固体可燃物热解与空间火蔓延相互作用的大涡模拟 (2008年)

为了能较为真实地描述火灾过程，采用固体可燃物热解动力学模型与大涡模拟方法，对多室内聚氨酯泡沫(PUF)板热解与空间火蔓延的相互作用进行了数值模拟。计算出了PUF板在外部热流作用下的瞬时质量变化速率，结果与实验相符合，计算得到的着火房间内烟气温度随时间的变化也与实验结果相符合。受空间火蔓延的影响，PUF板上表面的热流密度分布是不均匀的。PUF板的热解和形状改变先是从热流密度较高的板中心处开始，逐渐向周围扩展和蔓延，其热解和消耗也不是对称的。 ### 固体可燃物热解与空间火蔓延相互作用的大涡模拟 #### 摘要及背景 本文探讨了一种结合固体可燃物热解动力学模型与大涡模拟方法来模拟多室内聚氨酯泡沫（PUF）板热解与空间火蔓延相互作用的研究。这种模拟旨在更真实地描述火灾过程中的物理现象。聚氨酯泡沫作为一种常见的建筑用可燃材料，在火灾中扮演着重要角色。通过对PUF板在外部热流作用下的热解过程进行模拟，可以更好地理解其热解速率以及由此引发的空间火蔓延模式。 #### PUF热解动力学模型 PUF是一种由碳、氢、氧和氮元素组成的聚合物。其燃烧过程主要包括热解和残余物反应两个阶段。在热解阶段，PUF分解产生可燃气体；而在残余物反应阶段，则涉及到固体残留物的进一步氧化。文献中已有多种针对PUF热解过程的动力学模型，但本研究提出了一种新的动力学模型，该模型考虑了PUF表面氧化的动态过程，并给出了PUF热解过程中表面氧化的动力学方程： \[ \frac{ds}{dt} = A'c^\eta(\rho Y_{ox})\exp\left(-\frac{E}{RT_s}\right) \] 其中： - \( \frac{ds}{dt} \) 表示因失重引起的PUF表面移动速率； - \( c^\eta(\eta) \) 表示与反应物浓度相关的动力学函数，其中 \( c^\eta(\eta) = \frac{1}{\eta} \) ，\( \eta \) 为PUF转化为气体的质量分数； - \( \rho \) 为空气密度； - \( Y_{ox} \) 为PUF表面的氧气质量分数； - \( T_s \) 为PUF表面温度； - \( E \) 和 \( R \) 分别表示激活能和理想气体常数； - \( A' \) 为预指数因子。 #### 大涡模拟方法 大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）是一种数值模拟方法，用于模拟湍流流动中的大尺度结构，而将小尺度湍流作为亚格子模型处理。在火灾模拟中，LES能够捕捉到火焰蔓延、烟气扩散等关键物理现象，从而提供更为准确的预测结果。通过与固体可燃物热解动力学模型相结合，LES能够实现对火灾过程中PUF板热解和空间火蔓延相互作用的高精度模拟。 #### 数值模拟结果 1. **质量变化速率**：模拟结果表明，在外部热流的作用下，PUF板的质量变化速率与实验结果吻合良好，这验证了所采用模型的有效性。 2. **烟气温度变化**：模拟还成功再现了着火房间内烟气温度随时间的变化趋势，进一步证实了模型的准确性。 3. **热流密度分布**：研究表明，受空间火蔓延的影响，PUF板上表面的热流密度分布呈现不均匀性。具体而言，热解和形状改变首先从热流密度较高的板中心处开始，然后逐渐向周围扩展，这一过程不是对称的。 #### 结论 通过结合固体可燃物热解动力学模型与大涡模拟方法，本研究成功模拟了多室内聚氨酯泡沫板热解与空间火蔓延之间的相互作用。该方法不仅能够准确预测PUF板在外部热流作用下的瞬时质量变化速率，还能重现烟气温度随时间的变化趋势。此外，模拟结果还揭示了空间火蔓延导致的PUF板上表面热流密度分布不均匀的现象及其非对称性的热解过程。这些发现对于深入理解建筑物内火灾的发展机制具有重要意义，并为制定有效的防火措施提供了科学依据。