计算羽流中心线温度和顶棚射流温度的
算法与实验比较
威廉·D·戴维斯*
国家标准与技术研究所，100局博士。
（STOP 8642，盖瑟斯堡，MD 20899 8642，美国）
摘要：将计算热上层存在时羽流中心线温度和最大顶棚射流温度的两种算法的预测能力与开发热层的实验测量结果进行了比较。此外，还对CFAST(3.1版)中的顶棚射流算法进行了比较。实验包括0.58米至22米的天花板高度以及热释放率(HRR)为0.62 kW~33 MW。在测量和计算的综合不确定度大致等于t20%的情况下，Evans和Davis的算法始终提供接近或在该不确定区间内的所有火灾尺寸和天花板高度的预测，而cfast中的天花板喷射算法始终高于预测的温度。
关键词：顶棚射流、火灾实验、火灾模型、火羽流、温度相关性、温度测量。
介绍
最近的实验[1]强调了当上层发展时，对通风冷却的高隔间空间内的顶棚射流温度和羽流中心线温度的预测能力的改进需求。已经使用JET（区域火灾模型LAVENT[3]的修改版本）[2]开发并测试了算法，其能够模拟实验的羽流中心线温度和天花板射流温度。这些算法后来被列入CFAST（3.1版）[4]，以便利用这个平台来测试其准确性。本研究将顶棚射流温度[2]和火羽流中心线温度[5]算法的预测与各种研究者的测量结果进行了比较[1,6-9]。比较中还包括CFAST的顶棚喷流预测(3.1版)[10]。
为与这些模型进行比较而选择的实验涵盖了包括顶棚高度和火灾大小在内的一系列参数。由于这项工作是在建筑物的背景下完成的，所以只使用形成热天花板层的实验。在大多数情况下，预测和测量之间的比较是在生长火灾达到稳态放热率（HRR）之后进行的。火羽流中心线温度的比较是针对天花板高度范围从0.58米到22米，而顶棚射流温度的比较是针对天花板高度从1米到22米。
理论知识
火羽流中心线温度
火羽流的分析是建立在质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律的基础上的。早期的工作以点源为中心，假设羽流边缘的空气卷吸速率与局部垂直羽流速度[11]成正比。对无约束顶棚羽流中心线温度的测量结果表明，赫斯卡斯塔德[12]得出的相关关系与理论相符。这种相关性给出了超温作为虚点源上方高度的函数
虚拟原点（z0）由下式给出
其中Q和Qc分别是总热量和对流热释放率，D是火焰直径，z是火表面以上的高度，Tinfin;，cp和rho;infin;分别是环境气体的温度，热容量和密度。当形成热的上层时，必须修改这种相关性以便预测火羽流中心线温度，因为火羽流现在包括通过在热层气体穿过上层到达顶棚时夹带热层气体而增加的焓。Cooper [13]和Evans [5]已经开发了定义替代虚拟源和HRR以将火羽流扩展到上层的方法。Evans方法定义了替代源相对于上下层界面的强度Q1,2和位置Z1,2
其中ZI,1是从火到上层和下层之间的界面的距离，xi;是上层和下层温度的比率，beta;是实验确定的常数[14]（beta;2=0.913），CT=9.115。然后由下式得到虚拟源和顶棚之间的距离H2
其中H1是天花板下方火灾的位置（见图1）。然后将火源和顶棚高度的新值用于标准羽流相关[15]，其中环境温度现在是上层的温度（两层环境已经被温度等于上层温度的单层所取代）。
羽流过剩温度由下式给出
其中Tu是上层温度。
顶棚射流算法
顶棚射流温度算法[2]预测了顶棚射流在上层存在时的最高温度。当r/hgt;0.18时，作为半径函数的顶棚射流温度超过由下式得出：
其中：
alpha;=0.44，yJ=0.1times;H, yJ是热层厚度, △Tp为用Evansrsquo;s方法计算的羽流中心线温度过剩量(式(3)-(7))。当没有热层存在时，模型简化为r/H gt; 0.18与Alpert[16]的相关关系，但关联中使用的是对流放热率(HRRc)，而不是总放热量。
由于该算法未出现在期刊文献中，因此将给出该算法基础的简短说明。 该算法是使用Gott [1]的实验开发的，这些实验是在顶棚高度15米和22米的机库中进行的JP-5和JP-8平底火灾。 15米的机库有一个几乎平坦的天花板，而22米的机库有一个可以形容为桶形的天花板。 在距离羽状中心线的前12米处，22米机库的天花板在桶顶方向上相当平坦，然后随着高度的增加而开始向下弯曲。
图2给出了22米机库中2.8兆瓦JP-5平底火顶棚射流径向温度随时间的变化规律：
图2.2.8 MW JP-5型盘火顶棚高度22 m时顶棚射流径向温度随时间的演化规律。对筒形顶板方向的烟羽中心东侧和西侧进行了平均测量。最低的曲线是Alpert的相关评估使用2.8 MW的热释放率。接下来的五条曲线从底部到顶部分别代表80秒、100秒、150秒、200秒和300秒时的顶棚喷射温度。给出了各数据集的幂律曲线拟合和Alpert与羽流中心距离r的函数关系。测量值显示的不确定区间是一个sigma区间，基于20秒间隔内五个数据点的最小二乘平均。
(更多细节见参考[17])。测量是在桶顶方向进行的。温度值是基于以给定时间为中心的五个数据点的平均值，其中一条曲线上显示了1西格玛不确定性。数据点之间的平均时间为4.0 s。图中所示的是由Alpert对无约束天花板[16]的相关性所预测的顶棚射流温度。在实验的早期，在一层形成之前，测得的顶棚喷射温度与阿尔珀特的相关。测量值与这种相关性的良好一致性表明，顶板曲率对顶板射流的温度依赖性影响很小。
随着热层的发展，顶板射流温度升高，温度的径向依赖性减小。与Alpert相关预测的径向依赖关系变化的原因是，随着热上层的发展，顶棚射流开始吸入热空气，而不是较冷的环境空气。该层的深度将决定除了上层热空气外，还有多少环境空气被夹带进来。图3和图4中的数据为热层在15米和22米高度发展时径向温度依赖关系的变化提供了额外的证据。Motevalli和Ricciuti[7]在1.0 m缩尺实验和Zukowski和Kubota在hood实验[18]中也观察到了类似的结果。
由于两个机库的吸风幕深度不同，实验为确定吸风幕深度对径向温度依赖性的影响提供了指导。随着热层的形成，温度的径向依赖关系将从无约束上限的Alpert值0.67变为0.23plusmn;0.07。基于这些值，,确定了alpha;=0.44的值。
k的值是由羽流中心线温度与顶棚射流开始时的温度之比确定的。没有热层，k=0.67plusmn;0.11并且随着热层的发展，观察到k的值增加到0.84plusmn;0.04。这种效应是由于热层形成时，羽流边缘的环境空气夹带减少造成的。
图3.在15米高的顶棚下，对7.7 MW JP-5型带吸风幕盘火顶棚射流径向温度随时间的演化规律进行了研究。这四条曲线从下到上分别对应70 s、100 s、200 s、300 s的实验次数。
图4.在天花板高度为22米的试验中，2.8 MW、4.9 MW、7.9 MW、14.6 MW和15.7 MW的平均顶棚喷射温度。底部曲线为无层顶棚射流，顶部曲线为一层填满窗帘后200s顶棚射流。温度被调整到2.8 MW试验的对流热释放率。图中所示的不确定区间表示的是由5次试验中各点的标度温度平均值推导出的1-sigma区间
在假设辐射是顶棚射流冷却的主要原因的基础上，yJ参数的初始值为1.0 m[17]。当将该算法与Motevalli的顶棚高度为1.0 m的[7]缩尺实验进行比较时，我们发现原来的值是不正确的。基于顶棚射流夹带的环境空气可能与顶棚射流的厚度和上层的厚度两者有关的假设，将标高0.1times;H，即顶棚射流的近似厚度，替换为1.0 m的值。
模型预测与实验的比较
通过一系列实验得到了数据，并与上述算法的预测结果进行了对比。每个实验的简要说明将包含在以下章节中。根据火源与顶板的距离组织试验，试验范围为0.58 m ~ 22m。当可用时，将给出上层温度过剩量，并与计算值进行比较。在比较中，以CFAST为计算基础的顶棚射流温度和羽线中心线温度的新算法将被指定为DNT，而CFAST中现有顶棚射流算法3.1版本将被指定为v3.1。
为实验测量和模型预测提供了不确定区间。对于每个实验，实验的不确定性要么是报告中给出的，要么是根据实验数据和火灾类型来估计的。不确定区间如表1-6所示，为列右侧的分割行，包含测量值或计算值。
计算机火灾模型需要大量实验确定的输入值，每个输入值的不确定性在计算结果中产生不确定性。本文模型的不确定区间是基于每次实验的HRRc估计不确定度。火与顶棚之间的距离的测量以及墙壁和天花板的材料特性被忽略。HRRc的不确定度等于HRR和辐射率的不确定度之和。对于那些无法从本文中获得这些不确定性的实验，这些不确定性代表了基于实验中使用的火灾类型和燃料类型的最佳猜测。由于改变HRR将影响层温度，因此通过使用HRRc的高、中、低估计来获得用于计算的不确定性区间。通过改变辐射率或总HRR来进行估计。HRRc是由下式给出的
改变辐射率、Xr或HRR对HRRc的影响是相同的。
当不确定区间重叠时，判断预测和测量结果是否一致。虽然人们很容易将测量值和预测值进行比较，而忽略不确定区间，但不确定区间是衡量或模型预测准确性的指南。
Evans(顶棚高度0.58米)
在13mm厚的陶瓷纤维板天花板周围用0.29mu;m深的PMMA帘幕形成直径为1.22mu;m的圆柱形外壳，用于研究由轴对称羽流产生的温度。火源是位于气缸中心的直径为0.0365 m的甲烷气体燃烧器。燃烧器的顶部位于天花板下0.58米。HRR为0.62 kW。这个实验的细节可以参考[6]。
在模拟实验中，圆柱形围护结构近似为边长1.04 m的正方形围护结构，并设置了0.29 m的深吸风幕。采用CFAST数据库中的“覆盖”选择，近似模拟了天花板材料。大火集中在距离天花板0.58米的正方形上。甲烷的辐射率为0.16。
本实验测量的羽流中心线温度是高度的函数，而不是顶棚射流温度。使用DNT预测的羽流中心线温度过量为68℃，而测得的稳态值为60plusmn;5℃（表1）。 测量的不确定性区间在参考文献中给出，而计算中的不确定性基于对实验的HRR的不确定性的估计为5％并且产生在65℃和70℃之间的范围。计算的上层超温为35C，实测值为30C。利用DNT预测的羽线温度超差值恰好在测量和计算的综合不确定区间内。
Motevalli和Ricciuti（顶棚高度1.0米）
在1.27厘米厚的纤维板天花板周围用0.5米深的瓦楞纸板帘幕形成直径2.13米的圆柱形外壳，用于研究距离为r / H = 0.26和r / H = 0.75的天花板射流的发展，其中r为 距消防中心的径向距离和H是燃烧器出口和天花板之间的距离。火焰由直径2.7厘米的燃烧器产生的甲烷火焰组成。燃烧器出口位于圆柱形外壳的中心，在天花板下1.0米。本研究采用的火灾规模分别为0.75 kW和2.0 kW。关于这个实验的更多细节可以在参考[7]中找到。
在模拟实验中，圆柱形围护结构近似为边长1.89 m的正方形围护结构，并设置了0.50 m的深吸风幕。采用CFAST数据库中的“覆盖”选择，近似模拟了天花板材料。大火以距离顶棚1.0米的正方形为中心。
表2给出了DNT和CFAST (v3.1)的预测，其中顶棚射流温度最大值为300 s。这些实验进行了35分钟，但天花板射流温度在300秒后几乎保持不变。对于测量结果的不确定性，作者没有给出任何指导。假设不确定度区间为10%是测量精度的合理近似值，包括温度测量中的系统误差和数据分散。HRR也使用了10%的不确定区间，其中包括燃烧器流量、燃烧效率和燃料源辐射率的不确定度。DNT在计算和测量的综合不确定性范围内预测了顶棚喷射温度，尽管两种火灾规模的趋势都低于预测温度。3.1版本的算法CFAST预测顶棚射流的温度在r / H=0.26在合并后的不确定性,但软件开发的温度在r / H=0.75。CFAST计算出0.75 kW和2.0 kW实验上层超温分别为17℃和37℃，实测值分别为14℃和31℃。
Heskestad和Delichatsios (顶棚高度2.7 m)
使用9.75米times;14.6米的天花板进行一系列实验。模拟梁安装在天花板上，深度为0.305米，间距为1.22米，梁与天花板长尺寸平行。选取两组试验(试验7和试验4)进行分析，一组采用1.22 m深吸风幕，一组不采用吸风幕。木床作为火源，横梁底部位于木床顶部上方2.43米。这两组测试是从三组测试中选择的，基于相似的木材水分含量和几乎相同的t平方火生长速度。由于提供了火灾生长速率随时间的函数，因此对几种不同大小的火灾进行了比较。这些比较的火种大小从30千瓦到830千瓦不等。有关实验的更多信息可以在参考[8]中找到。
在本实验的建模中，箱体为矩形，尺寸为9.75 m 14.63 m，天花板高度为2.74 m。这些梁的模型假设一个0.305米深的通风帘子附着在14.63米长的矩形天花板两侧。该通风幕
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资料编号：[4857]
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