工业厂房煤气泄漏火灾的模拟研究

摘 要：火灾模拟研究是现代火灾安全工程学研究的基础性方法。本文以工业厂房为研究对象，以火灾燃烧理论为基础，利用大型专业化计算流体力学软件FLUENT，对由煤气泄漏所引发的室内火灾发展过程进行了形象化数值模拟，得到火灾场景中不同物理量随时间的变化规律，为现实生活中火灾的防治和救援提供理论依据。本文的研究还在火灾安全教育、消防指挥、建筑性能化设计以及人员应急疏散等方面具有较强的应用价值。

关键词：工业厂房；煤气泄漏；火灾模拟；烟气流动

中图分类号：X92 文献标识码:A

1 概述

随着工业化发展的不断提高，工业用火、用电、用气和化学物品的应用也日益广泛，工业建筑物火灾的危险性和危害性大大增加，伴随而来的火灾发生的频率也越来越高，尤其在工业厂房内，一旦有火灾发生就会对人员的生命财产造成直接的危害，严重的情况下会导致巨大的人员伤亡和财产损失。

例如以简化的厂房空间为研究对象，借助大型专业化计算流体力学软件FLUENT, 对单室内由于煤气泄漏引起的火灾及烟气蔓延过程进行数值模拟，得到了火场中温度场和燃烧产物二氧化碳浓度场的直观显示，为人们了解火灾发生和发展的过程提供了新的方法和手段，也为工业建筑防火设计和消防安全评估提供了新的科学工具，是消防安全工程学和性能化设计的重要基础。

2本文设定的场景与几何建模

实验房间几何尺寸为长6.0m，宽3.3m，高4.5m，房间墙壁有一高1.2m，宽2.0m的窗户，窗户对面是一高2.0m，宽0.8m的房门，在一侧壁中央位置距地面高1.0m有一处煤气泄漏点，本文考虑的泄漏危险源是沿墙铺设的煤气汇流排管道有一处泄漏，形成直径为1cm的圆形泄漏喷口，泄漏流量为0.1413m3/h（即泄漏速度为0.5m/s），泄漏煤气的主要成分为甲烷。如图2.1所示为在GAMBIT几何建模软件中建立的实验房间几何模型。

2.1 实验房间几何模型

3建立数学物理模型

火灾的场模拟理论基础是基于质量守恒、动量守恒、能量守恒、化学组分平衡的微分方程，而场模拟的过程就是对这些方程组进行数值求解。然而这些方程组是不封闭的，为了使方程组封闭，就必须引入湍流的附加方程，然后借助计算机对封闭方程组进行求解，就可以得出火灾过程中各种参数的详细空间分布及其随时间的变化。

3.1湍流平均量方程

火灾中燃烧的湍流过程影响着整个流体的流动，要想求解方程组就必须正确处理湍流过程。计算湍流粘性系数Ut的方法就是所谓的湍流模型，湍流模型种类很多，本文引用应用范围较广的k-epslion双方程模型：

3.2边界条件

FLUENT软件包含了更为广泛的边界条件设置类型，本文仅结合所研究的实际问题进行讨论。

（1）流体进口边界条件：本文对于着火厂房设置了两个流体进口，一个是燃料进口，另一个是空气进口。其中甲烷的泄漏速度为0.5m/s，温度为300K；窗户进风速度始终为0.5m/s，温度300K。

（2）流体出口界面：本文场景中厂房的房门为出流口。

（3）壁面：本文的研究中采用绝热、无渗透、无滑移壁面。

4模拟结果及分析

数值模拟计算采用FLUENT软件进行，使用分离解方法。求解过程中，燃烧控制方程具有较好的收敛记录。

图4.1 60秒时温度等值线图

图4.2 60秒时CO2浓度等值线图

结果分析

高温烟气对人体的危害如果烟气层面高于人眼的特征高度时（人眼的特征高度通常为1.2～1.8m，一般取1.5m），其烟气层的热辐射强度就会伤害人，而当烟气层面低于人眼的特征高度时，对人的危害将是直接烧伤或由于吸入热气体而对呼吸系统的破坏。由60s时图4.1可以看出，房间窗户下沿1.8m处烟气温度已经达到180℃左右，此时可对人体造成辐射伤害，在房间中后部烟气高度已接近1.5m，将对人体构成直接伤害。所以，人置身于煤气泄漏的火场时，要在短时间内逃离，以防热烟气层的沉积造成高温烟气的辐射、灼伤而阻碍逃生。

CO2浓度在60秒时有明显的增长趋势。主要是厂房空间内原有的氧气和窗户的进风使煤气燃烧充分，生成较多的CO2，几乎在短时间内就弥漫了厂房的上半层空间，图4.2可以看出，厂房的大部分空间已经弥漫了浓度较高的CO2，并且在生成CO2的同时消耗了大量的氧气，CO2对人体的危害主要是窒息作用。

结论

采用专业化计算流体力学软件FLUENT对工业厂房的煤气泄漏火灾进行了模拟，把火灾数值模拟技术应用于实际，实现了火场中的物理量，如温度、生成物组分二氧化碳浓度随泄漏时间变化的直观显示，为厂房内危险区域的划分及灾害控制提供了参考依据，也为厂房结构空间的性能化设计和煤气泄漏火灾的防治提供了理论依据。

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