，求得的火焰温度只有350～500oC之间，相比火焰的真实温度偏低很多；当火源附近网格划分为0.25m时，火焰温度接近600oC，有了显著的提升；当火源附近网格划分至0.2m时，计算出来的火焰温度可达900oC，跟实际的火焰温度接近。根据公式1.1求得的合理的网格尺寸大约为0.2m～0.4m，可以看出当火源附近网格划分至0.2m时，计算求得的结果比较可靠。
FDS所采用的网格为规则的六面体网格，当计算区域内的障碍物尺寸不足一个网格时，FDS会默认将其拉伸或者收缩至临近的网格边界，根据障碍物尺寸在网格内占有的百分比确定。本文研究的浮顶油罐火灾燃烧区域为个环状区域，宽度为1.33m，当网格尺寸相对较大时，会对本来设置好的火源面积造成一定的影响，计算时的火源面积可能变大也有可能缩小，则计算的热释放速率跟设定的热释放速率有一定的误差。所以，在划分火源附近网格的时候，尽量将网格尺寸选取的小一些。
从图1.7中油罐顶部10m处的热辐射监测点测量的结果可以看出，当网格尺寸较粗的时候，检测点测量的结果波动幅度较大，而且计算求得的数据也偏低很多；随着网格的逐渐加密，这种波动幅度慢慢变小，当网格划分至0.2m时，计算的热辐射通量基本趋于一个稳定值。根据实验测得：汽油火焰表面的热辐射强度约为97.2kW/m2，柴油火焰表面的热辐射强度约为73 kW/m2，乙醇火焰的约为68 kW/m2。由于空气卷席的原因，环状火焰向油罐中心靠拢，从x=0截面的温度分布也可以明显的看出。当网格划分为0.2m时，油罐罐壁上方3m处测得的热辐射通量约为30 kW/m2。
综上所述，对直径为22m的浮顶油罐环状火灾计算时，采取的网格尺寸为0.2m。
1.4 计算结果
火源的热释放速率曲线如下：
1.8浮顶油罐环状火焰燃烧热释放速率曲线
通常我们对火灾进行模拟时，将温度在300oC以上的区域视为火焰区，22m浮顶油罐环状火焰x=0截面上火焰轮廓如下：
距离油罐0.4D处10m、15m和17m高度上热辐射强度曲线图如下：
可以看出，H/D=0.9处，17m高度处热辐射强度大约为8.5kW/m2，15m处约为5kW/m2，而地面处的热辐射强度很小。下图给出高度17m处，热辐射强度随距离变化曲线：
1.5 小结
对于大直径的浮顶油罐而言，只发生环状火焰燃烧时，如果有足够可靠的消防设备条件，是完全可以扑灭的，这也是扑救大直径浮顶油罐火灾的黄金时期。如果相邻的建筑和有关有足够的存水量，进行及时冷却是可以完全可以进行保护的。从这点出发，建筑物和油罐、油罐和油罐之间的防火间距应该考虑缩小。但是从过内外的油罐火灾案例来看，往往还伴随着爆炸、原油沸溢和浮顶盖被烧毁，变成敞口油罐火灾，甚至原油沸溢而造成整个防火堤内都变成火源，火源面积大大增加，如此以来，建筑和油罐，油罐和油罐之间的防火间距还需要合理的去考虑。
关键字：浮顶油罐火灾，网格独立性，FDS模型，热辐射强度，防火间距
1.1 物理模型的建立
直径为22m的浮顶油罐，高15m，可存储5000m3的原油。其罐壁与密封圈的宽度为1.33m，密封圈挡板高度为0.91m。
由此可计算出，对于此浮顶油罐，开始发生火灾时，着火面积可以通过计算得出 。
使用Pyrosim建立物理模型如下图所示：
考虑到拓展区域对计算结果的影响以及计算机资源的限制，计算区域确定为40m×120m×60m。分别在油罐中心上方和环状火焰上方18m、20m、30m、40m和50m高度出设有热辐射监控点。在L/D=0.9、1.0、1.1、1.5、2.5、3.5、4.5处，高度为10m、15m和17m处分别设有热辐射监控点。
1. 2 热物性参数及边界条件设置
1. 火源功率：环状火源的面积为 ， 可以近似认为等效于直径10.5m的油池，根据公式3.1可及计算出，单位面积的热释放速率为2.074MW，则火源功率约为180MW。本文主要研究油罐火灾持续稳定燃烧对相邻油罐安全性的影响，所以在进行模拟时并未考虑油罐火灾的发展阶段，故热释放速率从模拟开始就按照一恒定值来给定。
2. 环境参数：环境温度为20oC，标准大气压，没有风速，相对湿度40%。
3. 炭黑比：按照经验取为0.1。
4. 辐射百分数：根据经验公式 时，
日本学者测得20m直径的油罐辐射百分数为0.16，则可以计算得出，辐射百分数约为22%。
5. 网格划分：根据公式
火源附近的网格尺寸需取 ，即网格尺寸为0.2m～0.4m，距离火源较远的位置最大网格尺寸可以取至2m。为了要对场景进行全尺寸的网格独立性分析，分别划分了一下几种网格尺寸：1）网格尺寸1m；2）网格尺寸0.5m；3）火源附近网格尺寸0.4m，距离火源较远的位置网格尺寸0.8m；4）火源附近网格尺寸0.25m，距离火源位置较远位置网格尺寸0.5m；5）火源附近网格尺寸0.2m，距离火源较远位置网格尺寸为0.4m。
6. 热物性参数：罐体材料为钢，钢的导热系数为49.8W/m*K，比热容为0.47kJ/kg*K，热扩散率为1.77E-5，材料厚度为0.1m； 地面材料为混凝土，其导热系数为1.0W/m*K，比热容为0.8kJ/kg*K，热扩散率为5.7E-7，材料厚度为0.2m。
1.3 全尺寸模型网格独立性分析
1. 不同网格尺寸下x=0截面上的温度分布比较
3. 对比结果分析
从图1.2～图1.6可以看出，对于计算结果中x=0平面上温度分布而言，当网格尺寸采取为1m时，计算得出的温度在300oC以下；随着网格的逐渐加密，火源附近网格尺寸取为0.5m和0.4m时，求得的火焰温度只有350～500oC之间，相比火焰的真实温度偏低很多；当火源附近网格划分为0.25m时，火焰温度接近600oC，有了显著的提升；当火源附近网格划分至0.2m时，计算出来的火焰温度可达900oC，跟实际的火焰温度接近。根据公式1.1求得的合理的网格尺寸大约为0.2m～0.4m，可以看出当火源附近网格划分至0.2m时，计算求得的结果比较可靠。
FDS所采用的网格为规则的六面体网格，当计算区域内的障碍物尺寸不足一个网格时，FDS会默认将其拉伸或者收缩至临近的网格边界，根据障碍物尺寸在网格内占有的百分比确定。本文研究的浮顶油罐火灾燃烧区域为个环状区域，宽度为1.33m，当网格尺寸相对较大时，会对本来设置好的火源面积造成一定的影响，计算时的火源面积可能变大也有可能缩小，则计算的热释放速率跟设定的热释放速率有一定的误差。所以，在划分火源附近网格的时候，尽量将网格尺寸选取的小一些。
从图1.7中油罐顶部10m处的热辐射监测点测量的结果可以看出，当网格尺寸较粗的时候，检测点测量的结果波动幅度较大，而且计算求得的数据也偏低很多；随着网格的逐渐加密，这种波动幅度慢慢变小，当网格划分至0.2m时，计算的热辐射通量基本趋于一个稳定值。根据实验测得：汽油火焰表面的热辐射强度约为97.2kW/m2，柴油火焰表面的热辐射强度约为73 kW/m2，乙醇火焰的约为68 kW/m2。由于空气卷席的原因，环状火焰向油罐中心靠拢，从x=0截面的温度分布也可以明显的看出。当网格划分为0.2m时，油罐罐壁上方3m处测得的热辐射通量约为30 kW/m2。
综上所述，对直径为22m的浮顶油罐环状火灾计算时，采取的网格尺寸为0.2m。
1.4 计算结果
火源的热释放速率曲线如下：
1.8浮顶油罐环状火焰燃烧热释放速率曲线
通常我们对火灾进行模拟时，将温度在300oC以上的区域视为火焰区，22m浮顶油罐环状火焰x=0截面上火焰轮廓如下：
距离油罐0.4D处10m、15m和17m高度上热辐射强度曲线图如下：
可以看出，H/D=0.9处，17m高度处热辐射强度大约为8.5kW/m2，15m处约为5kW/m2，而地面处的热辐射强度很小。下图给出高度17m处，热辐射强度随距离变化曲线：
1.5 小结
对于大直径的浮顶油罐而言，只发生环状火焰燃烧时，如果有足够可靠的消防设备条件，是完全可以扑灭的，这也是扑救大直径浮顶油罐火灾的黄金时期。如果相邻的建筑和有关有足够的存水量，进行及时冷却是可以完全可以进行保护的。从这点出发，建筑物和油罐、油罐和油罐之间的防火间距应该考虑缩小。但是从过内外的油罐火灾案例来看，往往还伴随着爆炸、原油沸溢和浮顶盖被烧毁，变成敞口油罐火灾，甚至原油沸溢而造成整个防火堤内都变成火源，火源面积大大增加，如此以来，建筑和油罐，油罐和油罐之间的防火间距还需要合理的去考虑。