不同散熱格柵對汽車發(fā)動機艙火災影響數(shù)值分析

1、不同散熱格柵對汽車發(fā)動機艙火災影響數(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相同火災場景下,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計參考。關鍵詞:數(shù)值模擬;散熱格柵;汽車火災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、來降低機艙內溫度,艙內高溫是汽車火災頻發(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計。隨著社會經濟的發(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。類比室內火災,通風因子的改變對于火災發(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)動機艙火災進行研究,得出散熱格柵對汽車發(fā)動機艙火災的影響,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)設置應用美國商務部標準技術研究中心(National Institute of Standards and Techn

3、ology,NIST開發(fā)的FDS (Fire Dynamics Simulator模型。它是一種以火災中流體運動為主要模擬對象的計算流體動力學(CFD模型,適用于火災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)動機艙模型進行合理的假設,將發(fā)動機艙部分認定為長方體。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)動機艙火災的影響。2.1模型尺寸設置表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模擬結果及分析熱釋放速率是衡量火災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,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。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。燃燒進行至第二階段,即通風控制階段,頂部開口面積變大使得通風量增大,艙內燃燒更為充分,下部燃燒處于穩(wěn)定狀態(tài),位于艙體側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,對外產生輻射,此時輻射熱直接作用于擋風玻璃表面,本文中認定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玻璃表面的輻射熱。此輻射熱值大小與擋風玻璃的破碎行為緊密聯(lián)系。輻射熱值越高,擋風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對應的最大熱輻射強度值可見圖8。(1頂部無開口時對應熱輻射強度最小。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。遠遠

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玻璃表面,因此對應的熱輻射強度較小。(2頂部開口面積為0.3m 0.2m 場景對應熱輻射強度最大。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結論(1發(fā)動機艙火災整個燃燒過程可分為燃料控制和通風控制兩個階段,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,應在保證發(fā)動機艙正常散熱的前提下,適當減少頂部熱隔柵面積,或是不設頂部散熱隔柵。(3為防止擋風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,應減少頂部散熱隔柵面積或不設頂部散熱隔柵。(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?；馂倪M一步發(fā)展,頂部散熱隔柵開口面積越大,越利于火災蔓延,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:1陳建文造型設計創(chuàng)造價值個性化設計取悅消費者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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