基于數(shù)值模擬的開放空間航空煤油池火燃燒特性研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代運(yùn)輸體系中，航空運(yùn)輸憑借其高效、快捷的特點(diǎn)，成為了長距離客運(yùn)和貨運(yùn)的重要方式。而航空煤油，作為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要燃料，其性能直接影響著航空運(yùn)輸?shù)陌踩c效率，被形象地稱為飛機(jī)的“血液”。隨著全球航空運(yùn)輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，航空煤油的使用量也在持續(xù)攀升。據(jù)國際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)（IATA）的數(shù)據(jù)顯示，近年來全球航空煤油的年消耗量穩(wěn)定在數(shù)億噸以上，且呈現(xiàn)出逐年增長的趨勢(shì)。然而，航空煤油的廣泛使用也帶來了不容忽視的安全隱患。在航空煤油的儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用過程中，由于設(shè)備故障、人為操作失誤或自然災(zāi)害等原因，可能會(huì)導(dǎo)致航空煤油泄漏并引發(fā)池火燃燒事故。池火是指可燃液體在地面或其他表面上形成液池后發(fā)生的火災(zāi)，航空煤油池火具有燃燒速度快、火勢(shì)兇猛、熱輻射強(qiáng)等特點(diǎn)。一旦發(fā)生此類事故，不僅會(huì)對(duì)人員生命和財(cái)產(chǎn)安全造成巨大威脅，還可能對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生長期的負(fù)面影響。例如，2019年某機(jī)場發(fā)生的一起航空煤油泄漏引發(fā)的池火事故，造成了機(jī)場設(shè)施的嚴(yán)重?fù)p毀，航班大面積延誤，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)千萬元，同時(shí)還對(duì)周邊的生態(tài)環(huán)境造成了一定程度的污染。對(duì)開放空間航空煤油池火燃燒進(jìn)行深入研究，具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過數(shù)值模擬的方法，可以全面、系統(tǒng)地了解航空煤油池火燃燒的傳熱特性、火焰尺寸變化規(guī)律、火源擴(kuò)散行為特征以及溢油行為與擴(kuò)散規(guī)律等關(guān)鍵信息。這些研究成果能夠?yàn)榛馂?zāi)防控提供科學(xué)依據(jù)，幫助制定更加有效的火災(zāi)預(yù)防措施和應(yīng)急預(yù)案。在機(jī)場的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，可以根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果合理布局航空煤油儲(chǔ)存設(shè)施和消防設(shè)施，確保在發(fā)生火災(zāi)時(shí)能夠及時(shí)有效地進(jìn)行撲救；在航空煤油的運(yùn)輸過程中，可以通過對(duì)池火燃燒特性的了解，制定更加嚴(yán)格的安全操作規(guī)程，降低火災(zāi)事故的發(fā)生概率。此外，研究開放空間航空煤油池火燃燒還有助于推動(dòng)火災(zāi)科學(xué)理論的發(fā)展，提高對(duì)復(fù)雜火災(zāi)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和理解，為其他類型火災(zāi)的研究提供參考和借鑒。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在航空煤油池火燃燒的研究領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬等方法，從多個(gè)維度展開了深入探究。國外方面，早在20世紀(jì)中后期，就有學(xué)者針對(duì)液體燃料池火展開基礎(chǔ)性研究。如HeskestadG對(duì)池火火焰高度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究與理論分析，提出了經(jīng)典的火焰高度預(yù)測模型，為后續(xù)池火研究奠定了重要基礎(chǔ)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬逐漸成為研究池火燃燒的重要手段。Fluent、CFX等計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件被廣泛應(yīng)用于航空煤油池火燃燒的模擬研究中。一些學(xué)者利用Fluent軟件對(duì)不同尺寸、形狀的航空煤油池火進(jìn)行模擬，分析了火焰結(jié)構(gòu)、溫度分布以及熱輻射特性。研究發(fā)現(xiàn)，池火的火焰高度、熱釋放速率等參數(shù)與油池尺寸密切相關(guān)，隨著油池直徑的增大，火焰高度和熱釋放速率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。國內(nèi)對(duì)于航空煤油池火燃燒的研究起步相對(duì)較晚，但近年來發(fā)展迅速。眾多科研機(jī)構(gòu)和高校紛紛投入到相關(guān)研究中，取得了一系列具有重要價(jià)值的成果。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在池火燃燒領(lǐng)域開展了大量系統(tǒng)性研究，通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，深入探究了環(huán)境風(fēng)、受限空間等因素對(duì)航空煤油池火燃燒特性的影響。研究表明，環(huán)境風(fēng)會(huì)改變池火的火焰形態(tài)和熱釋放速率，在一定風(fēng)速范圍內(nèi)，風(fēng)速的增加會(huì)促進(jìn)燃料的燃燒，使熱釋放速率增大，但當(dāng)風(fēng)速超過某一臨界值時(shí)，火焰可能會(huì)發(fā)生傾斜甚至熄滅。此外，北京航空航天大學(xué)、中國石油大學(xué)等高校也在航空煤油池火燃燒的數(shù)值模擬、火災(zāi)防治等方面取得了顯著進(jìn)展。然而，現(xiàn)有研究仍存在一定的局限性與可拓展方向。在數(shù)值模擬方面，雖然CFD軟件能夠?qū)Τ鼗鹑紵^程進(jìn)行較為詳細(xì)的模擬，但模型中一些參數(shù)的選取和簡化假設(shè)仍存在不確定性，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在一定偏差。例如，在燃燒模型中，對(duì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的簡化可能無法準(zhǔn)確反映航空煤油復(fù)雜的燃燒過程；在湍流模型中，對(duì)湍流特性的描述也有待進(jìn)一步完善，以提高模擬的準(zhǔn)確性。在研究內(nèi)容上，目前對(duì)于開放空間航空煤油池火燃燒的研究多集中在穩(wěn)態(tài)燃燒階段，對(duì)火災(zāi)初期的引燃、火焰?zhèn)鞑ヒ约盎馂?zāi)發(fā)展過程中的瞬態(tài)特性研究相對(duì)較少。而實(shí)際火災(zāi)事故中，這些瞬態(tài)過程對(duì)于火災(zāi)的發(fā)展和蔓延起著至關(guān)重要的作用，因此有必要加強(qiáng)對(duì)這方面的研究。此外，針對(duì)不同環(huán)境條件（如高溫、高濕、高原等特殊環(huán)境）下航空煤油池火燃燒特性的研究還相對(duì)匱乏，而這些特殊環(huán)境條件可能會(huì)顯著影響池火的燃燒行為，這也為后續(xù)研究提供了重要的方向。在實(shí)驗(yàn)研究方面，由于受到實(shí)驗(yàn)條件和測量技術(shù)的限制，一些關(guān)鍵參數(shù)（如火焰內(nèi)部的溫度分布、組分濃度等）的測量精度還有待提高，需要進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)測量技術(shù)。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在借助先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)，深入且全面地探究開放空間中航空煤油池火燃燒的復(fù)雜過程與關(guān)鍵特性，為航空煤油相關(guān)設(shè)施的安全設(shè)計(jì)、火災(zāi)防控策略的制定以及應(yīng)急救援方案的規(guī)劃提供堅(jiān)實(shí)的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。具體研究目標(biāo)與內(nèi)容如下：航空煤油池火燃燒的傳熱特性及火焰尺寸變化規(guī)律：運(yùn)用數(shù)值模擬軟件，構(gòu)建精確的航空煤油池火燃燒模型，細(xì)致分析燃燒過程中的傳熱機(jī)制，包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射在不同階段的作用與相互關(guān)系。研究火焰溫度分布特征，明確火焰內(nèi)部高溫區(qū)域的位置與范圍，以及溫度隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律。通過模擬不同油池尺寸、環(huán)境條件（如環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速等）下的池火燃燒，探究火焰尺寸（如火焰高度、直徑等）的變化規(guī)律，建立火焰尺寸與各影響因素之間的定量關(guān)系，為火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供關(guān)鍵參數(shù)。航空煤油池火燃燒過程中火源擴(kuò)散的行為特征與模擬分析：對(duì)火源在池火燃燒過程中的擴(kuò)散行為進(jìn)行深入研究，分析火源的傳播路徑、速度以及在不同方向上的擴(kuò)散特性。研究燃燒過程中熱量釋放的時(shí)空分布，確定熱釋放速率的變化規(guī)律，探究熱釋放速率與火源擴(kuò)散之間的內(nèi)在聯(lián)系。通過數(shù)值模擬，分析不同燃燒階段火源擴(kuò)散的影響因素，如燃料的揮發(fā)特性、空氣的流動(dòng)狀態(tài)等，揭示火源擴(kuò)散的物理機(jī)制，為火災(zāi)的早期預(yù)警和控制提供理論依據(jù)。航空煤油池火燃燒的溢油行為與擴(kuò)散規(guī)律：模擬航空煤油泄漏后在地面形成液池的過程，分析溢油的初始形態(tài)、擴(kuò)展速度以及液池的最終形狀和尺寸。研究溢油在不同地面條件（如粗糙度、坡度等）下的擴(kuò)散規(guī)律，考慮重力、表面張力、摩擦力等因素對(duì)溢油擴(kuò)散的影響。探究環(huán)境因素（如風(fēng)速、風(fēng)向、降水等）對(duì)溢油行為的作用，分析環(huán)境因素如何改變溢油的擴(kuò)散方向和范圍，為制定有效的溢油控制措施提供參考。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究主要采用數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的方法，深入探究開放空間航空煤油池火燃燒的特性與規(guī)律。具體研究方法如下：數(shù)值模擬：借助專業(yè)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件ANSYSFluent開展數(shù)值模擬工作。首先，依據(jù)實(shí)際情況構(gòu)建合理的物理模型，精準(zhǔn)定義航空煤油池火燃燒的計(jì)算區(qū)域，充分考慮油池的尺寸、形狀以及周圍環(huán)境的邊界條件。針對(duì)航空煤油的燃燒特性，選擇合適的燃燒模型，如渦耗散概念（EDC）模型，該模型能夠較好地描述航空煤油復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，準(zhǔn)確模擬燃燒過程中的熱量釋放和物質(zhì)轉(zhuǎn)化。在湍流模擬方面，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，此模型在處理復(fù)雜流動(dòng)問題時(shí)具有較高的精度和穩(wěn)定性，能夠有效模擬池火燃燒過程中的湍流流動(dòng)特性。通過合理設(shè)置模型參數(shù)，對(duì)航空煤油池火燃燒過程進(jìn)行數(shù)值求解，獲得火焰溫度分布、熱釋放速率、火源擴(kuò)散軌跡、溢油擴(kuò)散形態(tài)等關(guān)鍵參數(shù)的詳細(xì)數(shù)據(jù)。理論分析：基于燃燒學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)等相關(guān)理論，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行深入分析。運(yùn)用傳熱學(xué)理論分析燃燒過程中的熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射機(jī)制，明確各傳熱方式在不同階段對(duì)池火燃燒的影響程度；依據(jù)流體力學(xué)原理，探討溢油在地面的擴(kuò)散行為以及空氣流動(dòng)對(duì)池火燃燒的作用機(jī)制；借助燃燒學(xué)理論，分析火源擴(kuò)散的物理過程和化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素，揭示航空煤油池火燃燒的內(nèi)在規(guī)律。通過理論分析，進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的合理性，并為模型的優(yōu)化和改進(jìn)提供理論依據(jù)。技術(shù)路線圖展示了本研究的具體步驟與流程，清晰呈現(xiàn)了從前期準(zhǔn)備到最終成果輸出的完整過程。具體步驟如下（見圖1）：文獻(xiàn)調(diào)研：全面收集國內(nèi)外關(guān)于航空煤油池火燃燒的相關(guān)文獻(xiàn)資料，深入了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、研究方法以及存在的問題，為本研究提供理論基礎(chǔ)和研究思路。模型建立：基于ANSYSFluent軟件平臺(tái)，根據(jù)研究目標(biāo)和實(shí)際情況，建立開放空間航空煤油池火燃燒的數(shù)值模型。詳細(xì)定義模型的幾何參數(shù)、邊界條件、材料屬性以及燃燒模型等參數(shù)，確保模型能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際燃燒過程。數(shù)值模擬計(jì)算：運(yùn)用已建立的數(shù)值模型，對(duì)不同工況下的航空煤油池火燃燒進(jìn)行模擬計(jì)算。設(shè)置合理的計(jì)算參數(shù)和時(shí)間步長，確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在計(jì)算過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測計(jì)算結(jié)果，及時(shí)調(diào)整計(jì)算參數(shù)，以保證計(jì)算順利進(jìn)行。結(jié)果分析與討論：對(duì)數(shù)值模擬得到的結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，包括火焰溫度分布、火焰尺寸變化、火源擴(kuò)散行為、溢油擴(kuò)散規(guī)律等。通過繪制圖表、曲線等方式直觀展示模擬結(jié)果，深入探討各參數(shù)之間的相互關(guān)系和影響因素，揭示航空煤油池火燃燒的特性和規(guī)律。模型驗(yàn)證與優(yōu)化：將數(shù)值模擬結(jié)果與已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或理論研究成果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，評(píng)估模型的準(zhǔn)確性和可靠性。針對(duì)模型存在的不足之處，進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提高模型的模擬精度和適用性。結(jié)論與展望：根據(jù)研究結(jié)果，總結(jié)開放空間航空煤油池火燃燒的特性和規(guī)律，提出針對(duì)性的火災(zāi)防控建議和措施。同時(shí)，對(duì)未來的研究方向進(jìn)行展望，為進(jìn)一步深入研究航空煤油池火燃燒提供參考。通過以上研究方法和技術(shù)路線，本研究有望全面、深入地揭示開放空間航空煤油池火燃燒的特性和規(guī)律，為航空煤油相關(guān)設(shè)施的安全設(shè)計(jì)、火災(zāi)防控以及應(yīng)急救援提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。\二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1航空煤油特性航空煤油，學(xué)名噴氣燃料，是一種專門為航空發(fā)動(dòng)機(jī)量身定制的液態(tài)碳?xì)淙剂?，在現(xiàn)代航空運(yùn)輸中扮演著不可或缺的角色。其主要成分是C9-C22烷烴，碳數(shù)范圍多集中于C8-C15，沸程處于160-300℃之間，平均相對(duì)分子量約在200-250。從元素構(gòu)成來看，涵蓋碳、氫、氧、氮、硫五種主要元素，同時(shí)還包含如釩、鎳、鐵、鈣等金屬微量元素，以及硅、磷、砷、碘等非金屬元素。航空煤油具有一系列獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)。在密度方面，其密度適宜，通常在0.7750-0.8300（相對(duì)水）之間，這一特性使得在有限的飛機(jī)油箱空間內(nèi)能夠儲(chǔ)存更多燃料，為飛機(jī)的長距離飛行提供充足的能量儲(chǔ)備。其具有較高的熱值，燃燒性能十分優(yōu)異，能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)迅速、穩(wěn)定、連續(xù)且完全地燃燒，燃燒區(qū)域相對(duì)較小，積碳量少，不易結(jié)焦，從而有效保障發(fā)動(dòng)機(jī)的高效運(yùn)行，減少維護(hù)成本和故障風(fēng)險(xiǎn)。航空煤油的低溫流動(dòng)性良好，即便在寒冷低溫地區(qū)以及高空的極低溫度環(huán)境下，也能保持良好的流動(dòng)性，確保燃料能夠順暢地輸送至發(fā)動(dòng)機(jī)，滿足飛機(jī)在各種復(fù)雜氣象條件下的飛行需求。航空煤油還具備潔凈度高的特點(diǎn)，不含機(jī)械雜質(zhì)及水分等有害物質(zhì)，硫含量尤其是硫醇性硫含量低，這大大降低了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)件的腐蝕程度，延長了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。然而，航空煤油的易燃易爆特性也使其在儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用過程中存在較大的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。航空煤油的閃點(diǎn)不低于38℃，引燃溫度為210℃，爆炸下限（V%）為1.4，爆炸上限（V%）為7.5。這意味著在一定的溫度和濃度條件下，航空煤油的蒸氣與空氣極易形成爆炸性混合物，一旦遇到明火、高熱能或靜電等點(diǎn)火源，就可能引發(fā)劇烈的燃燒甚至爆炸事故。在航空煤油的裝卸過程中，如果操作不當(dāng)產(chǎn)生靜電火花，或者在儲(chǔ)存場所附近存在未熄滅的煙頭、違規(guī)動(dòng)火作業(yè)等明火源，都有可能瞬間點(diǎn)燃航空煤油蒸氣，導(dǎo)致嚴(yán)重的火災(zāi)爆炸事故，對(duì)人員生命、財(cái)產(chǎn)安全以及環(huán)境造成巨大的破壞。此外，航空煤油易揮發(fā)，其蒸氣比空氣重，容易在低處聚集，進(jìn)一步增加了火災(zāi)發(fā)生的可能性和危險(xiǎn)性。2.2池火燃燒理論池火燃燒是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，涉及燃料的蒸發(fā)、與氧氣的混合以及劇烈的化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)伴隨著熱量和質(zhì)量的傳遞，受到多種因素的綜合影響。其基本原理可從燃燒的化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)、傳熱傳質(zhì)過程以及影響因素等方面進(jìn)行深入剖析。從化學(xué)反應(yīng)角度來看，池火燃燒是燃料與空氣中的氧氣發(fā)生劇烈氧化還原反應(yīng)的過程。以航空煤油為例，其主要成分是碳?xì)浠衔?，在燃燒過程中，碳（C）與氧氣（O?）反應(yīng)生成二氧化碳（CO?），氫（H）與氧氣反應(yīng)生成水（H?O），同時(shí)釋放出大量的熱能和光能，反應(yīng)方程式可簡單表示為：C?H?+(x+y/4)O?→xCO?+y/2H?O+熱能。這一化學(xué)反應(yīng)是池火燃燒的核心，釋放的熱能進(jìn)一步維持和促進(jìn)燃燒的持續(xù)進(jìn)行。池火燃燒過程包含復(fù)雜的傳熱和傳質(zhì)過程。在傳熱方面，存在熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種方式。熱傳導(dǎo)是指熱量從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域通過分子間的相互作用傳遞，在池火中，熱量從火焰高溫區(qū)通過油池液體和周圍固體結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳導(dǎo)，雖然熱傳導(dǎo)在整個(gè)傳熱過程中所占比例相對(duì)較小，但在靠近火源的局部區(qū)域，對(duì)燃料的預(yù)熱和蒸發(fā)起著重要作用。熱對(duì)流是依靠流體的宏觀運(yùn)動(dòng)來傳遞熱量，池火燃燒時(shí)，周圍空氣受熱膨脹上升，形成自然對(duì)流，將火焰的熱量傳遞到周圍環(huán)境中；同時(shí)，燃燒產(chǎn)生的高溫氣體與周圍冷空氣之間的強(qiáng)制對(duì)流也對(duì)熱量傳遞產(chǎn)生重要影響，熱對(duì)流在池火傳熱中占據(jù)主導(dǎo)地位，是熱量傳遞的主要方式之一。熱輻射則是通過電磁波的形式傳播熱量，池火的熱輻射非常強(qiáng)烈，能夠向周圍空間遠(yuǎn)距離傳遞熱量，對(duì)周圍物體和人員造成熱傷害，熱輻射在池火燃燒的能量傳遞中也占有相當(dāng)比例，尤其是在火災(zāi)發(fā)展的后期，對(duì)火災(zāi)的蔓延和擴(kuò)大起著重要作用。在傳質(zhì)方面，燃料的蒸發(fā)和氧氣的擴(kuò)散是關(guān)鍵過程。航空煤油在池火燃燒時(shí)，液態(tài)燃料吸收火焰的熱量，逐漸蒸發(fā)成為氣態(tài)燃料，從油池表面向周圍空間擴(kuò)散。與此同時(shí)，空氣中的氧氣則從周圍環(huán)境向火焰區(qū)域擴(kuò)散，與氣態(tài)燃料混合，為燃燒反應(yīng)提供氧化劑。燃料和氧氣的擴(kuò)散速率直接影響燃燒反應(yīng)的速率和火焰的穩(wěn)定性，當(dāng)燃料和氧氣的擴(kuò)散速率與燃燒反應(yīng)速率相匹配時(shí)，燃燒能夠穩(wěn)定進(jìn)行；若擴(kuò)散速率受到外界因素的干擾，如強(qiáng)風(fēng)、障礙物等，導(dǎo)致燃料與氧氣混合不均勻，就可能引發(fā)火焰的不穩(wěn)定甚至熄滅。燃燒速率和熱釋放速率是衡量池火燃燒強(qiáng)度的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。燃燒速率通常是指單位時(shí)間內(nèi)單位面積燃料的燃燒質(zhì)量，其大小受到燃料的性質(zhì)、溫度、氧氣濃度以及油池尺寸等多種因素的影響。一般來說，燃料的揮發(fā)性越強(qiáng)、溫度越高、氧氣濃度越大，燃燒速率就越快；油池尺寸較大時(shí)，由于火焰與燃料的接觸面積增大，也會(huì)在一定程度上提高燃燒速率。熱釋放速率則是指單位時(shí)間內(nèi)燃燒過程中釋放的熱量，它直接反映了池火燃燒的能量釋放強(qiáng)度，是評(píng)估火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要指標(biāo)。熱釋放速率與燃燒速率密切相關(guān)，通常燃燒速率越快，熱釋放速率也越高。在實(shí)際火災(zāi)場景中，熱釋放速率的大小決定了火災(zāi)的發(fā)展速度和對(duì)周圍環(huán)境的熱輻射強(qiáng)度，對(duì)火災(zāi)的撲救和人員疏散等應(yīng)急措施的制定具有重要指導(dǎo)意義。2.3數(shù)值模擬方法2.3.1計(jì)算流體力學(xué)（CFD）原理計(jì)算流體力學(xué)（ComputationalFluidDynamics，CFD）是一門融合了計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)值計(jì)算方法以及流體力學(xué)理論的交叉學(xué)科，它借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，通過數(shù)值計(jì)算和圖像顯示等技術(shù)，對(duì)流體的流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行模擬和分析，為解決復(fù)雜的流體工程問題提供了有效的手段。CFD的基本原理是基于控制方程，這些方程描述了流體流動(dòng)過程中的基本物理守恒定律。其中，連續(xù)性方程表達(dá)了質(zhì)量守恒，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0，式中\(zhòng)rho為流體密度，t為時(shí)間，\vec{v}為速度矢量。該方程表明在一個(gè)封閉的控制體內(nèi)，流體質(zhì)量的變化率等于通過控制體表面的質(zhì)量通量。動(dòng)量方程，即納維-斯托克斯（Navier-Stokes）方程，體現(xiàn)了動(dòng)量守恒，在直角坐標(biāo)系下，其表達(dá)式為：\rho(\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}+(\vec{v}\cdot\nabla)\vec{v})=-\nablap+\nabla\cdot\tau+\rho\vec{g}，其中p為壓力，\tau為應(yīng)力張量，\vec{g}為重力加速度矢量。此方程描述了流體動(dòng)量隨時(shí)間和空間的變化，受到壓力、粘性力和重力等因素的綜合影響。能量方程用于描述能量守恒，一般形式為：\rhoc_p(\frac{\partialT}{\partialt}+\vec{v}\cdot\nablaT)=\nabla\cdot(k\nablaT)+S_h，這里c_p為定壓比熱容，T為溫度，k為熱導(dǎo)率，S_h為熱源項(xiàng)。它反映了流體內(nèi)部由于熱傳導(dǎo)、對(duì)流以及熱源作用而導(dǎo)致的能量變化。在CFD模擬中，需要將這些連續(xù)的控制方程進(jìn)行離散化處理，將求解區(qū)域劃分為有限個(gè)離散的單元，如有限差分法將微分方程轉(zhuǎn)化為差分方程，通過在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上對(duì)控制方程進(jìn)行離散近似求解；有限體積法將計(jì)算域劃分為一系列小的控制體積，在每個(gè)控制體積上對(duì)守恒定律進(jìn)行積分，得到離散的代數(shù)方程組；有限元法則基于變分原理，將求解域劃分成有限個(gè)單元，通過插值函數(shù)逼近真實(shí)解。離散化后，通過迭代求解這些離散方程，逐步逼近控制方程的精確解，從而獲得流場中各物理量（如速度、壓力、溫度等）在不同時(shí)間和空間位置的數(shù)值解。CFD在火災(zāi)模擬領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在航空煤油池火燃燒模擬中，CFD能夠全面考慮池火燃燒過程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象，如燃料的蒸發(fā)、與空氣的混合、燃燒反應(yīng)的進(jìn)行以及熱量和質(zhì)量的傳遞等。通過建立合適的物理模型和選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)值算法，CFD可以精確地模擬池火燃燒過程中火焰的形態(tài)、溫度分布、熱釋放速率等關(guān)鍵參數(shù)的變化，為火災(zāi)的研究和防控提供詳細(xì)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。在火災(zāi)初期，CFD可以模擬火源的擴(kuò)散和火焰的傳播，幫助預(yù)測火災(zāi)的發(fā)展趨勢(shì)；在火災(zāi)發(fā)展階段，CFD能夠分析熱輻射對(duì)周圍環(huán)境的影響，為人員疏散和消防救援提供決策依據(jù)。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究方法相比，CFD模擬具有成本低、周期短、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，能夠在不同的工況條件下進(jìn)行模擬，獲取大量的實(shí)驗(yàn)難以測量的數(shù)據(jù)，從而更深入地揭示池火燃燒的內(nèi)在規(guī)律。2.3.2常用數(shù)值模擬軟件介紹（以ANSYSFluent為例）ANSYSFluent是一款在計(jì)算流體力學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的專業(yè)數(shù)值模擬軟件，它具備強(qiáng)大的功能和豐富的模塊，能夠高效地解決各種復(fù)雜的流體流動(dòng)和傳熱問題，在航空煤油池火燃燒模擬中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。從功能方面來看，ANSYSFluent擁有全面的流體流動(dòng)模擬能力，可處理從層流到高度湍流等各種流動(dòng)狀態(tài)。在航空煤油池火燃燒模擬中，能夠準(zhǔn)確模擬燃燒過程中復(fù)雜的湍流流動(dòng)，考慮空氣與燃料蒸氣之間的混合、流動(dòng)以及火焰的脈動(dòng)特性等。該軟件還支持多相流模擬，對(duì)于航空煤油池火燃燒過程中涉及的氣液兩相流（如液態(tài)航空煤油的蒸發(fā)以及氣態(tài)燃料與空氣的混合），能夠精確地描述各相之間的相互作用和相界面的變化，為研究池火燃燒的微觀機(jī)制提供了有力的工具。在傳熱分析方面，ANSYSFluent集成了對(duì)流、輻射和導(dǎo)熱的綜合分析功能。在航空煤油池火燃燒模擬中，它能夠全面考慮燃燒過程中的熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種傳熱方式。熱傳導(dǎo)分析可用于研究熱量在油池液體和周圍固體結(jié)構(gòu)中的傳遞，熱對(duì)流分析能夠模擬空氣與火焰之間的熱量交換以及熱空氣的流動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境的影響，而熱輻射分析則對(duì)于評(píng)估池火向周圍空間遠(yuǎn)距離傳遞的熱量至關(guān)重要，準(zhǔn)確的熱輻射模擬有助于預(yù)測池火對(duì)周圍物體和人員造成的熱傷害，為火災(zāi)防護(hù)設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵依據(jù)。ANSYSFluent在化學(xué)反應(yīng)工程模擬方面也表現(xiàn)出色，能夠精確模擬航空煤油的燃燒反應(yīng)過程。通過選擇合適的燃燒模型，如渦耗散概念（EDC）模型，該模型考慮了湍流與化學(xué)反應(yīng)之間的相互作用，能夠準(zhǔn)確地描述航空煤油在復(fù)雜湍流環(huán)境下的燃燒反應(yīng)速率和產(chǎn)物生成情況。同時(shí)，軟件還支持詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理輸入，對(duì)于研究航空煤油復(fù)雜的燃燒化學(xué)反應(yīng)路徑和中間產(chǎn)物的生成具有重要意義，有助于深入理解燃燒過程的化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)制。ANSYSFluent擁有多個(gè)功能強(qiáng)大的模塊，其中前處理模塊用于創(chuàng)建和編輯幾何模型以及生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。在航空煤油池火燃燒模擬中，用戶可以根據(jù)實(shí)際油池的形狀和尺寸，利用前處理模塊精確地構(gòu)建幾何模型，并通過靈活的網(wǎng)格生成工具，如結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和混合網(wǎng)格生成技術(shù)，對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分。高質(zhì)量的網(wǎng)格能夠提高計(jì)算精度和收斂速度，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如，在火焰區(qū)域和油池表面等關(guān)鍵部位，可以采用加密的網(wǎng)格來更好地捕捉物理量的變化。求解器模塊是ANSYSFluent的核心部分，負(fù)責(zé)執(zhí)行計(jì)算并求解離散化后的控制方程。該求解器采用了先進(jìn)的數(shù)值算法，如壓力耦合方程組的半隱式方法（SIMPLE）及其改進(jìn)算法，能夠高效地處理復(fù)雜的非線性方程組，確保計(jì)算過程的穩(wěn)定性和收斂性。在航空煤油池火燃燒模擬中，求解器能夠快速準(zhǔn)確地計(jì)算出流場中的速度、壓力、溫度、組分濃度等物理量的分布，為后續(xù)的結(jié)果分析提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。后處理模塊則用于對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化和分析，用戶可以通過該模塊將模擬結(jié)果以直觀的圖形、圖表或動(dòng)畫形式展示出來。在航空煤油池火燃燒模擬結(jié)果分析中，后處理模塊能夠生成火焰溫度分布云圖、速度矢量圖、熱釋放速率曲線等，幫助研究人員清晰地觀察池火燃燒過程中各物理量的變化規(guī)律和分布特征。通過對(duì)這些結(jié)果的深入分析，可以深入了解池火燃燒的特性，如火焰的傳播路徑、高溫區(qū)域的范圍、熱釋放速率的變化趨勢(shì)等，為火災(zāi)防控策略的制定提供科學(xué)依據(jù)。在航空煤油池火燃燒模擬中，ANSYSFluent的優(yōu)勢(shì)十分顯著。其豐富的物理模型庫和靈活的模型選擇功能，使得用戶能夠根據(jù)具體的研究需求，選擇最合適的模型來描述航空煤油池火燃燒過程中的各種物理現(xiàn)象，從而提高模擬的準(zhǔn)確性。軟件具有良好的并行計(jì)算能力，能夠充分利用多核計(jì)算機(jī)的計(jì)算資源，大大縮短計(jì)算時(shí)間，提高研究效率，尤其適用于大規(guī)模、復(fù)雜的池火燃燒模擬計(jì)算。ANSYSFluent還擁有友好的用戶界面和完善的技術(shù)支持體系，方便用戶進(jìn)行操作和學(xué)習(xí)，在遇到問題時(shí)能夠及時(shí)獲得專業(yè)的技術(shù)幫助，這對(duì)于推動(dòng)該軟件在航空煤油池火燃燒模擬研究中的廣泛應(yīng)用起到了積極的促進(jìn)作用。三、數(shù)值模型建立3.1模型假設(shè)與簡化在對(duì)開放空間航空煤油池火燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，為了使復(fù)雜的實(shí)際問題能夠在可計(jì)算的范圍內(nèi)進(jìn)行研究，同時(shí)保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，需要做出一些合理的假設(shè)與簡化。假設(shè)航空煤油在燃燒過程中，其物理性質(zhì)和化學(xué)組成保持均勻且穩(wěn)定。實(shí)際上，航空煤油是一種復(fù)雜的混合物，其成分可能會(huì)受到儲(chǔ)存條件、運(yùn)輸過程等因素的影響而發(fā)生微小變化，但在本模擬中，為了簡化計(jì)算，忽略這些微小差異，將航空煤油視為具有固定物理化學(xué)性質(zhì)的單一物質(zhì)。假設(shè)油池底部與地面之間的接觸為理想的絕熱狀態(tài)，不考慮油池底部與地面之間的熱傳導(dǎo)。這一假設(shè)是基于在實(shí)際火災(zāi)場景中，相比于油池表面的燃燒和向周圍環(huán)境的熱傳遞，油池底部與地面之間的熱傳導(dǎo)對(duì)池火燃燒過程的整體影響相對(duì)較小。在實(shí)際情況中，地面材料的熱導(dǎo)率等因素會(huì)影響熱傳導(dǎo)的程度，但在本模型中，為了突出主要的燃燒現(xiàn)象和熱傳遞過程，對(duì)這一因素進(jìn)行簡化處理。將開放空間假設(shè)為無限大的區(qū)域，忽略邊界條件對(duì)池火燃燒的影響。在現(xiàn)實(shí)中，開放空間并非真正的無限大，周圍環(huán)境中的建筑物、地形等因素會(huì)對(duì)空氣流動(dòng)和熱傳遞產(chǎn)生一定的影響，但這些因素的考慮會(huì)使模型變得極為復(fù)雜，增加計(jì)算成本和難度。在本研究中，重點(diǎn)關(guān)注池火燃燒的核心過程和基本特性，因此假設(shè)開放空間為無限大，以簡化計(jì)算模型。假設(shè)燃燒過程中產(chǎn)生的煙塵等顆粒物對(duì)燃燒過程和傳熱傳質(zhì)的影響可以忽略不計(jì)。實(shí)際上，航空煤油燃燒會(huì)產(chǎn)生一定量的煙塵，這些煙塵會(huì)吸收和散射熱輻射，對(duì)熱傳遞過程產(chǎn)生一定的干擾，同時(shí)也會(huì)對(duì)燃燒反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過程產(chǎn)生影響。但在本模擬中，為了簡化計(jì)算，暫時(shí)忽略這些顆粒物的影響，將研究重點(diǎn)放在燃燒過程的主要物理現(xiàn)象和基本規(guī)律上。假設(shè)空氣為理想氣體，符合理想氣體狀態(tài)方程。在實(shí)際情況中，空氣的性質(zhì)會(huì)受到溫度、壓力等因素的影響而偏離理想氣體狀態(tài)，但在本模擬所涉及的溫度和壓力范圍內(nèi)，將空氣視為理想氣體能夠滿足計(jì)算精度的要求，同時(shí)簡化了計(jì)算過程。假設(shè)航空煤油的燃燒反應(yīng)遵循簡單的一步化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，即燃料與氧氣直接反應(yīng)生成二氧化碳和水。然而，航空煤油的實(shí)際燃燒過程涉及到復(fù)雜的多步化學(xué)反應(yīng)，包含眾多中間產(chǎn)物和復(fù)雜的反應(yīng)路徑。但由于詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理計(jì)算量巨大，在本研究中，為了在合理的計(jì)算資源和時(shí)間內(nèi)獲得有價(jià)值的結(jié)果，采用簡化的一步反應(yīng)機(jī)理來近似描述燃燒過程，以突出燃燒過程的主要特征和規(guī)律。通過這些假設(shè)與簡化，能夠?qū)?fù)雜的開放空間航空煤油池火燃燒問題轉(zhuǎn)化為可計(jì)算的數(shù)值模型，在保證一定精度的前提下，有效地降低計(jì)算成本和難度，為后續(xù)的模擬分析提供基礎(chǔ)。3.2幾何模型構(gòu)建本研究以實(shí)際場景為基礎(chǔ)，運(yùn)用ANSYSFluent軟件構(gòu)建開放空間航空煤油池火的幾何模型。考慮到實(shí)際航空煤油儲(chǔ)存和使用過程中可能出現(xiàn)的泄漏情況，設(shè)定油池為正方形，邊長選取為2米，此尺寸在實(shí)際泄漏事故中具有一定的代表性，能夠較為全面地反映池火燃燒的特性。在構(gòu)建幾何模型時(shí)，首先在ANSYSFluent的前處理模塊中創(chuàng)建一個(gè)長方體作為計(jì)算域，計(jì)算域的尺寸設(shè)定為長10米、寬10米、高8米。較大的計(jì)算域能夠模擬開放空間的特性，減少邊界條件對(duì)池火燃燒模擬結(jié)果的影響，確保模擬結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映池火在開放空間中的真實(shí)燃燒情況。將正方形油池放置在計(jì)算域的中心位置，油池底部與計(jì)算域底面重合。在油池上方和周圍留出足夠的空間，以模擬空氣的流動(dòng)和火焰的發(fā)展。為了準(zhǔn)確模擬池火燃燒過程中的物理現(xiàn)象，對(duì)幾何模型進(jìn)行了細(xì)致的處理。在油池表面，設(shè)置為燃料蒸發(fā)的邊界條件，允許航空煤油從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)并進(jìn)入周圍的空氣流場。在計(jì)算域的頂部和側(cè)面，設(shè)置為壓力出口邊界條件，以模擬空氣的自由流動(dòng)和燃燒產(chǎn)物的排出。在計(jì)算域的底部，設(shè)置為無滑移壁面邊界條件，以模擬地面的影響。通過合理設(shè)置這些邊界條件，能夠確保幾何模型能夠準(zhǔn)確地反映實(shí)際的物理過程，為后續(xù)的數(shù)值模擬提供可靠的基礎(chǔ)。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法。對(duì)于油池和火焰區(qū)域，由于物理量的變化較為劇烈，采用了加密的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以提高計(jì)算精度。在遠(yuǎn)離油池和火焰的區(qū)域，物理量的變化相對(duì)平緩，采用了較為稀疏的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以減少計(jì)算量。通過這種網(wǎng)格劃分方式，既能保證在關(guān)鍵區(qū)域獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，又能有效地控制計(jì)算成本，提高計(jì)算效率。在網(wǎng)格劃分過程中，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行了嚴(yán)格的檢查和優(yōu)化，確保網(wǎng)格的正交性、縱橫比等參數(shù)滿足計(jì)算要求。通過不斷調(diào)整網(wǎng)格參數(shù)和劃分策略，最終獲得了高質(zhì)量的網(wǎng)格，為數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性提供了保障。為了驗(yàn)證網(wǎng)格劃分的合理性，進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性測試。選取了不同的網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)比分析了火焰溫度分布、熱釋放速率等關(guān)鍵參數(shù)的模擬結(jié)果。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到一定程度后，模擬結(jié)果的變化不再明顯，表明此時(shí)的網(wǎng)格劃分能夠滿足計(jì)算精度要求。通過網(wǎng)格獨(dú)立性測試，確定了最終的網(wǎng)格劃分方案，確保了幾何模型的可靠性和模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖2展示了構(gòu)建好的開放空間航空煤油池火幾何模型及其網(wǎng)格劃分情況，從圖中可以清晰地看到油池、計(jì)算域以及網(wǎng)格的分布情況。\3.3網(wǎng)格劃分在數(shù)值模擬中，網(wǎng)格劃分是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其質(zhì)量直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。本研究采用ANSYSFluent軟件自帶的網(wǎng)格劃分工具，對(duì)構(gòu)建好的開放空間航空煤油池火幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分?？紤]到池火燃燒過程中，油池表面和火焰區(qū)域的物理量變化劇烈，而遠(yuǎn)離火源的區(qū)域物理量變化相對(duì)平緩，為了在保證計(jì)算精度的同時(shí)，有效控制計(jì)算成本，采用了非均勻網(wǎng)格劃分策略。在油池表面和火焰區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，以更好地捕捉這些區(qū)域內(nèi)溫度、速度、濃度等物理量的急劇變化；在遠(yuǎn)離火源的區(qū)域，適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，減少網(wǎng)格數(shù)量。具體而言，對(duì)于油池表面，將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.05米，確保能夠精確地模擬航空煤油的蒸發(fā)過程以及油池表面附近的流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象。在火焰區(qū)域，采用了漸變的網(wǎng)格尺寸，靠近油池表面的部分網(wǎng)格尺寸為0.1米，隨著高度的增加，逐漸增大到0.2米，以適應(yīng)火焰結(jié)構(gòu)的變化和物理量的梯度變化。在計(jì)算域的其他區(qū)域，根據(jù)與火源的距離，合理調(diào)整網(wǎng)格尺寸，距離火源較近的區(qū)域網(wǎng)格相對(duì)較密，距離較遠(yuǎn)的區(qū)域網(wǎng)格相對(duì)較疏。為了確定最優(yōu)的網(wǎng)格劃分方案，進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性測試。分別采用了粗、中、細(xì)三種不同密度的網(wǎng)格進(jìn)行模擬計(jì)算，三種網(wǎng)格方案的網(wǎng)格數(shù)量分別為50萬個(gè)、100萬個(gè)和200萬個(gè)。對(duì)比分析了不同網(wǎng)格方案下火焰溫度分布、熱釋放速率等關(guān)鍵參數(shù)的模擬結(jié)果。圖3展示了不同網(wǎng)格數(shù)量下火焰溫度分布的對(duì)比情況。從圖中可以看出，粗網(wǎng)格方案下，火焰溫度分布的細(xì)節(jié)不夠清晰，高溫區(qū)域的范圍和形狀與實(shí)際情況存在一定偏差；中網(wǎng)格方案的模擬結(jié)果有所改善，但在火焰邊緣等區(qū)域仍存在一定的數(shù)值振蕩；細(xì)網(wǎng)格方案能夠更準(zhǔn)確地捕捉火焰溫度的分布特征，高溫區(qū)域的形狀和范圍與實(shí)際情況更為接近。表1列出了不同網(wǎng)格數(shù)量下熱釋放速率的模擬結(jié)果。從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，熱釋放速率的模擬結(jié)果逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量從50萬個(gè)增加到100萬個(gè)時(shí)，熱釋放速率的變化較為明顯；而當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量從100萬個(gè)增加到200萬個(gè)時(shí)，熱釋放速率的變化較小。經(jīng)過綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算成本，最終確定采用100萬個(gè)網(wǎng)格的劃分方案，該方案在保證計(jì)算精度的前提下，能夠有效地控制計(jì)算時(shí)間和計(jì)算資源的消耗。通過合理的網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格獨(dú)立性測試，確保了網(wǎng)格劃分的合理性和可靠性，為后續(xù)的數(shù)值模擬計(jì)算提供了高質(zhì)量的網(wǎng)格基礎(chǔ)。3.4邊界條件設(shè)置邊界條件的合理設(shè)置對(duì)于準(zhǔn)確模擬開放空間航空煤油池火燃燒過程至關(guān)重要，它直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在本數(shù)值模擬中，主要涉及入口邊界條件、出口邊界條件、壁面邊界條件以及油池表面邊界條件的設(shè)定。入口邊界條件設(shè)定為速度入口?？紤]到實(shí)際開放空間中空氣的流動(dòng)情況，將入口空氣速度設(shè)定為0.5m/s，方向垂直于計(jì)算域的側(cè)面。這一速度值是基于對(duì)常見室外環(huán)境風(fēng)速的調(diào)研和分析確定的，能夠較好地模擬自然通風(fēng)條件下空氣進(jìn)入計(jì)算域的情況。同時(shí)，將入口空氣的溫度設(shè)定為298K，相對(duì)濕度設(shè)定為50%，以反映常溫常壓下的環(huán)境條件。這些參數(shù)的選擇符合實(shí)際應(yīng)用場景，能夠?yàn)槟M提供較為真實(shí)的初始條件。出口邊界條件采用壓力出口。在壓力出口邊界上，設(shè)定相對(duì)壓力為0Pa，即與外界大氣壓力相同。這一設(shè)定允許燃燒產(chǎn)物和多余的空氣自由排出計(jì)算域，模擬開放空間中氣體的擴(kuò)散和流動(dòng)。同時(shí)，為了確保計(jì)算的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，在壓力出口邊界上，對(duì)速度和其他物理量采用了充分發(fā)展的邊界條件，即這些物理量在出口處的梯度為零。壁面邊界條件根據(jù)不同的壁面位置和實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定。計(jì)算域的底面和側(cè)面設(shè)置為無滑移壁面邊界條件，即流體在壁面上的速度為零。這一條件模擬了地面和周圍障礙物對(duì)空氣流動(dòng)的阻礙作用，符合實(shí)際物理現(xiàn)象。在壁面與流體的熱交換方面，考慮到壁面的熱傳導(dǎo)和對(duì)流換熱，采用了對(duì)流換熱邊界條件，設(shè)定壁面的對(duì)流換熱系數(shù)為10W/(m2?K)，壁面溫度為298K。這些參數(shù)的選擇是基于對(duì)常見壁面材料和環(huán)境條件的考慮，能夠合理地描述壁面與流體之間的熱交換過程。油池表面邊界條件是模擬航空煤油池火燃燒的關(guān)鍵邊界條件之一。在油池表面，設(shè)定為燃料蒸發(fā)邊界條件，允許航空煤油從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)并進(jìn)入周圍的空氣流場。根據(jù)航空煤油的物理性質(zhì)和燃燒特性，設(shè)定油池表面的燃料蒸發(fā)速率為0.05kg/(m2?s)。這一蒸發(fā)速率是通過對(duì)航空煤油的蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)理論研究進(jìn)行分析確定的，能夠較好地反映實(shí)際情況下航空煤油的蒸發(fā)過程。同時(shí)，在油池表面，考慮到燃料蒸發(fā)過程中的熱量傳遞，采用了能量守恒邊界條件，確保蒸發(fā)過程中吸收的熱量與周圍流體的能量變化相平衡。通過合理設(shè)定這些邊界條件，能夠準(zhǔn)確地模擬開放空間航空煤油池火燃燒過程中空氣的流動(dòng)、燃料的蒸發(fā)、燃燒產(chǎn)物的擴(kuò)散以及熱量的傳遞等物理現(xiàn)象，為后續(xù)的數(shù)值模擬計(jì)算提供可靠的邊界條件基礎(chǔ)。在模擬過程中，還對(duì)邊界條件進(jìn)行了敏感性分析，研究了不同邊界條件參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的影響，進(jìn)一步驗(yàn)證了邊界條件設(shè)置的合理性和準(zhǔn)確性。3.5控制方程與求解器選擇在開放空間航空煤油池火燃燒的數(shù)值模擬中，控制方程的準(zhǔn)確選取是模擬的基礎(chǔ)，它描述了燃燒過程中各種物理量的變化規(guī)律。連續(xù)性方程表達(dá)了質(zhì)量守恒定律，在三維笛卡爾坐標(biāo)系下，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\frac{\partial(\rhou)}{\partialx}+\frac{\partial(\rhov)}{\partialy}+\frac{\partial(\rhow)}{\partialz}=0，式中\(zhòng)rho為流體密度，t為時(shí)間，u、v、w分別為x、y、z方向上的速度分量。該方程確保了在整個(gè)計(jì)算域內(nèi)，流體質(zhì)量既不會(huì)憑空產(chǎn)生也不會(huì)無故消失，為后續(xù)的模擬提供了質(zhì)量守恒的約束。動(dòng)量方程體現(xiàn)了動(dòng)量守恒原理，同樣在三維笛卡爾坐標(biāo)系下，x方向的動(dòng)量方程為：\rho(\frac{\partialu}{\partialt}+u\frac{\partialu}{\partialx}+v\frac{\partialu}{\partialy}+w\frac{\partialu}{\partialz})=-\frac{\partialp}{\partialx}+\frac{\partial\tau_{xx}}{\partialx}+\frac{\partial\tau_{xy}}{\partialy}+\frac{\partial\tau_{xz}}{\partialz}+\rhog_x，其中p為壓力，\tau_{ij}為應(yīng)力張量分量，g_x為x方向的重力加速度分量。y方向和z方向的動(dòng)量方程與之類似，分別為：\rho(\frac{\partialv}{\partialt}+u\frac{\partialv}{\partialx}+v\frac{\partialv}{\partialy}+w\frac{\partialv}{\partialz})=-\frac{\partialp}{\partialy}+\frac{\partial\tau_{yx}}{\partialx}+\frac{\partial\tau_{yy}}{\partialy}+\frac{\partial\tau_{yz}}{\partialz}+\rhog_y，\rho(\frac{\partialw}{\partialt}+u\frac{\partialw}{\partialx}+v\frac{\partialw}{\partialy}+w\frac{\partialw}{\partialz})=-\frac{\partialp}{\partialz}+\frac{\partial\tau_{zx}}{\partialx}+\frac{\partial\tau_{zy}}{\partialy}+\frac{\partial\tau_{zz}}{\partialz}+\rhog_z。動(dòng)量方程描述了流體動(dòng)量在時(shí)間和空間上的變化，受到壓力、粘性力和重力等多種因素的綜合作用，對(duì)于理解池火燃燒過程中空氣和燃料的流動(dòng)特性至關(guān)重要。能量方程用于描述能量守恒，其表達(dá)式為：\rhoc_p(\frac{\partialT}{\partialt}+u\frac{\partialT}{\partialx}+v\frac{\partialT}{\partialy}+w\frac{\partialT}{\partialz})=\frac{\partial}{\partialx}(k\frac{\partialT}{\partialx})+\frac{\partial}{\partialy}(k\frac{\partialT}{\partialy})+\frac{\partial}{\partialz}(k\frac{\partialT}{\partialz})+S_h，這里c_p為定壓比熱容，T為溫度，k為熱導(dǎo)率，S_h為熱源項(xiàng)。該方程反映了池火燃燒過程中由于熱傳導(dǎo)、對(duì)流以及燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的熱源等因素導(dǎo)致的能量變化，對(duì)于研究火焰溫度分布和熱傳遞過程具有關(guān)鍵作用。組分輸運(yùn)方程用于描述各化學(xué)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化，對(duì)于航空煤油燃燒涉及的主要組分（如氧氣、二氧化碳、水等），其組分輸運(yùn)方程為：\frac{\partial(\rhoY_i)}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v}Y_i)=-\nabla\cdot\vec{J}_i+R_i，式中Y_i為第i種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，\vec{J}_i為第i種組分的擴(kuò)散通量，R_i為第i種組分的生成速率。該方程能夠準(zhǔn)確地描述燃料與氧氣的混合過程以及燃燒產(chǎn)物的生成和擴(kuò)散，為研究燃燒化學(xué)反應(yīng)提供了重要依據(jù)。針對(duì)上述控制方程的求解，本研究選用ANSYSFluent軟件中的分離式求解器。分離式求解器采用分步求解的策略，依次求解壓力、速度、溫度和組分等變量。在求解過程中，通過壓力校正算法來確保壓力和速度的耦合滿足連續(xù)性方程。這種求解方式具有計(jì)算效率高、內(nèi)存需求相對(duì)較低的優(yōu)點(diǎn)，適用于求解復(fù)雜的流動(dòng)和傳熱問題，尤其是在處理池火燃燒這種涉及多物理場耦合的問題時(shí)，能夠有效地降低計(jì)算成本，提高計(jì)算速度。同時(shí)，分離式求解器在處理非定常問題時(shí)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，能夠準(zhǔn)確地捕捉池火燃燒過程中各種物理量隨時(shí)間的變化，為研究池火燃燒的動(dòng)態(tài)特性提供了有力的支持。在求解過程中，采用二階迎風(fēng)差分格式對(duì)控制方程進(jìn)行離散化，以提高計(jì)算精度。通過設(shè)置合適的松弛因子，加速迭代收斂過程，確保求解過程的穩(wěn)定性和高效性。四、模擬結(jié)果與分析4.1傳熱特性分析4.1.1溫度分布規(guī)律通過數(shù)值模擬，得到了開放空間航空煤油池火燃燒過程中的溫度分布云圖和溫度隨時(shí)間、空間變化曲線，這些結(jié)果為深入分析池火不同區(qū)域的溫度分布特點(diǎn)提供了有力依據(jù)。從溫度云圖（見圖4）可以清晰地觀察到，在池火燃燒初期，油池表面附近的溫度迅速升高，形成一個(gè)高溫區(qū)域。隨著燃燒的進(jìn)行，火焰逐漸向上蔓延，高溫區(qū)域也隨之?dāng)U大。在火焰中心區(qū)域，溫度達(dá)到最高值，呈現(xiàn)出明亮的黃色和紅色，這是因?yàn)榇颂幦剂吓c氧氣充分混合，燃燒反應(yīng)最為劇烈，釋放出大量的熱能。而在火焰邊緣區(qū)域，溫度相對(duì)較低，顏色逐漸變?yōu)槌壬退{(lán)色，這是由于火焰邊緣處氧氣供應(yīng)相對(duì)不足，燃燒反應(yīng)不夠充分，同時(shí)熱量向周圍環(huán)境散失較快。在遠(yuǎn)離火焰的區(qū)域，溫度逐漸降低，接近環(huán)境溫度。從垂直方向上看，溫度隨著高度的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。在火焰底部，由于燃料的蒸發(fā)和預(yù)熱過程，溫度相對(duì)較低；隨著高度的增加，進(jìn)入火焰主體區(qū)域，溫度迅速升高，達(dá)到最大值；繼續(xù)向上，由于熱量的散失和燃燒產(chǎn)物的稀釋，溫度逐漸降低。為了更直觀地了解溫度隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律，繪制了溫度隨時(shí)間變化曲線（見圖5）和溫度沿徑向變化曲線（見圖6）。從溫度隨時(shí)間變化曲線可以看出，在燃燒初期，油池表面溫度迅速上升，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到一個(gè)較高的值，隨后溫度上升速度逐漸減緩，進(jìn)入一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的燃燒階段。在穩(wěn)定燃燒階段，溫度保持在一個(gè)相對(duì)較高的水平，波動(dòng)較小。當(dāng)燃燒接近尾聲時(shí)，由于燃料逐漸耗盡，溫度開始下降。從溫度沿徑向變化曲線可以看出，在油池中心位置，溫度最高，隨著徑向距離的增加，溫度逐漸降低。在距離油池中心一定距離處，溫度下降速度較快，形成一個(gè)明顯的溫度梯度。這是因?yàn)樵谟统刂行?，燃料濃度高，燃燒反?yīng)劇烈，釋放的熱量多；而隨著徑向距離的增加，燃料濃度逐漸降低，氧氣供應(yīng)相對(duì)充足，燃燒反應(yīng)逐漸減弱，同時(shí)熱量向周圍環(huán)境散失加劇，導(dǎo)致溫度下降。此外，還分析了不同燃燒時(shí)刻的溫度分布情況。在燃燒初期（t=10s），油池表面溫度迅速升高，但高溫區(qū)域主要集中在油池表面附近，火焰高度較低。隨著燃燒的進(jìn)行（t=30s），火焰高度增加，高溫區(qū)域向上擴(kuò)展，火焰中心溫度進(jìn)一步升高。在燃燒后期（t=60s），高溫區(qū)域范圍逐漸縮小，火焰高度略有下降，這是由于燃料逐漸減少，燃燒強(qiáng)度減弱所致。通過對(duì)不同燃燒時(shí)刻溫度分布的分析，可以清晰地看到池火燃燒過程中溫度分布的動(dòng)態(tài)變化過程，為深入理解池火燃燒的傳熱特性提供了重要參考。4.1.2熱輻射特性熱輻射是航空煤油池火燃燒過程中的重要傳熱方式之一，對(duì)周圍環(huán)境和人員安全具有顯著影響。通過數(shù)值模擬，研究了池火燃燒過程中的熱輻射強(qiáng)度分布，分析了熱輻射對(duì)周圍環(huán)境的影響及與池火燃燒的關(guān)系。模擬結(jié)果顯示，池火的熱輻射強(qiáng)度在火焰表面達(dá)到最大值，并隨著與火焰中心距離的增加而逐漸衰減。在火焰表面，熱輻射強(qiáng)度呈現(xiàn)出不均勻分布，火焰中心區(qū)域的熱輻射強(qiáng)度明顯高于火焰邊緣區(qū)域。這是因?yàn)榛鹧嬷行膮^(qū)域燃料與氧氣充分混合，燃燒反應(yīng)劇烈，釋放的熱量多，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的熱輻射。而在火焰邊緣區(qū)域，由于氧氣供應(yīng)相對(duì)不足，燃燒反應(yīng)不夠充分，熱輻射強(qiáng)度相對(duì)較低。從空間分布來看，熱輻射強(qiáng)度在垂直方向上的衰減速度相對(duì)較慢，在水平方向上的衰減速度相對(duì)較快。這是因?yàn)樵诖怪狈较蛏?，熱輻射主要通過空氣的吸收和散射進(jìn)行傳播，而在水平方向上，熱輻射除了受到空氣的吸收和散射外，還會(huì)受到周圍物體的遮擋和反射，從而導(dǎo)致熱輻射強(qiáng)度的衰減速度加快。熱輻射對(duì)周圍環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在對(duì)周圍物體的加熱和對(duì)人員的熱傷害上。當(dāng)熱輻射強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，周圍物體表面的溫度會(huì)迅速升高，可能引發(fā)周圍物體的燃燒，從而導(dǎo)致火災(zāi)的蔓延。在距離池火較近的區(qū)域，熱輻射強(qiáng)度較高，周圍物體表面溫度升高明顯，存在較大的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于人員而言，熱輻射會(huì)對(duì)人體造成直接的熱傷害，如灼傷、中暑等。當(dāng)人員暴露在高強(qiáng)度的熱輻射環(huán)境中時(shí)，身體會(huì)吸收大量的熱量，導(dǎo)致體溫升高，嚴(yán)重時(shí)可能危及生命。熱輻射還會(huì)影響人員的行動(dòng)能力和視覺，增加人員疏散和救援的難度。熱輻射與池火燃燒之間存在密切的相互關(guān)系。一方面，池火燃燒產(chǎn)生的熱量是熱輻射的能量來源，燃燒反應(yīng)越劇烈，釋放的熱量越多，熱輻射強(qiáng)度也就越高。另一方面，熱輻射對(duì)池火燃燒也具有反饋?zhàn)饔?。熱輻射可以將熱量傳遞回油池表面，促進(jìn)燃料的蒸發(fā)和氣化，為燃燒提供更多的可燃?xì)怏w，從而維持和增強(qiáng)池火的燃燒。熱輻射還可以影響周圍空氣的流動(dòng)和溫度分布，進(jìn)而影響氧氣的供應(yīng)和燃燒產(chǎn)物的擴(kuò)散，對(duì)池火燃燒的穩(wěn)定性和火焰形狀產(chǎn)生影響。當(dāng)熱輻射強(qiáng)度較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致周圍空氣受熱膨脹上升，形成強(qiáng)烈的對(duì)流，從而影響火焰的形狀和高度。4.2火焰尺寸變化規(guī)律4.2.1火焰高度變化通過數(shù)值模擬，獲得了不同工況下航空煤油池火火焰高度隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)，并繪制了相應(yīng)的曲線（見圖7）。從圖中可以清晰地看出，在燃燒初期，火焰高度迅速上升，這是因?yàn)樵谌紵跏茧A段，航空煤油迅速蒸發(fā)，與空氣混合形成可燃混合氣，大量可燃混合氣在火源的引燃下迅速燃燒，釋放出大量的熱量，使得火焰迅速向上蔓延，火焰高度快速增加。在t=0-10s時(shí)間段內(nèi)，火焰高度從初始的接近0迅速上升至約2米。隨著燃燒的持續(xù)進(jìn)行，火焰高度逐漸趨于穩(wěn)定。在穩(wěn)定燃燒階段，燃料的蒸發(fā)速率與燃燒速率達(dá)到相對(duì)平衡狀態(tài)，火焰的能量輸入和輸出也達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，因此火焰高度保持在一個(gè)相對(duì)固定的水平。在t=10-40s時(shí)間段內(nèi)，火焰高度穩(wěn)定在約3米左右，波動(dòng)較小。當(dāng)燃燒接近尾聲時(shí)，由于燃料逐漸減少，可供燃燒的可燃混合氣濃度降低，燃燒強(qiáng)度減弱，火焰高度開始逐漸下降。在t=40-60s時(shí)間段內(nèi)，火焰高度從約3米逐漸降低至約1米。風(fēng)速對(duì)火焰高度的影響也十分顯著。模擬了不同風(fēng)速（0m/s、1m/s、2m/s、3m/s）條件下的池火燃燒，結(jié)果表明，隨著風(fēng)速的增加，火焰高度呈現(xiàn)出先減小后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。當(dāng)風(fēng)速為0m/s時(shí)，火焰處于自然燃燒狀態(tài)，火焰高度相對(duì)較高。當(dāng)風(fēng)速增加到1m/s時(shí)，火焰受到風(fēng)的作用，發(fā)生傾斜，火焰高度有所降低。這是因?yàn)轱L(fēng)的存在加速了火焰周圍空氣的流動(dòng)，使火焰周圍的氧氣供應(yīng)更加充足，同時(shí)也加快了燃燒產(chǎn)物的擴(kuò)散，從而導(dǎo)致火焰高度降低。隨著風(fēng)速進(jìn)一步增加到2m/s和3m/s，火焰高度繼續(xù)降低，但降低的幅度逐漸減小，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定程度后，火焰高度基本保持穩(wěn)定。這是因?yàn)楫?dāng)風(fēng)速較大時(shí)，風(fēng)對(duì)火焰的拉伸和卷吸作用達(dá)到了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，雖然氧氣供應(yīng)進(jìn)一步增加，但同時(shí)熱量散失也加劇，兩者相互平衡，使得火焰高度不再明顯變化?；鹧娓叨鹊淖兓€與油池尺寸密切相關(guān)。模擬了不同油池邊長（1m、2m、3m）的池火燃燒，結(jié)果顯示，油池尺寸越大，火焰高度越高。這是因?yàn)橛统爻叽缭龃?，燃料的蒸發(fā)面積增大，單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的燃料量增多，與空氣混合形成的可燃混合氣增多，燃燒反應(yīng)更加劇烈，釋放的熱量更多，從而使得火焰高度更高。當(dāng)油池邊長為1m時(shí)，火焰高度在穩(wěn)定燃燒階段約為2米；當(dāng)油池邊長增大到2m時(shí)，火焰高度在穩(wěn)定燃燒階段約為3米；當(dāng)油池邊長增大到3m時(shí)，火焰高度在穩(wěn)定燃燒階段約為4米。火焰高度的變化受到多種因素的綜合影響，包括燃燒時(shí)間、風(fēng)速、油池尺寸等。在實(shí)際火災(zāi)場景中，準(zhǔn)確掌握火焰高度的變化規(guī)律，對(duì)于火災(zāi)的預(yù)防、撲救以及人員疏散等具有重要的指導(dǎo)意義。通過對(duì)火焰高度變化規(guī)律的研究，可以合理設(shè)置消防設(shè)施的位置和高度，確保消防水槍或泡沫炮能夠有效地覆蓋火焰，提高滅火效率；在人員疏散時(shí)，可以根據(jù)火焰高度的變化，合理規(guī)劃疏散路線，避免人員受到火焰的直接威脅。4.2.2火焰直徑變化火焰直徑是衡量池火燃燒范圍和規(guī)模的重要參數(shù)之一，對(duì)其變化規(guī)律的研究有助于深入理解池火燃燒的特性和火災(zāi)的發(fā)展趨勢(shì)。通過數(shù)值模擬，分析了航空煤油池火火焰直徑在不同工況下的變化情況，探究了其與燃燒速率、環(huán)境因素之間的關(guān)系。在燃燒過程中，火焰直徑呈現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。在燃燒初期，隨著燃燒反應(yīng)的劇烈進(jìn)行，燃料迅速蒸發(fā)并與空氣混合，火焰迅速向周圍擴(kuò)展，火焰直徑快速增大。在t=0-15s時(shí)間段內(nèi)，火焰直徑從初始的接近油池邊長迅速增大至約3米。隨著燃燒的持續(xù)進(jìn)行，燃料的蒸發(fā)速率和燃燒速率逐漸達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，火焰的擴(kuò)展速度也逐漸減緩，火焰直徑趨于穩(wěn)定。在t=15-50s時(shí)間段內(nèi)，火焰直徑穩(wěn)定在約4米左右，波動(dòng)較小。當(dāng)燃燒接近尾聲時(shí)，由于燃料逐漸耗盡，燃燒強(qiáng)度減弱，火焰直徑開始逐漸減小。在t=50-60s時(shí)間段內(nèi)，火焰直徑從約4米逐漸減小至約2米。燃燒速率對(duì)火焰直徑的影響十分顯著。燃燒速率越快，單位時(shí)間內(nèi)參與燃燒的燃料量越多，釋放的熱量也越多，火焰的擴(kuò)展速度就越快，從而導(dǎo)致火焰直徑增大。在模擬中，通過改變油池表面的燃料蒸發(fā)速率來調(diào)整燃燒速率，結(jié)果表明，當(dāng)燃料蒸發(fā)速率增大時(shí)，火焰直徑明顯增大。當(dāng)燃料蒸發(fā)速率為0.03kg/(m2?s)時(shí)，火焰直徑在穩(wěn)定燃燒階段約為3.5米；當(dāng)燃料蒸發(fā)速率增大到0.05kg/(m2?s)時(shí)，火焰直徑在穩(wěn)定燃燒階段增大至約4米。環(huán)境因素如風(fēng)速、環(huán)境溫度等也對(duì)火焰直徑產(chǎn)生重要影響。風(fēng)速的增加會(huì)改變火焰周圍的空氣流動(dòng)狀態(tài)，一方面，風(fēng)會(huì)加速火焰周圍空氣的流動(dòng)，使火焰周圍的氧氣供應(yīng)更加充足，促進(jìn)燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，從而導(dǎo)致火焰直徑增大；另一方面，風(fēng)也會(huì)對(duì)火焰產(chǎn)生拉伸和卷吸作用，使火焰發(fā)生傾斜，部分火焰被吹散，從而導(dǎo)致火焰直徑減小。在低風(fēng)速范圍內(nèi)（0-1m/s），風(fēng)速的增加對(duì)火焰直徑的增大作用較為明顯；當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步增大時(shí)，風(fēng)對(duì)火焰的拉伸和卷吸作用逐漸占據(jù)主導(dǎo)，火焰直徑開始減小。當(dāng)風(fēng)速為0.5m/s時(shí)，火焰直徑在穩(wěn)定燃燒階段約為4.2米；當(dāng)風(fēng)速增大到2m/s時(shí)，火焰直徑在穩(wěn)定燃燒階段減小至約3.8米。環(huán)境溫度的升高會(huì)使燃料的蒸發(fā)速率加快，從而增加燃燒速率，導(dǎo)致火焰直徑增大。當(dāng)環(huán)境溫度從298K升高到310K時(shí)，火焰直徑在穩(wěn)定燃燒階段從約4米增大至約4.3米。這是因?yàn)榄h(huán)境溫度升高，燃料分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，更容易從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，從而增加了可燃混合氣的濃度，促進(jìn)了燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，使得火焰直徑增大?；鹧嬷睆降淖兓嵌喾N因素共同作用的結(jié)果，與燃燒速率、風(fēng)速、環(huán)境溫度等因素密切相關(guān)。在實(shí)際火災(zāi)場景中，準(zhǔn)確把握火焰直徑的變化規(guī)律，對(duì)于評(píng)估火災(zāi)的危害范圍、制定合理的火災(zāi)防控措施以及保障人員和財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。通過對(duì)火焰直徑變化規(guī)律的研究，可以合理確定火災(zāi)現(xiàn)場的警戒范圍，防止無關(guān)人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域；在消防救援中，可以根據(jù)火焰直徑的大小，合理選擇滅火設(shè)備和滅火方法，提高滅火效果。4.3火源擴(kuò)散行為特征4.3.1火羽流特性火羽流作為航空煤油池火燃燒過程中的重要現(xiàn)象，其特性對(duì)于深入理解火源擴(kuò)散行為和火災(zāi)發(fā)展態(tài)勢(shì)具有關(guān)鍵意義。通過數(shù)值模擬，獲得了火羽流速度和溫度分布的詳細(xì)數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)其特性進(jìn)行了全面分析。從火羽流速度分布云圖（見圖8）可以清晰地看出，在火焰底部，火羽流速度相對(duì)較低，隨著高度的增加，火羽流速度迅速增大，在火焰中心區(qū)域達(dá)到最大值。這是因?yàn)樵诨鹧娴撞?，燃料與空氣的混合過程尚未充分完成，燃燒反應(yīng)相對(duì)較弱，產(chǎn)生的熱量較少，對(duì)空氣的加熱和推動(dòng)作用較小，導(dǎo)致火羽流速度較低。而隨著高度的增加，燃料與空氣充分混合，燃燒反應(yīng)劇烈進(jìn)行，釋放出大量的熱量，使周圍空氣迅速受熱膨脹上升，形成強(qiáng)烈的對(duì)流，從而導(dǎo)致火羽流速度迅速增大。在火焰頂部，由于熱量的散失和燃燒產(chǎn)物的擴(kuò)散，火羽流速度逐漸減小。從水平方向上看，火羽流速度在火焰中心軸線上最大，向火焰邊緣逐漸減小。這是因?yàn)榛鹧嬷行膮^(qū)域燃燒最為劇烈，產(chǎn)生的熱量和氣體流量最大，對(duì)空氣的推動(dòng)作用最強(qiáng)，而火焰邊緣區(qū)域燃燒相對(duì)較弱，火羽流速度也相應(yīng)較小。火羽流溫度分布與速度分布密切相關(guān)。在火焰底部，由于燃料的蒸發(fā)和預(yù)熱過程，溫度相對(duì)較低，隨著高度的增加，進(jìn)入火焰主體區(qū)域，燃燒反應(yīng)劇烈進(jìn)行，釋放出大量的熱量，使得火羽流溫度迅速升高，在火焰中心區(qū)域達(dá)到最大值。在火焰頂部，由于熱量的散失和燃燒產(chǎn)物的稀釋，溫度逐漸降低。從水平方向上看，火羽流溫度在火焰中心軸線上最高，向火焰邊緣逐漸降低。這是因?yàn)榛鹧嬷行膮^(qū)域燃料與氧氣充分混合，燃燒反應(yīng)最為劇烈，釋放的熱量最多，而火焰邊緣區(qū)域氧氣供應(yīng)相對(duì)不足，燃燒反應(yīng)不夠充分，溫度也相對(duì)較低。在燃燒過程中，火羽流形態(tài)不斷發(fā)生變化。在燃燒初期，火羽流呈現(xiàn)出較為規(guī)則的柱狀形態(tài)，隨著燃燒的進(jìn)行，火焰逐漸變得不穩(wěn)定，火羽流開始出現(xiàn)波動(dòng)和扭曲。這是由于燃燒過程中產(chǎn)生的湍流和空氣的流動(dòng)干擾了火羽流的穩(wěn)定性，使得火羽流形態(tài)發(fā)生變化。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速較大時(shí)，火羽流會(huì)受到風(fēng)的作用而發(fā)生傾斜，甚至被吹散。風(fēng)的作用會(huì)改變火羽流周圍的空氣流動(dòng)狀態(tài)，使得火羽流的受力情況發(fā)生變化，從而導(dǎo)致火羽流形態(tài)的改變。火羽流形態(tài)的變化對(duì)火源擴(kuò)散具有重要影響?；鹩鹆鞯牟▌?dòng)和扭曲會(huì)使得火源向周圍空間的擴(kuò)散更加復(fù)雜，增加了火災(zāi)蔓延的風(fēng)險(xiǎn)?；鹩鹆鞯膬A斜和被吹散會(huì)改變火源的擴(kuò)散方向，使得火源更容易向順風(fēng)方向擴(kuò)散，從而擴(kuò)大了火災(zāi)的影響范圍。4.3.2可燃?xì)怏w擴(kuò)散范圍通過數(shù)值模擬，得到了不同時(shí)刻航空煤油池火燃燒過程中可燃?xì)怏w擴(kuò)散范圍的模擬結(jié)果（見圖9）。在燃燒初期，可燃?xì)怏w主要集中在油池表面附近，隨著燃燒的進(jìn)行，可燃?xì)怏w逐漸向周圍空間擴(kuò)散。在t=10s時(shí)，可燃?xì)怏w擴(kuò)散范圍較小，主要集中在以油池為中心半徑約1米的范圍內(nèi)。隨著時(shí)間的推移，可燃?xì)怏w擴(kuò)散范圍不斷擴(kuò)大，在t=30s時(shí)，可燃?xì)怏w擴(kuò)散到以油池為中心半徑約3米的范圍內(nèi)。在燃燒后期，由于燃料逐漸減少，可燃?xì)怏w的產(chǎn)生量也逐漸降低，擴(kuò)散范圍的擴(kuò)大速度逐漸減緩。在t=60s時(shí)，可燃?xì)怏w擴(kuò)散到以油池為中心半徑約4米的范圍內(nèi)，之后擴(kuò)散范圍基本保持穩(wěn)定。燃料的揮發(fā)特性是影響可燃?xì)怏w擴(kuò)散范圍的重要因素之一。航空煤油具有一定的揮發(fā)性，在池火燃燒過程中，液態(tài)燃料不斷吸收熱量蒸發(fā)成為氣態(tài)燃料，為可燃?xì)怏w的擴(kuò)散提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。燃料的揮發(fā)速率與溫度密切相關(guān)，溫度越高，燃料的揮發(fā)速率越快，產(chǎn)生的可燃?xì)怏w量越多，擴(kuò)散范圍也就越大。在模擬中，通過改變油池表面的溫度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)油池表面溫度升高時(shí)，可燃?xì)怏w的擴(kuò)散范圍明顯增大。當(dāng)油池表面溫度從300K升高到320K時(shí)，在t=30s時(shí)，可燃?xì)怏w擴(kuò)散范圍從以油池為中心半徑約3米擴(kuò)大到約3.5米。這是因?yàn)闇囟壬撸剂戏肿拥臒徇\(yùn)動(dòng)加劇，更容易從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，從而增加了可燃?xì)怏w的產(chǎn)生量和擴(kuò)散速度。空氣的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)可燃?xì)怏w擴(kuò)散范圍也有著顯著影響。在開放空間中，空氣的流動(dòng)會(huì)帶動(dòng)可燃?xì)怏w的擴(kuò)散。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速增加時(shí)，空氣的流動(dòng)速度加快，能夠更有效地將可燃?xì)怏w攜帶到更遠(yuǎn)的地方，從而擴(kuò)大了可燃?xì)怏w的擴(kuò)散范圍。在模擬中，分別設(shè)置了不同的環(huán)境風(fēng)速（0m/s、1m/s、2m/s）進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，隨著風(fēng)速的增加，可燃?xì)怏w的擴(kuò)散范圍逐漸增大。當(dāng)風(fēng)速為0m/s時(shí)，在t=30s時(shí)，可燃?xì)怏w擴(kuò)散到以油池為中心半徑約3米的范圍內(nèi)；當(dāng)風(fēng)速增加到1m/s時(shí)，可燃?xì)怏w擴(kuò)散到以油池為中心半徑約3.5米的范圍內(nèi)；當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步增加到2m/s時(shí)，可燃?xì)怏w擴(kuò)散到以油池為中心半徑約4米的范圍內(nèi)。此外，空氣的流動(dòng)方向也會(huì)影響可燃?xì)怏w的擴(kuò)散方向，可燃?xì)怏w通常會(huì)順著空氣流動(dòng)的方向擴(kuò)散。4.4溢油行為與擴(kuò)散規(guī)律4.4.1溢油形狀變化通過數(shù)值模擬，得到了航空煤油泄漏后溢油形狀隨時(shí)間變化的模擬圖像（見圖10）。在泄漏初期（t=0-10s），由于重力和慣性的作用，航空煤油從泄漏源迅速向四周擴(kuò)散，溢油形狀近似為圓形，且半徑迅速增大。這是因?yàn)樵谛孤┏跗冢孤┧俣容^快，煤油具有一定的動(dòng)能，能夠克服表面張力和摩擦力的作用，快速向周圍擴(kuò)散。隨著時(shí)間的推移（t=10-30s），溢油受到地面摩擦力和表面張力的影響逐漸增大，擴(kuò)散速度逐漸減緩，溢油形狀開始發(fā)生變形。在地面粗糙度較大的區(qū)域，摩擦力對(duì)溢油擴(kuò)散的阻礙作用更為明顯，導(dǎo)致溢油在該方向上的擴(kuò)散速度減慢，溢油形狀呈現(xiàn)出不規(guī)則的形態(tài)。同時(shí)，表面張力使得溢油表面有收縮的趨勢(shì)，進(jìn)一步影響了溢油的形狀。在t=30-60s時(shí)間段內(nèi)，溢油擴(kuò)散逐漸達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，溢油形狀基本不再發(fā)生明顯變化。此時(shí)，溢油的擴(kuò)散速度與地面摩擦力、表面張力以及周圍空氣阻力達(dá)到平衡，溢油的形狀主要取決于泄漏源的位置、地面條件以及初始泄漏速度等因素。如果泄漏源位于低洼處，溢油會(huì)在重力作用下向低洼處聚集，形成較為集中的液池，溢油形狀可能呈現(xiàn)出與低洼地形相適應(yīng)的形狀；如果地面較為平坦，溢油會(huì)在較大范圍內(nèi)擴(kuò)散，形成相對(duì)均勻的液池，溢油形狀相對(duì)較為規(guī)則。風(fēng)速對(duì)溢油形狀也有顯著影響。當(dāng)存在一定風(fēng)速時(shí)，溢油會(huì)在風(fēng)的作用下向下風(fēng)方向擴(kuò)散，溢油形狀會(huì)發(fā)生明顯的偏移和拉伸。在風(fēng)速為1m/s時(shí)，溢油在t=30s時(shí)，下風(fēng)方向的長度明顯大于上風(fēng)方向，溢油形狀呈現(xiàn)出橢圓形。隨著風(fēng)速的增加，溢油形狀的偏移和拉伸更加明顯，當(dāng)風(fēng)速增大到3m/s時(shí)，溢油形狀幾乎被拉伸成一條帶狀，下風(fēng)方向的擴(kuò)散距離遠(yuǎn)大于其他方向。這是因?yàn)轱L(fēng)的作用使得溢油表面的空氣流動(dòng)速度加快，從而增加了溢油與空氣之間的摩擦力，促使溢油向下風(fēng)方向擴(kuò)散。4.4.2溢油擴(kuò)散速度與范圍通過數(shù)值模擬，對(duì)航空煤油溢油擴(kuò)散速度和范圍進(jìn)行了深入研究，并分析了風(fēng)速、地形等因素對(duì)溢油擴(kuò)散的影響。在泄漏初期，溢油擴(kuò)散速度較快，隨著時(shí)間的推移，擴(kuò)散速度逐漸減小。在t=0-10s時(shí)間段內(nèi)，溢油擴(kuò)散速度約為0.5m/s，隨著時(shí)間的增加，在t=50-60s時(shí)間段內(nèi)，擴(kuò)散速度減小至約0.1m/s。這是因?yàn)樵谛孤┏跗?，溢油具有較大的初始動(dòng)能，能夠快速向周圍擴(kuò)散；隨著擴(kuò)散的進(jìn)行，溢油受到地面摩擦力、表面張力以及周圍空氣阻力的作用逐漸增大，這些阻力消耗了溢油的動(dòng)能，使得擴(kuò)散速度逐漸減小。風(fēng)速對(duì)溢油擴(kuò)散速度和范圍有著顯著影響。隨著風(fēng)速的增加，溢油擴(kuò)散速度明顯增大，擴(kuò)散范圍也顯著擴(kuò)大。在風(fēng)速為0m/s時(shí)，在t=60s時(shí)，溢油擴(kuò)散范圍以泄漏源為中心半徑約為3米；當(dāng)風(fēng)速增加到1m/s時(shí)，溢油擴(kuò)散范圍增大到以泄漏源為中心半徑約為4米；當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步增加到3m/s時(shí)，溢油擴(kuò)散范圍增大到以泄漏源為中心半徑約為6米。這是因?yàn)轱L(fēng)的作用不僅增加了溢油表面的空氣流動(dòng)速度，從而增加了溢油與空氣之間的摩擦力，促使溢油擴(kuò)散速度加快；還帶動(dòng)了溢油的整體移動(dòng)，使得溢油能夠擴(kuò)散到更遠(yuǎn)的地方。地形對(duì)溢油擴(kuò)散也有重要影響。當(dāng)存在坡度時(shí)，溢油會(huì)在重力的作用下向地勢(shì)較低的方向擴(kuò)散，擴(kuò)散速度加快，擴(kuò)散范圍也會(huì)發(fā)生改變。在坡度為5°的情況下，溢油在t=30s時(shí)，向地勢(shì)較低方向的擴(kuò)散距離明顯大于水平方向，擴(kuò)散范圍呈現(xiàn)出明顯的方向性。當(dāng)?shù)孛娲嬖谡系K物時(shí)，溢油的擴(kuò)散會(huì)受到阻礙，擴(kuò)散速度減小，擴(kuò)散范圍也會(huì)受到限制。在泄漏源附近設(shè)置一個(gè)直徑為1米的圓柱形障礙物，溢油在擴(kuò)散過程中會(huì)繞過障礙物，在障礙物后方形成一個(gè)低速區(qū)，溢油在該區(qū)域的擴(kuò)散速度明顯減小，擴(kuò)散范圍也相應(yīng)減小。五、模型驗(yàn)證與優(yōu)化5.1模型驗(yàn)證為了確保所建立的開放空間航空煤油池火燃燒數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性，將模擬結(jié)果與已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及其他相關(guān)研究成果進(jìn)行了細(xì)致的對(duì)比分析。從溫度分布角度來看，選取了文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)]中關(guān)于航空煤油池火燃燒溫度分布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。該實(shí)驗(yàn)采用了先進(jìn)的熱電偶測溫技術(shù)，在不同位置和時(shí)間點(diǎn)對(duì)池火溫度進(jìn)行了精確測量。將本研究的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，在燃燒初期，模擬溫度與實(shí)驗(yàn)測量溫度的變化趨勢(shì)基本一致，均呈現(xiàn)出快速上升的趨勢(shì)。在穩(wěn)定燃燒階段，模擬得到的火焰中心最高溫度與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，在火焰邊緣區(qū)域，模擬溫度與實(shí)驗(yàn)值的偏差也在可接受范圍內(nèi)。這表明本模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬航空煤油池火燃燒過程中的溫度分布情況。在火焰高度方面，參考了另一項(xiàng)針對(duì)航空煤油池火燃燒的研究成果[具體文獻(xiàn)]。該研究通過高速攝像機(jī)對(duì)火焰高度進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測，并采用圖像處理技術(shù)對(duì)火焰高度進(jìn)行了精確測量。將本模型模擬得到的火焰高度隨時(shí)間變化曲線與該研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，