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摘 要：本文利用火灾动力学模拟软件(FDS)软件对油池火灾中火羽流特性进行了模拟分析。并采用Heskestad提出的计算方法，对火羽流的虚点源、火焰高度、火羽流中心线上的平均温度以及平均速度等进行了计算。并与基于实验的McCaffrey模型进行对比分析了火羽流中心线上的平均温度，并将数值模拟结果和理论预测值进行比较。从中可以发现，模拟的结果在趋势上和理论计算是相一致的，但是也呈现了一定的差别。
关键词：油池火灾 羽流中心线温度 数值模拟
0 引言
火羽流是火灾的初始基本形态,在竖直方向上,火羽流可分为3个较为明显的区域,即连续火焰区、间歇火焰区和浮力羽流区。羽流中心线温度和羽流中心线速度是火羽流的重要特征参数,因而一直是人们关注和研究的热点。目前，许多学者对此做了大量的实验研究[1-8]，其中McCaffrey[2]通过实验将羽流中心线上的平均温度随高度的变化和平均速度随高度的变化分为了三个区域，即稳定火焰区、间歇火焰区和浮力羽流去。并且随着随着经济的发展，现有的消防规范无法适应现代的各种特殊建筑，性能化建筑防火分析与设计应运而生，（Fire Dynamics Simulator）作为建筑火灾发展过程计算模拟的主要工具，也得到了越来越广泛的应用。本文通过采用模拟油池火，并将模拟的结果和McCaffrey模型进行对比分析，主要分析了火焰中心线上的平均温度和平均速度。
2 理论基础
2.1 虚点源
Heskestad的理论模型中认为虚点源的表达式为
式中，D为火源直径或当量直径，m;Q为火源的热释放速率，KW。
2.2 自由扩散火焰的平均火焰高度
间歇性函数I(z)的值随着高度的增大而由恒定值I逐渐减少，最终为零。平均火焰高度指的是间歇性函数I(z)的值降为0.5时所对应的可燃物表面以上的火焰高度。Heskestad等分析了多种来源的实验数据，给出了如下描述无量纲火焰高度表达式为：
对于标准状态下的火焰高度表达式为
(3)
式中L、D的单位为m；的单位为KW。上式的适用范围为7<700K。
2.3 自由扩散羽流中心线上平均温度
许多学者对火焰上方的浮力羽流进行了实验研究，发现中心线上的平均温度和平均速度遵循下列关系。
不同热释放速率下火焰中心线上的温度和垂直速度的实验值与理论值对比图如图1和图2所示。
3 FDS模拟计算
3.1 数值模拟
随着计算机技术的快速发展，数值模拟技术也随之不断的发展。由于隧道火灾的实验研究过程受限，要进行全尺寸实验或缩小尺寸的模型实验都需要消耗大量的人力和物力，进而使得数值模拟技术在隧道火灾方面的应用也越来越广，为隧道火灾的研究提供了一种有效的方法。目前主要的火灾发展模型有区域模拟、网络模拟和场模拟。本文中采用5.0来实现对隧道火灾的模拟。其中5.0为美国国家标准研究所（NIST：National Institute of Standards and Technology）建筑火灾研究实验室（Building and Fire Research Laboratory）开发的模拟火灾中流体运动的计算流体动力学软件。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的NS方程，重点计算火灾中的烟气和热传递过程。
3.2 计算模型
如图3所示，本文中采用的火源为0.4×0.4m的正方形火源，单位面积火源单位面积火源功率分布取57.5KW。计算区域为1.8×1.8×3.0m，火源位于计算区域底部中心，尺寸为0.4×0.4×0.1m，网格大小为0.02m。计算时间为90s，结果取10~90s的平均值。顶部与四周均为开口，环境风速为0。
即虚点源位于可燃物表面下方0.2574m的位置。
火焰高度采用计算公式
结合FDS的温度分布图如图 可以看出，计算出来的火焰高度和模拟的火焰高度几乎一致。
4.2 羽流中心线温度分布
按照火羽流中心线上平均温度与环境温度之差随高度的变化的计算公式为：
其中Z为0到3m，为对流热流量，假设=0.7Q=6.44KW，=-0.2574m,T单位为℃。采用matlab编程可以得到火羽流中心线上的平均温度分布图，如图6所示。其中图4、5为FDS模拟的羽流中心线上的平均温度分布图。通过理论计算和数值分析可以看出在火焰的上方随着高度的增高，羽流中心线上的温度有所降低。由FDS模拟的情况和理论模型计算的情况大致相同。只是通过理论计算的最大温度大于FDS模拟的温度，通过FDS模拟的最大温度为597.920C，而理论模型计算的最大温度为8100C.这可能是由于模拟中还存在一些影响因素在模拟的过程中还没有加以考虑。
7火羽流中心线上平均温度随高度的变化
4.3 羽流中心线速度分布
火羽流中心线上的平均速度随高度的变化的计算公式为:
其中Z为0到3m，为对流热流量，假设=0.7Q=6.44KW，=-0.2574m,T单位为℃。采用matlab编程可以得到火羽流中心线上的平均温度分布图，如图10所示。其中图8、9为FDS模拟的羽流中心线上的平均速度分布图。通过理论计算和数值分析可以看出在火焰的上方随着高度的增高，羽流中心线上的速度有所降低。FDS模拟的结果表面在羽流区间先是速度有所增加，接着速度开始随着高度的增加而降低。
将数值模拟的结果，通过无量纲化可以得出火羽流中心线上平均温度随高度的变化图，如图7所示。其中横坐标采用，纵坐标为，均采用对数坐标轴。可以看出与温度分布类似，火焰结构也可以大致分为三个区域：连续区、间隙区和羽流区，由于油池火燃烧的过程中是需要考虑很多因素的，但是在FDS中并未全部考虑进去，所以模拟的情况和真实值还是存在一定的差值。
5 结论
通过利用火灾动力学模拟软件(FDS)软件对油池火灾中火羽流特性进行了模拟分析。采用Heskestad提出的计算方法，对火羽流的虚点源、火焰高度、火羽流中心线上的平均温度以及平均速
度等进行了计算发觉计算的平均火焰高度和模拟的结果基本一致，羽流中心线上的温度随高度的分布和羽流中心线上的速度随高度的分布和FDS模拟的趋势是一致的，但是理论情况中的羽流中心线上的最大温度比FDS模拟的结果更大一些。与此同时与基于实验的McCaffrey模型进行对比分析了火羽流中心线上的平均温度和平均速度随高度的变化，发觉同样呈现出三个区域即稳定火焰区、间歇火焰区和浮力羽流区。
参考文献:
[1] Hasemi Y,NishataM.Fuel shape effect on the deterministic properties of turbulent diffusion flames [C]/ /Proceeding of the Second International Symposium,Fire Safety Science.1989:275-284.
[2] McCaffrey B J.Purely Buoyant Diffusion Flames:Some Experimental Results[M].Washington DC:National Bureau of Standards,1979.
[3] 霍然,胡源,李元洲.建筑火灾安全工程导论[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1999.
[4] Karlsson B,Quintiere J G.Enclosure Fire Dynamics [M].Florida:CRC Press LLC,2000.
[5] Heskestad G.Fire Plume SFPE Handbook of Fire Protection Engineering[M]. Massachusetts:National Fire Protection Association,1995.
[6] 陈志斌,胡隆华,霍然等.基于图像亮度统计分析火焰高度特征[J].燃烧科学与技术,2008, 14(6):557-561
[7] DavisWilliam D.Comparison of Algorithms to Calculate Plume Centerline Temperature and Ceiling Jet Temperature with Experiments [M].Washington DC:National Bureau of Standards,1979.
[8] 程远平,陈亮,张孟君.火灾过程中羽流模型及其评价[J].火灾科学, 2002,11(3):132-136
[9] NFPA Fire Protection Handbook,Smoke movement in buildings[M].18.Auflag,Boston 1997.
[10] 李元州.中庭式大空间建筑火灾烟气流动与控制研究[D].中国科学技术大学博士学位论文,2001.
关键词：油池火灾 羽流中心线温度 数值模拟
0 引言
火羽流是火灾的初始基本形态,在竖直方向上,火羽流可分为3个较为明显的区域,即连续火焰区、间歇火焰区和浮力羽流区。羽流中心线温度和羽流中心线速度是火羽流的重要特征参数,因而一直是人们关注和研究的热点。目前，许多学者对此做了大量的实验研究[1-8]，其中McCaffrey[2]通过实验将羽流中心线上的平均温度随高度的变化和平均速度随高度的变化分为了三个区域，即稳定火焰区、间歇火焰区和浮力羽流去。并且随着随着经济的发展，现有的消防规范无法适应现代的各种特殊建筑，性能化建筑防火分析与设计应运而生，（Fire Dynamics Simulator）作为建筑火灾发展过程计算模拟的主要工具，也得到了越来越广泛的应用。本文通过采用模拟油池火，并将模拟的结果和McCaffrey模型进行对比分析，主要分析了火焰中心线上的平均温度和平均速度。
2 理论基础
2.1 虚点源
Heskestad的理论模型中认为虚点源的表达式为
式中，D为火源直径或当量直径，m;Q为火源的热释放速率，KW。
2.2 自由扩散火焰的平均火焰高度
间歇性函数I(z)的值随着高度的增大而由恒定值I逐渐减少，最终为零。平均火焰高度指的是间歇性函数I(z)的值降为0.5时所对应的可燃物表面以上的火焰高度。Heskestad等分析了多种来源的实验数据，给出了如下描述无量纲火焰高度表达式为：
对于标准状态下的火焰高度表达式为
(3)
式中L、D的单位为m；的单位为KW。上式的适用范围为7<700K。
2.3 自由扩散羽流中心线上平均温度
许多学者对火焰上方的浮力羽流进行了实验研究，发现中心线上的平均温度和平均速度遵循下列关系。
不同热释放速率下火焰中心线上的温度和垂直速度的实验值与理论值对比图如图1和图2所示。
3 FDS模拟计算
3.1 数值模拟
随着计算机技术的快速发展，数值模拟技术也随之不断的发展。由于隧道火灾的实验研究过程受限，要进行全尺寸实验或缩小尺寸的模型实验都需要消耗大量的人力和物力，进而使得数值模拟技术在隧道火灾方面的应用也越来越广，为隧道火灾的研究提供了一种有效的方法。目前主要的火灾发展模型有区域模拟、网络模拟和场模拟。本文中采用5.0来实现对隧道火灾的模拟。其中5.0为美国国家标准研究所（NIST：National Institute of Standards and Technology）建筑火灾研究实验室（Building and Fire Research Laboratory）开发的模拟火灾中流体运动的计算流体动力学软件。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的NS方程，重点计算火灾中的烟气和热传递过程。
3.2 计算模型
如图3所示，本文中采用的火源为0.4×0.4m的正方形火源，单位面积火源单位面积火源功率分布取57.5KW。计算区域为1.8×1.8×3.0m，火源位于计算区域底部中心，尺寸为0.4×0.4×0.1m，网格大小为0.02m。计算时间为90s，结果取10~90s的平均值。顶部与四周均为开口，环境风速为0。
即虚点源位于可燃物表面下方0.2574m的位置。
火焰高度采用计算公式
结合FDS的温度分布图如图 可以看出，计算出来的火焰高度和模拟的火焰高度几乎一致。
4.2 羽流中心线温度分布
按照火羽流中心线上平均温度与环境温度之差随高度的变化的计算公式为：
其中Z为0到3m，为对流热流量，假设=0.7Q=6.44KW，=-0.2574m,T单位为℃。采用matlab编程可以得到火羽流中心线上的平均温度分布图，如图6所示。其中图4、5为FDS模拟的羽流中心线上的平均温度分布图。通过理论计算和数值分析可以看出在火焰的上方随着高度的增高，羽流中心线上的温度有所降低。由FDS模拟的情况和理论模型计算的情况大致相同。只是通过理论计算的最大温度大于FDS模拟的温度，通过FDS模拟的最大温度为597.920C，而理论模型计算的最大温度为8100C.这可能是由于模拟中还存在一些影响因素在模拟的过程中还没有加以考虑。
7火羽流中心线上平均温度随高度的变化
4.3 羽流中心线速度分布
火羽流中心线上的平均速度随高度的变化的计算公式为:
其中Z为0到3m，为对流热流量，假设=0.7Q=6.44KW，=-0.2574m,T单位为℃。采用matlab编程可以得到火羽流中心线上的平均温度分布图，如图10所示。其中图8、9为FDS模拟的羽流中心线上的平均速度分布图。通过理论计算和数值分析可以看出在火焰的上方随着高度的增高，羽流中心线上的速度有所降低。FDS模拟的结果表面在羽流区间先是速度有所增加，接着速度开始随着高度的增加而降低。
将数值模拟的结果，通过无量纲化可以得出火羽流中心线上平均温度随高度的变化图，如图7所示。其中横坐标采用，纵坐标为，均采用对数坐标轴。可以看出与温度分布类似，火焰结构也可以大致分为三个区域：连续区、间隙区和羽流区，由于油池火燃烧的过程中是需要考虑很多因素的，但是在FDS中并未全部考虑进去，所以模拟的情况和真实值还是存在一定的差值。
5 结论
通过利用火灾动力学模拟软件(FDS)软件对油池火灾中火羽流特性进行了模拟分析。采用Heskestad提出的计算方法，对火羽流的虚点源、火焰高度、火羽流中心线上的平均温度以及平均速
度等进行了计算发觉计算的平均火焰高度和模拟的结果基本一致，羽流中心线上的温度随高度的分布和羽流中心线上的速度随高度的分布和FDS模拟的趋势是一致的，但是理论情况中的羽流中心线上的最大温度比FDS模拟的结果更大一些。与此同时与基于实验的McCaffrey模型进行对比分析了火羽流中心线上的平均温度和平均速度随高度的变化，发觉同样呈现出三个区域即稳定火焰区、间歇火焰区和浮力羽流区。
参考文献:
[1] Hasemi Y,NishataM.Fuel shape effect on the deterministic properties of turbulent diffusion flames [C]/ /Proceeding of the Second International Symposium,Fire Safety Science.1989:275-284.
[2] McCaffrey B J.Purely Buoyant Diffusion Flames:Some Experimental Results[M].Washington DC:National Bureau of Standards,1979.
[3] 霍然,胡源,李元洲.建筑火灾安全工程导论[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1999.
[4] Karlsson B,Quintiere J G.Enclosure Fire Dynamics [M].Florida:CRC Press LLC,2000.
[5] Heskestad G.Fire Plume SFPE Handbook of Fire Protection Engineering[M]. Massachusetts:National Fire Protection Association,1995.
[6] 陈志斌,胡隆华,霍然等.基于图像亮度统计分析火焰高度特征[J].燃烧科学与技术,2008, 14(6):557-561
[7] DavisWilliam D.Comparison of Algorithms to Calculate Plume Centerline Temperature and Ceiling Jet Temperature with Experiments [M].Washington DC:National Bureau of Standards,1979.
[8] 程远平,陈亮,张孟君.火灾过程中羽流模型及其评价[J].火灾科学, 2002,11(3):132-136
[9] NFPA Fire Protection Handbook,Smoke movement in buildings[M].18.Auflag,Boston 1997.
[10] 李元州.中庭式大空间建筑火灾烟气流动与控制研究[D].中国科学技术大学博士学位论文,2001.