不同散熱格柵對汽車發(fā)動機艙火災(zāi)影響數(shù)值分析

1、不同散熱格柵對汽車發(fā)動機艙火災(zāi)影響數(shù)值分析丁瑋(河南省消防總隊,河南鄭州450007摘要:通過數(shù)值模擬在同一時間段內(nèi)相同火災(zāi)場景下,不同位置和開口面積的汽車散熱格柵表面的溫度、熱釋放速率及輻射熱變化規(guī)律,從而給出劃分汽車發(fā)動機艙火災(zāi)的燃燒階段的時間臨界點,并從增強防火安全性的角度為汽車制造廠商提供散熱格柵的設(shè)計參考。關(guān)鍵詞:數(shù)值模擬;散熱格柵;汽車火災(zāi)1概述汽車散熱格柵是由金屬制成的格柵支柱框架,或由金屬絲制成的蜂窩狀柵條,在確保足夠空氣進(jìn)入的同時,能將路面上的碎石或其它的道路污染物擋在格柵外,對發(fā)動機艙起保護作用。在汽車行駛中,冷風(fēng)通過散熱隔柵灌入,推動熱量從機艙下面、車底盤處四散而去,以此

2、來降低機艙內(nèi)溫度,艙內(nèi)高溫是汽車火災(zāi)頻發(fā)的一個重要原因。汽車問世時,基于優(yōu)先考慮散熱性能的角度,前面板多采用大散熱格柵設(shè)計。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,汽車消費呈現(xiàn)新的需求,個性化的車型,富有創(chuàng)新意義的散熱格柵成為關(guān)注的焦點,散熱格柵開口的面積和位置都有了較大改變1。類比室內(nèi)火災(zāi),通風(fēng)因子的改變對于火災(zāi)發(fā)展過程影響重大,本文試圖通過改變散熱格柵開口面積和位置,運用數(shù)值模擬,對發(fā)動機艙火災(zāi)進(jìn)行研究,得出散熱格柵對汽車發(fā)動機艙火災(zāi)的影響,從而為汽車制造廠商和消防日常工作提供參考。2模型參數(shù)設(shè)置應(yīng)用美國商務(wù)部標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究中心(National Institute of Standards and Techn

3、ology,NIST開發(fā)的FDS (Fire Dynamics Simulator模型。它是一種以火災(zāi)中流體運動為主要模擬對象的計算流體動力學(xué)(CFD模型,適用于火災(zāi)引起的煙氣和熱傳遞規(guī)律的研究2。由于FDS自身程序限制,只適用于形狀比較規(guī)則的立方體區(qū)域和物體。本文對發(fā)動機艙模型進(jìn)行合理的假設(shè),將發(fā)動機艙部分認(rèn)定為長方體。模擬求解后可獲得測試點的熱釋放速率(HRR、溫度(T及輻射熱等數(shù)據(jù),據(jù)此分析散熱格柵面積改變后對汽車發(fā)動機艙火災(zāi)的影響。2.1模型尺寸設(shè)置表1FDS模擬場景列表場景開口位置開口面積(鏡像開口位置開口面積(鏡像 1592.2模擬結(jié)果及分析熱釋放速率是衡量火災(zāi)危險性大小的一個重要

4、參數(shù),模擬所得的數(shù)據(jù)表征了發(fā)動機艙火災(zāi)燃燒的猛烈程度。從圖2 4中可看出:(1正面開口面積相同時,著火初期,頂部開口面 圖112種場景下發(fā)動機艙的模擬布置圖積較小的場景下,HRR值較大,隨著燃燒的進(jìn)行,頂部開口面積越大,HRR值越高,燃燒越猛烈。(2頂部開口面積相同,正面開口面積的變化對于HRR值影響較小。 圖2正面開口面積相同、頂部開口面積不同情況下HRR比較 圖4頂部開口面積相同、正面開口面積不同情況下HRR比較溫度此部分關(guān)注了正面散熱隔柵中心點、頂部散熱隔柵中心點和輪胎上表面中心點的溫度變化。這些點的溫度變化分別表征了發(fā)動機艙火災(zāi)發(fā)展過程中不同部位的溫升狀況。圖5和6分別是固定正面開口面

5、積,改變頂部開口面積時正面中心點和頂面中心點的溫度曲線。從圖中可以看出:(1正面開口面積相同時,頂部開口面積變化對正面中心點的溫度的影響是隨時間變化的,0 120s 內(nèi),頂部開口面積越大,正面中心點溫度越低;120 180s ,頂部開口面積對此點溫度影響作用變小,4種場景溫度趨于一致。(2正面開口面積相同時,前階段,頂部開口面積大小對頂部中心溫度幾乎沒有影響,頂部開口面積變大,頂部中心點溫度會升高,開口面積增大至一定程度,頂部中心點溫度趨于穩(wěn)定。出現(xiàn)上述現(xiàn)象與燃燒過程的分階段性有關(guān)。在燃燒的第一階段,即燃料控制階段,煙氣和火焰向上抽吸,高溫氣體聚集在頂部出口處,因此,頂部開口面積的變化對于頂部

6、中心溫度變化幾乎無影響,但煙氣外溢的程度會影響艙內(nèi)溫升的速度,因此會出現(xiàn)正面開口中心點溫度隨頂部開口面積的增大而降低的現(xiàn)象。燃燒進(jìn)行至第二階段,即通風(fēng)控制階段,頂部開口面積變大使得通風(fēng)量增大,艙內(nèi)燃燒更為充分,下部燃燒處于穩(wěn)定狀態(tài),位于艙體側(cè)面的正面開口中心溫度變化趨于一致,高溫氣體聚集在艙體頂部,與通風(fēng)狀況聯(lián)系緊密,會出現(xiàn)開口面積變大,溫度升高的趨勢,在基本滿足通風(fēng)量控制的情況下,增大開口面積不會使溫度再有大幅上升,頂面中心點溫度趨于穩(wěn)定。 圖5正面開口面積相同,頂部開口面積不同時正面開口中心點溫度曲線 圖6正面開口面積相同,頂部開口面積不同時頂部開口中心點溫度曲線汽車發(fā)動機艙發(fā)生火災(zāi)時,若

7、發(fā)動機艙蓋頂部有散熱隔柵開口,火焰和煙氣則會選擇此開口為第一突破口,對外產(chǎn)生輻射,此時輻射熱直接作用于擋風(fēng)玻璃表面,本文中認(rèn)定y =0.8切面上,發(fā)動機艙蓋以上區(qū)域所接受到的輻射熱即為投射到擋風(fēng)玻璃表面的輻射熱。此輻射熱值大小與擋風(fēng)玻璃的破碎行為緊密聯(lián)系。輻射熱值越高,擋風(fēng)玻璃玻璃表面吸收熱量越多,破碎時間越短5。圖7表示了12種場景下y =0.8切面上頂部散熱隔柵開口以上的熱輻射最大值的截圖。圖中用彩色帶代表不同的輻射值范圍。場景1 12對應(yīng)的最大熱輻射強度值可見圖8。(1頂部無開口時對應(yīng)熱輻射強度最小。場景1,5,9是頂部無開口的場景,最大值分別為5.8,10,14.7kW /m 2。遠(yuǎn)遠(yuǎn)

8、小于其它值。這是由于發(fā)動機艙蓋材料一般為金屬材料,若頂部無開口,火焰不可能燒穿發(fā)動機艙蓋向豎直方向蔓延,由于正面散熱隔柵開口的存在,火焰會自正面開口竄出,由于距離的作用,火焰無法直接作用于擋風(fēng)玻璃表面,因此對應(yīng)的熱輻射強度較小。(2頂部開口面積為0.3m 0.2m 場景對應(yīng)熱輻射強度最大。對比圖8中各值,可發(fā)現(xiàn)輻射熱值大小并不完全遵循開口面積越大,熱輻射強度越大的規(guī)律。以正面開口面積大小編組,可發(fā)現(xiàn)每組的輻射熱最大值均對應(yīng)頂部開口面積為0.3m 0.2m 的場景。整體最大值出現(xiàn)在場11場景下,即正面開口面積為0.6m 0.2m ,頂部開口面積為0.3m 0.2m 時。 圖712種場景下y =0

9、.8輻射熱值截面圖 圖8y =0.8截面上部輻射熱最大值3結(jié)論(1發(fā)動機艙火災(zāi)整個燃燒過程可分為燃料控制和通風(fēng)控制兩個階段,燃料控制階段大約持續(xù)120s 。(2發(fā)動機艙發(fā)生火災(zāi)時,散熱隔柵開口位于頂部,更有助于可燃物的完全燃燒,正面散熱隔柵開口面積變化對于燃燒過程影響較小。從防火安全角度考慮,應(yīng)在保證發(fā)動機艙正常散熱的前提下,適當(dāng)減少頂部熱隔柵面積,或是不設(shè)頂部散熱隔柵。(3為防止擋風(fēng)玻璃因為受到高強度熱輻射而破碎,從防火安全角度考慮,在滿足散熱的前提下,應(yīng)減少頂部散熱隔柵面積或不設(shè)頂部散熱隔柵。(4發(fā)動機艙著火場景下,若燃燒的車體前方有臨近車輛或可燃物時,頂部散熱隔柵的存在可以使得正面中心點

10、溫度較低,延緩火焰向前蔓延的過程。(5固定正面散熱隔柵開口面積,發(fā)動機艙發(fā)生火災(zāi)初期,頂部散熱隔柵開口面積越大,火焰引燃車廂下部的可燃物(如輪胎的過程越長。火災(zāi)進(jìn)一步發(fā)展,頂部散熱隔柵開口面積越大,越利于火災(zāi)蔓延,會迅速引燃車廂下部可燃物。若頂部開口面積相同,正面散熱隔柵開口面積的變化對于輪胎的燃燒過程幾乎沒有影響。參考文獻(xiàn):1陳建文造型設(shè)計創(chuàng)造價值個性化設(shè)計取悅消費者N 中國汽車報,2005-10-132Stroup ,D ·W ,Analyzing Fire Safety Through ComputerModeling and Product Testing C General

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