固体表面火蔓延模拟仿真与验证

随着社会经济的快速发展，致灾因素明显增多，火灾发生几率和防控难度增大，与此同时，火灾安全越来越受到重视。火灾的发展分为以下几个阶段：初始、发展、猛烈燃烧/轰然、减弱和熄灭阶段。而这其中，材料燃烧和火蔓延机制在火灾的发生与发展过程中起着重要作用。火灾风险评价、材料燃烧性能评估和防火方法的研究通常基于对固体材料燃烧和火蔓延特性的基础研究。

在现实火灾场景中，随着材料的应用场景和使用功能的不同，可燃物材料品种有较大的多样性，材料的燃烧模态和燃烧蔓延行为呈现一定的差异。要准确理解材料的燃烧过程，还有赖于材料的引燃和火蔓延过程进行数值模拟，数值模拟是理解材料燃烧过程的有力工具。

但对于模拟材料的引燃和火蔓延行为任不太适用，主要体现在：气相燃烧基于混合分数的燃烧模型，燃烧反应速率与温度无关，固相温度方程仅考虑垂直于材料表面方向的一维传热，无材料相变热解模型。针对这一问题，我们自行开发了数值模拟程序对材料的引燃和火蔓延过程进行模拟，并与文献实验结果进行对比验证。

这里显示了模拟的场景与物理模型。模型中，重力的方向在x负方向，水平向左。材料上部总部位置（这里）受高温热源的作用下，温度上升、发生相变并热解出可燃气体。可燃气体与空气中的氧气发生燃烧反应，释放出来的气体进一步引燃下方未燃烧的材料，形成火焰在材料表面的蔓延过程。这里主要涉及气相流动方程、燃料和氧气的组份方程、气相能量方程，燃烧反应方程采用Arrihenius方程表示。对于固相，主要涉及固能量方程，并在能量方程中添加固体热解反应源项和固体相变源项。我们的程序可以模拟 材料 受热 相变 热解 气化 燃烧 和火蔓延的整个过程。

求解模型的程序流程如图所示，我们采用全隐式求解，这里展示的是单个时间步内的求解流程。首先气相采用simple算法求解流动ns方程，获取气相下边界温度梯度作为固相方程上边界，求解温度方程获得热解释放出的可燃气分布，作为气相组份方程下边界条件，求解气相组份方程，求解气相反应速率，获得温度源项，求解气相温度方程。在单个时间步内，如此循环此过程，直到当前迭代收敛，进入下一个时间步，在下一个时间步重复此过程，以进行时间推进。这里也给出了我们程序的整体框架，主要包括主程序、求解器和后处理程序。

附表为模型的主要物性参数，燃烧的材料为PMMA。网格采用细的均匀网格，网格尺寸为0.1mm，由于存在化学反应，时间步长很小1.0 × 10^-4s

这里展示了从引燃到火蔓延过程中气相温度场源项的演化过程。根据图（a）-（c），材料点燃后，气体区中的反应源从点状火焰发展为底部有两个火焰前沿的拱形火焰。如图（d）-（g）所示，随着火焰诱导的浮力流的发展，拱形气体反应区向下游移动。羽流下游火焰前缘的反应速率缓慢降低，最终在右边界处消失。如图（i）所示，稳态反应源项从燃料床表面向下游延伸。

上图显示了从点火到稳定火焰蔓延的渐进时间内的燃气浓度。可以看出，材料表面的燃气浓度最大，从材料到远场逐渐降低。在点火初期（如图（a）-（b）），可燃气体浓度场沿点火源中心线对称分布，然后缓慢向浮力气流下游倾斜。图（c）-（i）说明了燃气浓度将扩展到点火源的上游和下游，这应该是样品表面附近有两个火焰前缘的拱形火焰的原因，如图（b）-（i）所示。

上图（a）-（i）显示了从点火到稳定火焰蔓延的气相温度演化。如图（a）所示，t的时间段≤0.086是固体燃料点燃前的加热阶段，材料的最高表面温度约为650 K，温度在气体/燃料界面附近最高。当温度和燃气浓度达到临界值后，在初始加热源附近发生点火。在t=0.086~0.120s的时间段内，如图（a）至（d）所示，材料表面附近的气相中出现高温区，并从材料表面向远离点火源的方向扩展。点火后的高温火焰结构可视为一个对称的倒碗。这意味着火焰可能在点火后沿燃料表面向两个方向传播，在燃料表面附近出现两个火焰前锋。由于火焰诱导的气流随着火焰的发展而增加，对称的倒碗状火焰向下游区域偏转。下游侧的火焰传播速率大于上游侧，因为下游侧形成了顺流火焰传播，上游侧形成了逆流火焰传播。最后，如图（f）所示，上游区域的火焰在边界处逐渐消失。右图显示了稳定蔓延阶段，气相温度模拟结果和实验结果对比，右下图显示了固体表面模拟结果和实验结果的对比，发现我们的模拟和实验结果有较好的一致性。说明我的模拟程序的准确性。这项工作对于预测火灾增长及其潜在燃烧行为具有重要意义。

文章链接 2021工程仿真大赛：固体表面火蔓延模拟仿真与验证