CN109299516A - 一种火灾工况下沥青路面传热传质性能的研究方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种火灾工况下沥青路面传热传质性能的研究方法，属于沥青路面安全技术领域，解决目前只能从宏观层次研究火灾工况下沥青路面的燃烧性能、没有从微观层次研究沥青路面传热传质性能、难以更深入揭示沥青路面燃烧性能的问题。本发明首先建立隧道和沥青路面几何模型，导入COMSOL软件，设置控制性方程组，定义沥青路面为多孔介质层；确定计算区域，进行网格划分，定义材料属性和边界条件；计算沥青路面温度场与压力场分布、多组分挥发物密度与速度场分布、各挥发物成份质量分数分布；最后，经可视化处理，绘出所需计算各参数变化图，改变工况参数，分析沥青路面结构传热传质性能，揭示沥青路面燃烧性能，对提高沥青路面火灾安全性具有重要意义。

Description

一种火灾工况下沥青路面传热传质性能的研究方法

技术领域

本发明是一种火灾工况下沥青路面传热传质性能的研究方法，属于沥青路面安全技术领域。

背景技术

随着我国公路交通运输业的快速发展和城镇化水平提高，隧道作为公路和城市立体交通的重要组成部分也得到了发展，我国隧道有向长大化方向发展的趋势。与隧道外普通路段相比，隧道相对封闭管状结构、空间较小、出入口少。有研究表明，由于隧道内渠化交通严格、车速快等因素导致隧道内交通事故率远大于洞外路段，引发的火灾事故率显著增长，发生火灾时，热和烟气不能及时排除，热量聚集，内部温度上升快，燃烧速率快。在火灾工况下沥青路面参与燃烧，并释放大量热和有毒烟气，燃烧过程中会分解出氢气、一氧化碳、烷烃、苯等易燃气体，加剧了沥青热解和燃烧，造成更大的危害。据研究发现，由于在火灾中吸入烟尘和有毒气体而造成的死亡率为85％。

沥青路面作为一种多孔介质材料，在火灾工况下会发生明显的传热传质行为。多孔介质是一类具有固体骨架的多相空间，宏观上均匀分布在孔隙空间的固体物质。孔隙可以是互不连通的，也可以是相互连通的，但其一般都充满着一种或几种流体，如空气、水等。多孔介质按照特性可分为：(1)毛细多孔体：黏土、纤维性建筑材料等；(2)分散介质：砂土和颗粒堆积层等；(3)分散流变体：流化床、变骨架多孔体等。根据湿分含量的多少及其空间分布又可分为：(1)孔隙空间充满液体的湿饱和多孔介质；(2)湿分以液体和蒸汽形式存在于孔隙空间中的非饱和多孔介质；(3)湿分以纯蒸汽的形式存在于孔隙空间的干饱和多孔介质。

在揭示各相物质内部及相互间的质量、能量传递规律方面可以采用了理论分析、数值模拟、实验研究等各种研究手段。理论研究方法可分为分子水平、微观水平和宏观水平三类，其中宏观水平的研究方法较为常用。这是由于分子水平的研究对象是流体的分子运动，所涉及的数学方程多且难于求解。微观水平的研究方法将多孔介质中的固体骨架及其孔隙中的流体视为流体连续介质，研究对象是流体质点或微元体，但要把其中固体骨架边界微细结构处的传热和流动情况作为边界条件，而对此的定量描述既困难又不准确。

宏观水平的研究方法也持连续介质的观点，取包含研究点在内的一个很小区域(远小于整个流体区域，但比单个孔隙空间大得多)为控制体(称作表征体元REV)，在REV上对流体参数和固体参数实行体积平均，获得假想介质在REV上的平均参数，进而分析其中的传热和流动过程。由于宏观方法所依据的物理模型与客观的微观运动情况有一定偏差，所以其研究结果往往不能与实测结果完全吻合。在多孔介质的热质迁移的理论研究的过程中，通常对多孔介质的几何参量难以做出准确的描述，因此学者们引入了“容积平均”的概念，将多孔介质假设为一种宏观尺度上的虚拟连续介质。

多孔介质内的传热过程主要包括：(1)固体骨架与固体颗粒之间存在或不存在接触热阻时的导热过程；(2)流体(液体、气体或两者均有)的导热和对流换热过程；(3)流体与固体颗粒之间的对流换热过程；(4)固体颗粒之间、固体颗粒与空隙中气体之间的辐射过程。热量既可以通过固体骨架的导热，又可借助流体的导热和对流传递。

多孔介质中的传质过程包括：(1)分子扩散。这是由于流体分子的无规则随即运动或固体微观粒子的运动而引起的质量传递，它与热量传递中的导热机理相对应。(2)对流传质。这是由于流体的宏观运动而引起的质量传递，它既包括流体与固体骨架壁面之间的传质，也包括两种不混溶流体之间的对流传质。热量既可通过固体骨架的导热，又可通过流体的对流、导热，质量的传递是通过孔隙中流体的流动和相变。由于孔隙结构的复杂性，因此很难对微孔中的能量运输和流体流动进行准确的描述。

在研究多孔介质传热传质机制方面，学者们已先后提出了能量理论、液体扩散理论、毛细流动理论和蒸发凝结理论等。目前，多孔介质传热传质数学模型的主要理论分为Luikov唯象理论和Whitaker体积平均理论，前者控制方程的唯象系数难于确定，后者的控制方程呈现高度非线性而不易求解。在无化学反应的过程中，多孔介质内部传热传质的主导驱动势为：压力梯度、浓度梯度、温度梯度。当传热传质过程同时存在并发生相互作用时，产生了交叉耦合扩散效应。

由温度梯度的作用产生的传质效应称为热附加扩散效应，这是由温度场的不均匀性而导致的传质现象。多孔介质的燃烧过程涉及到多种换热及热质传递过程包括：气体间的对流、气固间的对流、固体间的导热和辐射、气固间的辐射等。从总体上来分，多孔介质传热传质的研究可以分为：固体骨架的结构、流场和流型、工程热物理性质和传热传质工况。多孔介质传热传质的研究涉及多学科交叉理论，是一项具有重大学术价值、对学科发展和技术创新具有深远影响的研究，已成为国内外研究领域的前沿问题之一。根据湿分的多少及形态将沥青混合料分为两类：孔隙空间充满液体的湿饱和多孔介质和湿分以液体和蒸汽形式存在于孔隙空间中的非饱和多孔介质。工程上最常见的是非饱和多孔介质中的传输过程，伴随着热质传递问题。

但是，针对隧道火灾工况下沥青路面这种多孔介质的传热传质行为没有研究，本发明提供一种基于多物理场耦合的火灾工况下沥青路面传热传质研究方法，揭示隧道火灾过程沥青路面结构内部以及与外部空间之间的传热传质机理，为沥青路面阻燃研究提供科学依据。

发明内容

(1)技术问题

本发明目的是提供一种火灾工况下沥青路面传热传质性能的研究方法，解决目前只能从宏观层次研究火灾工况下沥青路面的燃烧性能、没有基于多孔介质理论从微观层次研究火灾工况下沥青路面传热传质性能、难以更深入揭示沥青路面燃烧性能的问题。

(2)技术方案

鉴于目前存在只能从宏观层次研究火灾工况下沥青路面的燃烧性能、没有基于多孔介质理论从微观层次研究火灾工况下沥青路面传热传质性能、难以更深入揭示沥青路面的燃烧性能的问题。本发明技术方案如下：首先在Auto CAD软件中建立隧道和沥青路面的数值计算模型，导入COMSOL多场耦合分析软件，设置控制性方程组，沥青路面层定义为多孔介质层；确定数值计算模型中计算区域，对模型中不同计算区域进行网格划分，并加密沥青路面结构及路表上一米范围内计算区域网格，定义各计算区域方程和不同计算区域材料和介质属性和边界条件；其次，运行求解器，计算沥青路面结构温度场与压力场分布、多组分气态挥发物密度与速度场分布、各挥发物成份质量分数分布；最后，经可视化后处理，直观绘出所需计算各参数的二维平面图、三维立体图、等值线图、矢量图、变形图、流线图和挥发物粒子追踪图，改变不同材料属性、热辐射强度和边界条件，模拟分析不同隧道火灾工况下沥青路面结构传热传质性能，从微观层次揭示不同火灾工况下沥青路面燃烧性能，为提高隧道沥青路面火灾安全和耐久性提供科学依据。

(3)有益效果

近年来，随着我国公路交通事业发展和城镇化水平提高，隧道工程越来越多。目前隧道逐渐向长大化发展，因交通量大、行驶速度快，隧道已成为交通事故多发路段，由此引起的火灾事故率呈上升趋势。对隧道火灾情况下隧道内温度分布和烟气流动进行数值模拟，将试验研究与数值模拟相结合，采用数值模拟方法阐述沥青燃烧过程传热传质行为，进一步火灾工况下沥青路面燃烧性能奠定基础。

当隧道沥青路面发生火灾情况时，沥青燃烧分解易燃挥发物，首先以对流和气体辐射形式递传给多孔介质固体沥青混合料，沥青混合料又通过导热和辐射把热量传递给易燃气体，易燃气体在沥青混合料孔隙内部产生漩涡、分流与汇合，剧烈扰动，燃烧产生的热量通过多孔介质的导热和辐射效应不断地向上游传递并预热新鲜燃气，实现热量的回流，加剧了火势的发展，多孔介质(沥青混合料)及其中的气体与外界进行强烈的导热、对流和辐射换热，多孔介质燃烧相较于传统单向固体燃烧，具有整体温度高，辐射传热速率大的特点。因此，基于多孔介质理论的隧道火灾下沥青路面传热传质研究方法，对研发复合纳米阻燃剂，降低火灾危害，提高隧道沥青路面火灾安全性具有重要意义。

具体实施方式

本发明提供一种火灾工况下沥青路面传热传质性能的研究方法，具体实施步骤如下：

(1)根据实际隧道工程规模，按照一定比例在Auto CAD软件中建立隧道和沥青路面结构几何模型，导入COMSOL多场耦合分析软件建立数值计算模型；

(2)设置热传导、热传递和热辐射的控制性方程组，沥青路面层定义为多孔介质层，定义流场分析遵守质量和动量守恒方程，用达西定律描述气态挥发物在多孔介质流动；

(3)确定数值计算模型中计算区域，采用COMSOL多场耦合分析软件网格参数管理器中对模型中不同计算区域进行网格划分，并加密沥青路面结构及路表以上3米范围内计算区域网格；

(4)在COMSOL多场耦合分析软件中对数值计算模型各个计算区域设置区域方程，定义不同计算区域材料和介质属性参数和边界条件；

(5)运行求解器，计算沥青路面结构温度场与压力场分布、多组分气态挥发物密度与速度场分布、各挥发物成份质量分数分布；

(6)经可视化后处理，直观绘出所需计算各参数的二维平面图、三维立体图、等值线图、矢量图、变形图、流线图和挥发物粒子追踪图；

(7)改变不同材料属性、热辐射强度和边界条件，模拟分析不同隧道火灾工况下沥青路面结构传热传质性能，从微观层次揭示不同火灾工况下沥青路面燃烧性能。

Claims (1)

1.本发明一种火灾工况下沥青路面传热传质性能的研究方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

(1)根据实际隧道工程规模，按照一定比例在Auto CAD软件中建立隧道和沥青路面结构几何模型，导入COMSOL多场耦合分析软件建立数值计算模型；

(2)设置热传导、热传递和热辐射的控制性方程组，沥青路面层定义为多孔介质层，定义流场分析遵守质量和动量守恒方程，用达西定律描述气态挥发物在多孔介质流动；

(3)确定数值计算模型中计算区域，采用COMSOL多场耦合分析软件网格参数管理器中对模型中不同计算区域进行网格划分，并加密沥青路面结构及路表以上3米范围内计算区域网格；

(4)在COMSOL多场耦合分析软件中对数值计算模型各个计算区域设置区域方程，定义不同计算区域材料和介质属性参数和边界条件；

(5)运行求解器，计算沥青路面结构温度场与压力场分布、多组分气态挥发物密度与速度场分布、各挥发物成份质量分数分布；

(6)经可视化后处理，直观绘出所需计算各参数的二维平面图、三维立体图、等值线图、矢量图、变形图、流线图和挥发物粒子追踪图；

(7)改变不同材料属性、热辐射强度和边界条件，模拟分析不同隧道火灾工况下沥青路面结构传热传质性能，从微观层次揭示不同火灾工况下沥青路面燃烧性能。