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        高層建筑外立面U型結(jié)構(gòu)火蔓延特性數(shù)值模擬研究

        2012-11-15 04:24:36李建濤閆維綱朱紅亞王青松孫金華
        火災(zāi)科學(xué) 2012年4期
        關(guān)鍵詞:煙囪溫度場火焰

        李建濤,閆維綱,朱紅亞,王青松,孫金華*

        (1 天津市消防總隊重點保衛(wèi)處,天津,300090;2 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室,安徽 合肥,230026)

        0 引言

        我國高層建筑始于上世紀(jì)初并在上世紀(jì)末得到了發(fā)展,隨著城市化進(jìn)程的加快,城市高層及超高層建筑日益涌現(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計,目前我國大約有20多萬棟高層建筑,3000多棟超高層建筑。但是高層及超高層建筑的興起也伴隨著嚴(yán)峻的火災(zāi)安全問題。近年來由于可燃和易燃外墻保溫材料的大量使用,使得由建筑外立面火蔓延誘發(fā)的重特大火災(zāi)事故頻繁發(fā)生,如2009年元宵節(jié)北京央視新樓配樓火災(zāi)、2010年上海“1115”靜安區(qū)高層住宅大火、2011年春節(jié)沈陽第一高樓火災(zāi)等。高層建筑一旦發(fā)生火災(zāi),不僅起火源多,而且火與煙氣蔓延非常迅速,可通過外立面燃燒形成內(nèi)-外交互蔓延的大規(guī)模立體火災(zāi),撲救十分困難,易造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡,社會影響嚴(yán)重。

        正是基于對城市高層建筑火災(zāi)安全的重大需求,我國今年立項啟動了973計劃“城市高層建筑重大火災(zāi)防控關(guān)鍵基礎(chǔ)問題研究”,從降低火災(zāi)發(fā)生、控制火災(zāi)蔓延和減少災(zāi)害損失三個方面全面提升高層建筑自身火災(zāi)防御能力。

        國內(nèi)外學(xué)者對影響火蔓延特性的因素做過諸多研究,如材料組分、尺寸、初始溫度、粗糙度、放置角度、外界壓力、氧濃度、空氣濕度、風(fēng)速、火蔓延方向、外加條件等。然而對U型結(jié)構(gòu)的外立面火蔓延的研究較少。因此本文針對現(xiàn)代高層建筑新穎獨特的外觀設(shè)計,多樣化的外立面結(jié)構(gòu),就高層公寓大量采用的U型外立面結(jié)構(gòu)對火蔓延特性的影響開展了數(shù)值模擬研究。模擬了小尺度下豎直方向順流火蔓延的過程,給出了火蔓延速度、熱釋放速率、火蔓延溫度特性等參數(shù),并分析給出了高層建筑外立面U型結(jié)構(gòu)火蔓延區(qū)別于普通平面結(jié)構(gòu)火蔓延的特點。

        1 模擬方法

        1.1 材料

        鑒于硬質(zhì)聚氨酯泡沫(PU)[1-3]優(yōu)異的各項性能及在工程實際中的廣泛應(yīng)用,本文采用它作為模擬高層建筑火災(zāi)的外保溫材料。

        PU是由多異氰酸酯和聚醚多元醇或聚酯多元醇或/及小分子多元醇、多元胺或水等擴(kuò)鏈劑或交聯(lián)劑等原料制成的聚合物泡沫塑料。表1給出了PU與傳統(tǒng)保溫材料的綜合性能,通過比較可以發(fā)現(xiàn)它具有導(dǎo)熱系數(shù)低,使用壽命長,溫度適用范圍廣,防火阻燃性能優(yōu)異,防水性能良好,尺寸穩(wěn)定性高,自粘接性能、耐老化性能、環(huán)保性能優(yōu)越等特點,因此PU得到大量使用。

        表1 PU與傳統(tǒng)保溫材料的性能綜合對比Table 1 The properties comparison of PU with other insulation materials

        1.2 火蔓延模型

        本文模擬了高層建筑豎直方向順流火蔓延的特性。順流火蔓延即為火焰?zhèn)鞑シ较蚺c外界風(fēng)方向一致或者火焰由浮力誘導(dǎo)火焰貼壁向上蔓延,在順流火蔓延下,火焰、燃燒生成的混合氣體、燃燒產(chǎn)物作用于未燃材料從而促進(jìn)了火蔓延,通常為加速行為?;鹧娴臒崃總鬟f在初期即氣體運動狀態(tài)為層流時主要為對流傳熱,隨火焰的發(fā)展氣體運動狀態(tài)轉(zhuǎn)為湍流,火焰?zhèn)鳠嵋仓饕獮闊彷椛鋫鳠?。順流火蔓延的物理模型?-6]為圖1所示。

        順流火蔓延速度方程:

        其中,計算點火時間的表達(dá)式為:

        假設(shè)火蔓延過程中火焰高度、熱解長度近似不變,將式(2)代入(1),最后火蔓延速度的關(guān)系式可以表示為:

        式中,xf為火焰高度,xp為熱解長度,tig為點火時間,λ為材料的熱導(dǎo)率,v為氣流的速度,c為材料的比熱,Tig與T∞分別為材料的點燃溫度和環(huán)境溫度,˙q″為火焰通過材料表面的熱流量。

        圖1 順流火蔓延的物理模型Fig.1 Upward flame spread model

        1.3 模擬場景設(shè)置

        FDS是美國NIST開發(fā)的一種模擬火災(zāi)中流體運動的計算流體動力學(xué)軟件[7-8],通過數(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,同時用Smokeview軟件動態(tài)顯示FDS的模擬結(jié)果,其準(zhǔn)確性得到了大量實驗驗證。正因FDS在火災(zāi)煙氣運動方面存在顯著優(yōu)勢,并且它的正確性和有效性也已得到了實驗和實際應(yīng)用的驗證,本文采用FDS模擬計算高層建筑外立面U型結(jié)構(gòu)對典型保溫材料火蔓延行為的研究是可行的,可以得到真實合理的計算結(jié)果。

        在本文的模擬中,將建筑的U型結(jié)構(gòu)簡化為如圖2所示的模型,該模型在高度方向上有無限長度,背面寬度為A,側(cè)面寬度為B,背面和側(cè)面覆蓋有熱厚型保溫材料。定義U型結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)因子α=B/A,該結(jié)構(gòu)因子反映了U型結(jié)構(gòu)形成的凹槽的進(jìn)深程度。模擬中結(jié)構(gòu)參數(shù)α取值從0.4開始,間隔0.2,遞增至 1.6。計算區(qū)域為 0.2m×0.3m×1.15m(X×Y×Z,下同),網(wǎng)格大小為0.005m×0.005m×0.005m,網(wǎng)格數(shù)量為552,000。在緊貼 U型材料底部處設(shè)置一個0.08m×0.03m×0.01m、溫度為1500℃的高溫物體,用于點燃保溫材料。網(wǎng)格的頂部和底部設(shè)置自由開口,防止煙氣積累影響燃燒時候的煙氣流動。其物性參數(shù)以及反映參數(shù)均為FDS數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)。具體模型示例見圖3。

        圖2 U型結(jié)構(gòu)簡化模型圖Fig.2 Simplified U shaped model

        圖3 模型設(shè)置示意圖Fig.3 The model setting sketch

        2 結(jié)果與討論

        2.1 火蔓延速度

        在不同結(jié)構(gòu)因子的影響下,火焰前鋒從底部0cm處蔓延至頂部100cm處所用的時間如圖4所示。根據(jù)圖可知,隨著結(jié)構(gòu)因子的增大,火焰從底端蔓延到頂端所用時間逐漸減小。這同樣說明,結(jié)構(gòu)因子越大,火蔓延的速度也越快。這同樣是因為結(jié)構(gòu)因子越大導(dǎo)致產(chǎn)生的煙囪效應(yīng)越明顯,進(jìn)而對火蔓延的加速作用越大,導(dǎo)致火蔓延速度越大。同時也可以從圖4中看出,火焰蔓延的加速隨結(jié)構(gòu)因子的增大存在一個減速的趨勢,這與實驗結(jié)果類似,是因為煙囪效應(yīng)對火焰蔓延的加速作用存在一定的極限。

        圖4 各工況下火焰前鋒蔓延至100cm處所用時間Fig.4 Time used when flame spreads to 100cm

        圖5 不同工況實驗結(jié)果和模擬結(jié)果的對比Fig.5 Comparison between experimental and simulation results

        同時,對實驗結(jié)果和模擬結(jié)果進(jìn)行了對比,如圖5所示。從中可以發(fā)現(xiàn),實驗結(jié)果和模擬結(jié)果在趨勢上非常吻合,均顯示出火蔓延速度隨結(jié)構(gòu)因子增大而增大的特性,而且均能夠反映出煙囪效應(yīng)的加速作用存在一定的極限。但是從具體數(shù)值上看,模擬結(jié)果比實驗結(jié)果整體偏大,用時大約長1s~2s,存在誤差的原因主要有兩方面,第一是由于計算資源不足導(dǎo)致計算區(qū)域不能足夠大,這會使得卷吸受到細(xì)微的影響,最終導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)偏差;第二是由于使用高溫物體引燃可燃物,0s時刻并不能立即引燃材料,材料的引燃存在一個較小的延遲,而處理實驗視頻的時候則是直接從引燃可燃物的時刻開始,導(dǎo)致模擬結(jié)果比實驗結(jié)果偏大。

        2.2 熱釋放速率

        不同工況下熱釋放速率隨時間的變化曲線如圖6所示。對于同一種工況,隨著時間的增大,熱釋放速率成加速增加趨勢,這是由于火蔓延速度在加速增大,導(dǎo)致熱解區(qū)域不斷加速增大,進(jìn)而導(dǎo)致參與反應(yīng)的熱解氣的析出量加速增大,最終導(dǎo)致熱釋放速率加速增大。對于不同的工況而言,隨著結(jié)構(gòu)因子的增大,熱釋放速率的加速度逐漸增大,這是由于結(jié)構(gòu)因子增大有利于煙囪效應(yīng)的增大,進(jìn)而使熱釋放速率增大的加速度增大。同時,對于不同的工況,火焰蔓延到頂端時刻的熱釋放速率基本一致,這是因為燃燒到頂部時各個工況的總的熱解區(qū)域面積基本一致,最終導(dǎo)致熱釋放速率基本相同。

        圖6 3種工況下熱釋放速率隨時間變化曲線Fig.6 The heat release rate varying with time in 3cases

        2.3 火蔓延溫度特性

        為了研究火蔓延溫度特性,本文模擬了火焰區(qū)域切片的溫度場分布,首先以結(jié)構(gòu)因子為1.0的工況為例,不同典型時刻距離背板1.0cm處溫度場分布情況如圖7所示。從圖中可以看出,隨著火焰的逐漸蔓延,燃燒的狀態(tài)經(jīng)歷了兩個不同的階段。

        第一個階段是燃燒剛剛發(fā)生的階段,如圖7(a)所示,在此階段中燃燒剛剛進(jìn)行不久,此時火焰形態(tài)成對稱分布,在兩側(cè)側(cè)壁與背板夾角位置溫度較高,而靠近中心的位置則溫度比較低。

        第二個階段是火焰逐漸加速的階段,如圖7(b)和(c)所示,在此階段中燃燒經(jīng)過一定時間的發(fā)展,煙囪效應(yīng)的作用逐漸出現(xiàn),導(dǎo)致火焰蔓延速度明顯加快,在t=5s時750℃以上高溫區(qū)的位置大約在0.3m處,蔓延了約0.1m,而在t=10s時,750℃以上高溫區(qū)的位置大約在0.7m處,蔓延了約0.6m,這也與前邊實驗中得到的該工況下的火焰前鋒隨時間的變化的數(shù)據(jù)基本吻合。在此階段中,靠近中部的溫度場的對稱性逐漸被破壞,這暗示著該階段中開始出現(xiàn)一定強(qiáng)度的湍流并且湍流強(qiáng)度在逐漸增強(qiáng)。

        這兩個階段的存在是有其內(nèi)在的原因的,首先,在第一個階段,火焰剛剛開始蔓延,此時,煙囪效應(yīng)的作用還不太明顯,火勢還不太大,正如前邊實驗部分所述,這個階段對應(yīng)于剛剛點火的初始階段,這個階段中熱煙氣的速度比較小,其向上運動引起的煙囪效應(yīng)比較小,致使這一階段中火蔓延速率比較??;同時,這個階段的的湍流強(qiáng)度比較小,火焰更加近似于層流火焰,因此這個階段的火焰的溫度場呈現(xiàn)對稱性質(zhì)。而且靠近中心的溫度比較低并不能說明背板上沒有著火,由于這個階段的火焰更近似于層流火焰,形態(tài)比較穩(wěn)定,再加上是貼壁燃燒,而此溫度截面距離背板1cm,因此此溫度截面上的靠近中心的溫度是比較低的。

        其次,對于第二個階段而言,這個階段對應(yīng)于在煙囪效應(yīng)作用下的豎直火蔓延。經(jīng)過第一階段的發(fā)展,火焰強(qiáng)度逐漸增大,煙囪效應(yīng)強(qiáng)度逐漸增大,導(dǎo)致火蔓延速度逐漸加快,同時也導(dǎo)致U型結(jié)構(gòu)中的氣流速度逐漸增大,最終導(dǎo)致產(chǎn)生了較大的湍流,因此從溫度場截面圖上顯示,火焰形態(tài)的對稱性被破壞。同時,由于火焰功率不斷增大以及湍流的混合作用,中心區(qū)域的溫度開始明顯增高。

        對于不同工況下某一時刻距離背板1cm處溫度場的分布情況圖8所示,以t=10s時為例。從圖中可以看出,隨著結(jié)構(gòu)因子的增大,t=10s時火焰蔓延到的高度在不斷增大,但是差異不大。而且各個工況此時均處于第二階段中,由于煙囪效應(yīng)的影響,導(dǎo)致各工況溫度場靠近中心部分都失去了對稱性,這說明在各個工況中都存在較強(qiáng)的湍流。

        圖7 結(jié)構(gòu)因子1.0的工況下不同典型時刻距離背板1cm處溫度場分布Fig.7 The temperature distribution whenα=1.0at the 1cm location

        圖8 不同工況下t=10s時距離背板1cm處溫度場分布Fig.8 The temperature distribution when t=10sat the 1cm location

        2.4 煙囪效應(yīng)對U型結(jié)構(gòu)豎直火蔓延行為的影響

        根據(jù)模擬結(jié)果,發(fā)現(xiàn)煙囪效應(yīng)在U型結(jié)構(gòu)豎直火蔓延中有著重要的影響作用。如圖9所示,火焰燃燒的時候會卷吸大量的新鮮空氣,在平面結(jié)構(gòu)中,由于火焰兩側(cè)不受限制,火焰可以很容易地從正面、兩側(cè)以及下方卷吸空氣,從正面以及兩側(cè)卷吸的空氣沒有豎直方向的速度,對火蔓延的影響比較小。但是對于U型結(jié)構(gòu)而言,由于火焰從兩側(cè)卷吸空氣受到側(cè)墻的限制,導(dǎo)致火焰只能從正面和下面卷吸空氣,U型結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)因子越大,火焰從正面卷吸空氣越困難。當(dāng)火焰從下面卷吸空氣的時候,卷吸進(jìn)來的空氣會帶有一個豎直方向的速度,這會加速熱煙氣的上升以及加速空氣與火焰的混合,與此同時,加速上升的熱煙氣會導(dǎo)致U型空間內(nèi)的氣體加速向上流出,這會反過來增強(qiáng)火焰的卷吸強(qiáng)度,增大從下方卷吸進(jìn)來的空氣的流速;而且由于U型結(jié)構(gòu)內(nèi)有較強(qiáng)的豎直方向的速度,導(dǎo)致加速上升的熱煙氣不容易與U型結(jié)構(gòu)之外的空氣混合,這些熱煙氣會沿著U型結(jié)構(gòu)凹槽上升,導(dǎo)致熱量更容易向未燃區(qū)域傳導(dǎo),使未燃區(qū)更快地達(dá)到熱解溫度,最終起到加速火蔓延的作用。

        根據(jù)速度場可以佐證煙囪效應(yīng)的存在,如圖10所示的是結(jié)構(gòu)因子為1.6時距離背板2cm處在15s時刻的速度場,從圖中可以清楚地看出,由于煙囪效應(yīng)的存在,火焰從下部卷吸上來的空氣已經(jīng)有了一定的初始速度。

        圖9 煙囪效應(yīng)對U型結(jié)構(gòu)火蔓延的影響示意圖Fig.9 The chimney effect on fire spread in U shaped structure

        圖10 結(jié)構(gòu)因子1.6工況下距離背板2cm處速度場在t=15s時刻矢量圖Fig.10 The spread rate vector when t=15s underα=1.6at 2cm location

        3 結(jié)論

        本文針對高層建筑中常見的U型外立面結(jié)構(gòu),根據(jù)實際情況將建筑的U型結(jié)構(gòu)簡化為模型,以硬質(zhì)聚氨酯泡沫(PU)為外保溫材料,對U型結(jié)構(gòu)豎直火蔓延行為進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,得到如下結(jié)論:

        (1)U型結(jié)構(gòu)豎直方向的火蔓延是一個非穩(wěn)態(tài)加速蔓延的過程,火蔓延速度會隨著時間的推進(jìn)逐漸加速。

        (2)U型結(jié)構(gòu)在著火的時候會產(chǎn)生煙囪效應(yīng),煙囪效應(yīng)對火蔓延有促進(jìn)作用。熱釋放速率隨著結(jié)構(gòu)因子的增大而增大,同時,由于火焰蔓延至頂端時候的燃燒面積大小相似,導(dǎo)致其熱釋放速率基本相同。

        (3)通過對模擬結(jié)果溫度場的分析,發(fā)現(xiàn)燃燒可以分為兩個階段:其中第一個階段中火蔓延速率比較小,溫度場近似呈對稱分布,這表明第一階段中流場比較平緩,湍流很??;而第二階段火蔓延速率明顯加速,溫度場不再稱分布,說明這一階段流場中出現(xiàn)較強(qiáng)的湍流,煙囪效應(yīng)影響明顯。

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