不同散热格栅对汽车发动机舱火灾影响数值分析

1、不同散热格栅对汽车发动机舱火灾影响数值分析丁玮(河南省消防总队,河南郑州450007摘要:通过数值模拟在同一时间段内相同火灾场景下,不同位置和开口面积的汽车散热格栅表面的温度、热释放速率及辐射热变化规律,从而给出划分汽车发动机舱火灾的燃烧阶段的时间临界点,并从增强防火安全性的角度为汽车制造厂商提供散热格栅的设计参考。关键词:数值模拟;散热格栅;汽车火灾1概述汽车散热格栅是由金属制成的格栅支柱框架,或由金属丝制成的蜂窝状栅条,在确保足够空气进入的同时,能将路面上的碎石或其它的道路污染物挡在格栅外,对发动机舱起保护作用。在汽车行驶中,冷风通过散热隔栅灌入,推动热量从机舱下面、车底盘处四散而去,以此

2、来降低机舱内温度,舱内高温是汽车火灾频发的一个重要原因。汽车问世时,基于优先考虑散热性能的角度,前面板多采用大散热格栅设计。随着社会经济的发展,汽车消费呈现新的需求,个性化的车型,富有创新意义的散热格栅成为关注的焦点,散热格栅开口的面积和位置都有了较大改变1。类比室内火灾,通风因子的改变对于火灾发展过程影响重大,本文试图通过改变散热格栅开口面积和位置,运用数值模拟,对发动机舱火灾进行研究,得出散热格栅对汽车发动机舱火灾的影响,从而为汽车制造厂商和消防日常工作提供参考。2模型参数设置应用美国商务部标准技术研究中心(National Institute of Standards and Techn

3、ology,NIST开发的FDS (Fire Dynamics Simulator模型。它是一种以火灾中流体运动为主要模拟对象的计算流体动力学(CFD模型,适用于火灾引起的烟气和热传递规律的研究2。由于FDS自身程序限制,只适用于形状比较规则的立方体区域和物体。本文对发动机舱模型进行合理的假设,将发动机舱部分认定为长方体。模拟求解后可获得测试点的热释放速率(HRR、温度(T及辐射热等数据,据此分析散热格栅面积改变后对汽车发动机舱火灾的影响。2.1模型尺寸设置表1FDS模拟场景列表场景开口位置开口面积(镜像开口位置开口面积(镜像 1592.2模拟结果及分析热释放速率是衡量火灾危险性大小的一个重要

4、参数,模拟所得的数据表征了发动机舱火灾燃烧的猛烈程度。从图2 4中可看出:(1正面开口面积相同时,着火初期,顶部开口面 图112种场景下发动机舱的模拟布置图积较小的场景下,HRR值较大,随着燃烧的进行,顶部开口面积越大,HRR值越高,燃烧越猛烈。(2顶部开口面积相同,正面开口面积的变化对于HRR值影响较小。 图2正面开口面积相同、顶部开口面积不同情况下HRR比较 图4顶部开口面积相同、正面开口面积不同情况下HRR比较温度此部分关注了正面散热隔栅中心点、顶部散热隔栅中心点和轮胎上表面中心点的温度变化。这些点的温度变化分别表征了发动机舱火灾发展过程中不同部位的温升状况。图5和6分别是固定正面开口面

5、积,改变顶部开口面积时正面中心点和顶面中心点的温度曲线。从图中可以看出:(1正面开口面积相同时,顶部开口面积变化对正面中心点的温度的影响是随时间变化的,0 120s 内,顶部开口面积越大,正面中心点温度越低;120 180s ,顶部开口面积对此点温度影响作用变小,4种场景温度趋于一致。(2正面开口面积相同时,前阶段,顶部开口面积大小对顶部中心温度几乎没有影响,顶部开口面积变大,顶部中心点温度会升高,开口面积增大至一定程度,顶部中心点温度趋于稳定。出现上述现象与燃烧过程的分阶段性有关。在燃烧的第一阶段,即燃料控制阶段,烟气和火焰向上抽吸,高温气体聚集在顶部出口处,因此,顶部开口面积的变化对于顶部

6、中心温度变化几乎无影响,但烟气外溢的程度会影响舱内温升的速度,因此会出现正面开口中心点温度随顶部开口面积的增大而降低的现象。燃烧进行至第二阶段,即通风控制阶段,顶部开口面积变大使得通风量增大,舱内燃烧更为充分,下部燃烧处于稳定状态,位于舱体侧面的正面开口中心温度变化趋于一致,高温气体聚集在舱体顶部,与通风状况联系紧密,会出现开口面积变大,温度升高的趋势,在基本满足通风量控制的情况下,增大开口面积不会使温度再有大幅上升,顶面中心点温度趋于稳定。 图5正面开口面积相同,顶部开口面积不同时正面开口中心点温度曲线 图6正面开口面积相同,顶部开口面积不同时顶部开口中心点温度曲线汽车发动机舱发生火灾时,若

7、发动机舱盖顶部有散热隔栅开口,火焰和烟气则会选择此开口为第一突破口,对外产生辐射,此时辐射热直接作用于挡风玻璃表面,本文中认定y =0.8切面上,发动机舱盖以上区域所接受到的辐射热即为投射到挡风玻璃表面的辐射热。此辐射热值大小与挡风玻璃的破碎行为紧密联系。辐射热值越高,挡风玻璃玻璃表面吸收热量越多,破碎时间越短5。图7表示了12种场景下y =0.8切面上顶部散热隔栅开口以上的热辐射最大值的截图。图中用彩色带代表不同的辐射值范围。场景1 12对应的最大热辐射强度值可见图8。(1顶部无开口时对应热辐射强度最小。场景1,5,9是顶部无开口的场景,最大值分别为5.8,10,14.7kW /m 2。远远

8、小于其它值。这是由于发动机舱盖材料一般为金属材料,若顶部无开口,火焰不可能烧穿发动机舱盖向竖直方向蔓延,由于正面散热隔栅开口的存在,火焰会自正面开口窜出,由于距离的作用,火焰无法直接作用于挡风玻璃表面,因此对应的热辐射强度较小。(2顶部开口面积为0.3m 0.2m 场景对应热辐射强度最大。对比图8中各值,可发现辐射热值大小并不完全遵循开口面积越大,热辐射强度越大的规律。以正面开口面积大小编组,可发现每组的辐射热最大值均对应顶部开口面积为0.3m 0.2m 的场景。整体最大值出现在场11场景下,即正面开口面积为0.6m 0.2m ,顶部开口面积为0.3m 0.2m 时。 图712种场景下y =0

9、.8辐射热值截面图 图8y =0.8截面上部辐射热最大值3结论(1发动机舱火灾整个燃烧过程可分为燃料控制和通风控制两个阶段,燃料控制阶段大约持续120s 。(2发动机舱发生火灾时,散热隔栅开口位于顶部,更有助于可燃物的完全燃烧,正面散热隔栅开口面积变化对于燃烧过程影响较小。从防火安全角度考虑,应在保证发动机舱正常散热的前提下,适当减少顶部热隔栅面积,或是不设顶部散热隔栅。(3为防止挡风玻璃因为受到高强度热辐射而破碎,从防火安全角度考虑,在满足散热的前提下,应减少顶部散热隔栅面积或不设顶部散热隔栅。(4发动机舱着火场景下,若燃烧的车体前方有临近车辆或可燃物时,顶部散热隔栅的存在可以使得正面中心点

10、温度较低,延缓火焰向前蔓延的过程。(5固定正面散热隔栅开口面积,发动机舱发生火灾初期,顶部散热隔栅开口面积越大,火焰引燃车厢下部的可燃物(如轮胎的过程越长。火灾进一步发展,顶部散热隔栅开口面积越大,越利于火灾蔓延,会迅速引燃车厢下部可燃物。若顶部开口面积相同,正面散热隔栅开口面积的变化对于轮胎的燃烧过程几乎没有影响。参考文献:1陈建文造型设计创造价值个性化设计取悦消费者N 中国汽车报,2005-10-132Stroup ,D ·W ,Analyzing Fire Safety Through ComputerModeling and Product Testing C General

11、 Services Administration ,Washington DC ,InterscienceCommunicationsLimitedFiresandMaterials2ndInternational Conference ,September 23-24,1993:7-123Madrzykowski ,D ·and Vettori ,R ·L ·,Simulation of theDynamics oftheFireat 3146CherryRoadNE ,Washington ,DC ,May 30,1999R National Institut

12、e of Standards and Technology ,Gaithersburg ,MD ,NISTIR 6510,20004Rehm ,R G ,Pitts ,W M ·,Baum ,H ·R ·,Evans ,D ·D ·,Prasad ,K ·,McGrattan ,K ·B ·,and Forney ,G ·P ·,Initial Model for Fires in the World Trade Center Towers R NISTIR 6879;2002:185Daniel Madrzykowski ,Glenn P ·Forney ,and William D ·Walton ,Simulation of the D