摘 要：地下建筑最主要的特點是處于封閉狀態(tài)，一旦發(fā)生火災(zāi)將會產(chǎn)生比地上建筑更為嚴重的后果。本文采用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS對大型地下車庫的火災(zāi)情景進行了數(shù)值模擬，分別討論了水噴淋、排煙風機以及不同措施聯(lián)合作用下的消防效果。該研究對防止地下停車場火災(zāi)蔓延及幫助人員安全疏散具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)；地下車庫；數(shù)值模擬

中圖分類號：TU998.12

文獻標識碼：B

文章編號：1008-0422（2012）08-0127-02

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，汽車的數(shù)量越來越多，為了解決停車難的問題，同時考慮到我國用地緊張，地下停車場在國內(nèi)大量興建。可這在解決停車難的問題的同時。也帶來了較大的安全隱患。

火災(zāi)危害主要是熱量、煙氣、缺氧這三種因素的作用。與地面建筑相比，地下建筑最主要的特點是處于封閉狀態(tài)，地下建筑的火災(zāi)具有發(fā)煙量大、火場溫度高、瀉爆能力差、人員疏散困難、撲救困難等特點，當?shù)叵峦＼噲霭l(fā)生火災(zāi)時，不僅會造成重大的財產(chǎn)損失，也將嚴重威脅著人的生命安全，可見對地下停車場火災(zāi)的研究非常重要。

目前國內(nèi)外對地下停車場火災(zāi)的研究方法主要有實體試驗研究和計算機數(shù)值模擬研究。實體試驗研究是指在特定的空間內(nèi)檢測火場的各項物理指標，其優(yōu)點是真實、直觀，所得出的數(shù)據(jù)具有一定的說服力，但該方法需要耗費大量的物料，成本高，試驗具有一定的危險性，而且相同環(huán)境的試驗結(jié)果會有較大的波動，誤差較大。而計算機數(shù)值模擬研究不僅能通過對評價對象設(shè)計火災(zāi)場景來進行確定性和隨機性定量分析，而且能彌補實體試驗研究的缺點，因此目前在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。本文采用基于大渦模擬技術(shù)的火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS對大型地下車庫的火災(zāi)場景進行了模擬。

2 火災(zāi)模擬軟件簡介

計算機模擬技術(shù)在性能化防火設(shè)計中得到普遍應(yīng)用，而場模擬是火災(zāi)計算機模擬的重要組成部分。場模擬軟件FDS 為研究火災(zāi)動力學(xué)和燃燒過程提供了有效工具。其計算結(jié)果能否應(yīng)用在消防工程領(lǐng)域以解決實際消防問題，取決于計算結(jié)果的精度。

FDS 模擬軟件是美國國家標準研究所(NIST) 建筑與火災(zāi)研究實驗室(BFRL) 開發(fā)的產(chǎn)品，F(xiàn)DS 模型是以大渦模擬(LES) 為基礎(chǔ)的三維計算流體動力學(xué)軟件(CFD) ，可以模擬火災(zāi)湍流流動過程。該軟件采用數(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。由于FDS程序是開放的，其準確性得到了大量試驗的驗證。因此，在火災(zāi)科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

在用FDS進行火災(zāi)模擬的時候，可以按下圖1所示的流程圖[2]進行。

3 數(shù)學(xué)模型

FDS采用的是大渦模擬技術(shù)，其基本思想是對流場的人尺度分量進行直接求解，對小尺度分量采用亞格子模型進行模擬，大渦模擬是研究湍流流動和燃燒程中的瞬態(tài)發(fā)展信息的有效方法。通常的火災(zāi)問題，可以歸為低馬赫數(shù)下的燃燒過程，描述其過程的連續(xù)方程、動量方程和能量方程采用了Favre濾波方法進行簡化。此外， FDS采用基于無限快反應(yīng)速率的混合分數(shù)模型，只須求解一個無源項的混合分數(shù)控制方程，燃燒產(chǎn)物組分濃度可由混合分數(shù)通過已知狀態(tài)方程確定。

4 某教學(xué)建筑地下車庫FDS火災(zāi)數(shù)值模擬

本文運用FDS數(shù)值分析軟件對某教學(xué)建筑地下車庫進行火災(zāi)數(shù)值模擬，其過程如下：

4.1 建立幾何模型

本文以某教學(xué)建筑地下車庫的一個防火分區(qū)來建立幾何模型。其中車庫長為129.72m；寬為21.6m，占地面積為2523.592m2；其整體形狀為左右對稱結(jié)構(gòu)；在10.6m處設(shè)有自動水噴淋頭，在南墻附近設(shè)置有兩個排煙口，西側(cè)設(shè)置一個進風口；汽車行駛路線及出入口均在北墻，東西兩側(cè)分別設(shè)有安全出口；車庫中共有停車位26個，每個車位尺寸為4.9×1.8 m×l.6 m。其幾何模型示意圖見圖2。

圖1-FDS應(yīng)用流程圖

4.2設(shè)置著火源

本文模擬的著火源是地下車庫中汽車漏油5kg汽油，遇明火燃燒，引發(fā)火災(zāi)。由前人研究可知，5kg汽油可簡化為厚度為3mm，1.5m×1.5m的漏油面，其位置設(shè)置在2#車油箱附近，如圖2所示。環(huán)境溫度設(shè)為20℃。測點設(shè)置在1#車的附近。當火源附近的油箱溫度達到200℃時認為該車輛被引燃，火災(zāi)將進一步擴大。[3]在模擬分析時，可在安全出口分別也設(shè)置測點，可用于討論人員的安全疏散問題。

4.3工況條件

本文分別對比并討論了自動噴淋系統(tǒng)及排煙系統(tǒng)所起的作用，在對模擬結(jié)果進行分析時，將工況一與工況二進行對比，以討論排煙系統(tǒng)對地下停車場火災(zāi)的滅火降溫作用；將工況一與工況三進行對比，以討論自動噴淋系統(tǒng)對地下停車場的滅火降溫作用。其中自動噴水系統(tǒng)的細水霧平均粒徑為100μm；排煙系統(tǒng)采用送五排六的原則，排煙量定為50次/h。其工況條件如表1所示。

4.4模擬結(jié)果及分析

4.4.1排煙系統(tǒng)對地下車庫發(fā)生火災(zāi)的作用

圖3為工況一、工況二兩種條件下在1#車油箱附近(即油箱附近1.1 m高處測點)的溫度對比曲線。由圖3可以看出：工況二條件下?；馂?zāi)開始階段溫度上升較快，這是因為在機械排煙系統(tǒng)工作的條件下，進風量較大，使火源迅速達到旺盛，溫度迅速增高；在100s以后，工況二條件下，1#車油箱附近溫度比工況一條件下1#車油箱附近溫度平均值要低，這是因為排煙系統(tǒng)帶走了部分熱量，使得溫度有所降低。但是在工況一和工況二條件下，在15。車油箱附近的最高溫度都未達到200℃，所以不會引發(fā)其他車輛燃燒，擴大著火范圍。

前人試驗表明，人體呼吸或接觸過熱的空氣會導(dǎo)致熱沖擊和皮膚燒傷，而空氣中的水分含量對這兩種危害都有顯著影響，對于大多數(shù)建筑而言，人體對100℃環(huán)境溫度的對流熱的承受能力僅能維持很短的一段時間(即1分鐘以內(nèi))，而安全疏散時間為6 min。

由圖4可以看出，在工況一的條件下，測點的最高溫度為175℃左右，而在工況二的條件下，最高溫度為80℃左右，比著工況一的平均溫度要低一倍左右，故表明排煙系統(tǒng)發(fā)揮了很大的作用。工況二的整個過程溫度均未超過100℃，可認定在火災(zāi)發(fā)生時，人員可安全撤離。

通過對比工況一和二的條件下的溫度變化，可發(fā)現(xiàn)排煙系統(tǒng)可帶走大量熱量，使得車油箱附近及安全出口處溫度大幅減低，可見，排煙系統(tǒng)能使得地下車庫的火災(zāi)危險性能夠成功的減小，所以有必要在地下車庫設(shè)置排煙系統(tǒng)。

4.4.2自動噴淋系統(tǒng)對地下停車場火災(zāi)的作用

圖5中所示為工況一和三條件下的1#車油箱附近的溫度對比曲線；可發(fā)現(xiàn)在工況一的條件下均不超過200℃，而在工況三的條件下，在360s以前，1#車附近溫度比工況一的條件下略低；在360s以后，在1#車油箱附近溫度急劇上升至400℃左右，此時1#車將會發(fā)生燃燒，火災(zāi)將發(fā)生擴大。

圖6中所示為在兩種工況下在安全出口處測點的溫度對比曲線。由圖7可發(fā)現(xiàn)，在150s之前，工況一條件的下測點的溫度要高于工況三時的溫度；但是在150s之后，工況三條件下的溫度就超過工況一下的溫度。但是，無論工況一或者是工況三，在1min中之后的測點溫度都超過了100℃，故在這兩種情況下都不能夠保證人員的安全疏散。

通過圖5及圖6中溫度曲線的對比可發(fā)現(xiàn)：自動噴淋系統(tǒng)在地下車庫火災(zāi)的前期對滅火降溫有一定的作用，但在火災(zāi)后期反而可能使火災(zāi)陷入不利局勢?？梢姡詣訃娏芟到y(tǒng)在地下停車場漏油火災(zāi)中的滅火降溫效果不明顯，其原因可能是噴水的流量和流速還沒有達到相應(yīng)的要求。

圖3-工況一、工況二條件下在1#車油箱附近的溫度對比曲線

圖4-工況一、工況二條件下在安全出口處測點的溫度對比曲線

圖5-工況一、工況三條件下在1#車油箱處測點的溫度對比曲線

圖6-工況一、工況三條件下安全出口附近的溫度對比曲線

5 結(jié)論

5.1通過以上各種溫度曲線的對比分析可知：在排煙條件下，地下停車場內(nèi)的各項數(shù)據(jù)都有大幅度的變化，將有利于火災(zāi)的撲救和人員的安全疏散，所以排煙系統(tǒng)是地下車庫中消防設(shè)施不可缺少的部分；而在自動噴淋系統(tǒng)條件下，對前期的滅火降溫有一定的作用，但在火災(zāi)后期反而可能使火災(zāi)陷入不利局勢，其效果不太理想。

5.2除了在地下車庫中設(shè)置排煙系統(tǒng)及總動噴淋系統(tǒng)外，還可在大型的地下車庫中設(shè)置防煙設(shè)施：可以有效地阻隔煙、火的蔓延，增加車庫上部的儲煙量、煙氣層距離地面高度增加，并且能降低火場溫度，有助于減緩釋熱速率的升高。

5.3由于不同措施的消防原理不同，在火災(zāi)發(fā)生時，可聯(lián)合使用可以揚長避短，大大減緩地下車庫的火災(zāi)及煙氣蔓延，可獲得好的消防效果。

參考文獻：

[1] 韓濤.地下工程火災(zāi)發(fā)生特征與防護對策研究[J].山西建筑，2008.34(4)：209—210.

[2]劉軍.劉敏等.FDS火災(zāi)模擬基本理論探析與應(yīng)用技巧[J].安全科學(xué)技術(shù).2006：6-13.

[3] 張曉鴿，郭印誠.地下車庫火災(zāi)過程及消防措施的研究[J].工程熱物理學(xué)報，2006，27(2)：171—174.

[4] 薛偉，張光俊. FDS 火災(zāi)模擬與應(yīng)用[J].吉林林業(yè)科技.2006：18-20.