劉克鋒

（南寧鐵路公安處，工程師，廣西 南寧 530001）

FDS（Fire Dynamics Simulator）由美國國家標準與技術(shù)研究院開發(fā)，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)軟件，采用數(shù)值方法求解受火災(zāi)浮力驅(qū)動的低馬赫數(shù)流動的N-S方程，重點計算火災(zāi)中的煙氣和熱傳遞過程。FDS采用基于場模型的有限元計算方法，其參數(shù)輸入包括建筑物尺寸、空間環(huán)境溫度、建筑物內(nèi)物品的燃燒特性及其尺寸、煙氣的特性、搜集數(shù)據(jù)所需的時間、模擬時空間網(wǎng)格劃分、設(shè)計火災(zāi)等。FDS還提供了可直接觀測數(shù)據(jù)的圖形顯示軟件Smoke View，使輸出的數(shù)據(jù)可視化。該軟件可模擬建筑物的火災(zāi)發(fā)展過程，研究火災(zāi)特點，以便采取針對性的延緩火災(zāi)蔓延的措施或?qū)Ψ阑鸶綦x方案進行選擇，以優(yōu)化消防設(shè)計。

1 防火分隔方案說明

1.1 建筑物概況試驗時使用的建筑物為一棟2層的鐵路物流倉庫，長150 m，寬15 m，層高6 m（2層共12 m），其平面如圖1所示（一層平面圖的左半側(cè)）。

在①-②軸間的1～2層樓板開有一個6 m×1.1 m的孔洞，用于垂直運輸貨物。在③軸處設(shè)置防火墻，并在防火墻上設(shè)置甲級防火門。

1.2 規(guī)范規(guī)定《建筑設(shè)計防火規(guī)范》中規(guī)定：

1）存放丙類可燃固體的倉庫的每個防火分區(qū)最大允許建筑面積為1 500 m2。

2）除一、二級耐火等級的多層戊類倉庫外，其它倉庫中供垂直運輸物品的提升設(shè)施宜設(shè)置在倉庫外，當(dāng)必須設(shè)置在倉庫內(nèi)時，應(yīng)設(shè)置在井壁的耐火極限不低于2 h的井筒內(nèi)。室內(nèi)外提升設(shè)施通向倉庫入口上的門應(yīng)采用乙級防火門或防火卷簾。

1.3 2種防火分隔方案

1.3.1 單層方案 由于①-②軸間的1～2層間樓板設(shè)有空洞，把上下兩層空間納入同一個防火分區(qū)，①-③軸間兩層的建筑面積之和大于2 000m2，超出了規(guī)范規(guī)定。為此，應(yīng)在孔洞處設(shè)置耐火極限不低于2 h的井壁，將①-③軸間的上下兩層分別再分為2個單層防火分區(qū)，這樣可同時滿足規(guī)范要求。

1.3.2 雙層方案 建設(shè)方考慮裝卸方便，提出在②軸上增設(shè)防火墻及防火門，不設(shè)置井壁，這樣在①-②軸間上下兩層形成的雙層防火分區(qū)面積未＞1 500 m2。但不設(shè)置井壁是否可行，需要驗證。

2 火災(zāi)模擬

2.1 火災(zāi)模型根據(jù)上述2種方案，通過FDS的文本文件分別建立模型，坐標系以A軸為X軸，①軸為Y軸，平面垂線為Z軸，原點設(shè)在①軸與A軸的交點。雙層模型尺寸為36 m×15 m×12 m，單層模型尺寸為78 m×15 m×6 m。貨物的種類，堆碼的高度、間距、每垛占地面積一致；按圖紙設(shè)置窗洞，設(shè)定門是鎖閉狀態(tài)而不設(shè)置門洞。2個模型的細分網(wǎng)格尺寸均為0.25 m×0.25 m×0.25 m。

2.2 火災(zāi)場景火災(zāi)場景是對某特定火災(zāi)從引燃或者設(shè)定的狀態(tài)燃燒至火災(zāi)增長的峰值的描述，同時要考慮建筑的結(jié)構(gòu)、功能和布局特征、可燃物的燃燒特性和通風(fēng)、排煙狀態(tài)等因素。這里考慮到垂直運輸貨物的區(qū)域，因機械、運送皮帶、電線路等故障及人為因素造成火災(zāi)的可能性大于其他地方，故2個場景都設(shè)定火源位置在一樓垂直運輸貨物的孔洞附近，坐標為（19.5 m，5.5 m，0 m）。

2.3 火源設(shè)定設(shè)計火災(zāi)主要是確定火災(zāi)發(fā)展曲線。火災(zāi)發(fā)展曲線通常由火災(zāi)增長類型和最大熱釋放速率2個主要參數(shù)組成。燃料的燃燒是一個相當(dāng)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，對其進行數(shù)值模擬是一項極其艱巨的任務(wù)。為簡化計算，這里設(shè)定火源為定?；鹪矗椿鹪礋後尫潘俾试O(shè)為常數(shù)，不隨時間變化。

2.4 初始條件和火災(zāi)燃燒時間的設(shè)定在模型的初始條件中，設(shè)定室內(nèi)平均風(fēng)速、室內(nèi)相對壓力、出口相對壓力均為0（當(dāng)?shù)卮髿鈮篜=101 325 Pa），室內(nèi)平均溫度為20℃。考慮到發(fā)現(xiàn)火災(zāi)和救援滅火一般與火災(zāi)發(fā)生有時間差，火災(zāi)的模擬時間設(shè)為2 400 s。

2.5 模擬結(jié)果分析在2個模型的起火點附近，坐標（19.75 m，5.3 m，5 m）處設(shè)置一測溫計，記錄該點溫度隨時間變化的過程。

2.5.1 單層模型模擬情況 火災(zāi)發(fā)展到730 s，單層模型（78 m×15 m×6 m）靠近A軸及①軸的部位出現(xiàn)明火?；馂?zāi)發(fā)展到1 242 s，單層模型靠近①軸部分出現(xiàn)轟燃?；馂?zāi)發(fā)展到1 674 s，單層模型全部空間猛烈燃燒。如圖2。

在圖3中，出現(xiàn)單層模型發(fā)生轟燃時（1 250 s），測溫點處溫度最高，達到1 100℃，之后火災(zāi)逐漸發(fā)展為全部空間猛烈燃燒（1 700 s），這階段測溫點處的溫度維持在800℃的高位，再逐漸走低。

圖2 單層模型火災(zāi)發(fā)展到1 674 s燃燒情況

圖3 單層模型測溫點溫度隨時間變化圖

2.5.2 雙層模型模擬情況 火災(zāi)發(fā)展到1749 s，雙層模型（36 m×15 m×12 m）的二層靠近B軸及②軸部位出現(xiàn)明火?；馂?zāi)發(fā)展到1 810 s，雙層模型的二層靠近②軸部分出現(xiàn)轟燃。火災(zāi)發(fā)展到2 386 s，雙層模型的一層空間猛烈燃燒。如圖4。

圖4 雙層模型火災(zāi)發(fā)展到2386s燃燒情況

查看圖5可知，測溫點處的溫度總體上升緩慢，維持在400～500℃之間，直到一層空間猛烈燃燒時（2 300 s），才快速走高到1 100℃以上。

圖5雙層模型測溫點溫度隨時間變化圖

2.5.3 模擬情況分析 通過單層模型與雙層模型模擬的結(jié)果對比說明， 在相同設(shè)置的火災(zāi)場景中，單層模型要比雙層模型火災(zāi)發(fā)展迅速，提早10 min以上出現(xiàn)轟燃及猛烈燃燒，此時火災(zāi)已很難迅速撲滅。也就是說，在延緩火災(zāi)蔓延擴大的效果上，單層模型比雙層模型稍差。

按規(guī)范要求去做反而效果稍差的原因，是單層模型中起火點靠近①軸，所以該部位比③軸旁的部位更快地聚積到足夠的煙氣、獲得足夠的熱量發(fā)生轟燃。而正是由于規(guī)范所擔(dān)心的煙氣垂直擴散比水平擴散快，雙層模型上下層連通讓下層煙氣迅速垂直擴散到上層，使得下層聚積的煙氣比單層模型相同的部位少，下層溫度升高也就相對緩慢。并且雙層模型的高度比單層模型大一倍，煙氣在上升的路程中即得到更多的稀釋和冷卻，并相對均勻擴散，從而延緩了轟燃的發(fā)生。

3 結(jié)束語

雖然上述模擬情況只是個例，但也能通過FDS軟件建立火災(zāi)模型模擬火災(zāi)發(fā)展過程，體現(xiàn)定量分析具體建筑設(shè)計的防火效果。這就證明運用FDS軟件，可以優(yōu)化消防設(shè)計。FDS軟件還可以應(yīng)用于旅客列車的車體設(shè)計，以確保乘客在列車發(fā)生火災(zāi)時有足夠時間疏散，避免群死群傷。