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        高層建筑外墻火災(zāi)數(shù)值仿真研究

        2014-02-23 05:03:50智會強
        安全 2014年4期
        關(guān)鍵詞:火源外墻測點

        智會強 牛 坤

        公安部天津消防研究所

        高層建筑外墻發(fā)生火災(zāi)后,火災(zāi)豎向蔓延速度快,救援困難,且外墻玻璃破碎后,火災(zāi)很容易進入室內(nèi),給人員疏散造成困難,很容易造成人員傷亡。

        隨著信息技術(shù)及計算科學(xué)的發(fā)展,數(shù)值模擬技術(shù)在消防工程中得到了廣泛應(yīng)用,對消防工程的發(fā)展起到了良好的推動作用?;馂?zāi)過程的數(shù)值模擬是在描述火災(zāi)過程的各種數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上進行的,它試圖從工程科學(xué)的角度出發(fā),分析和研究火的發(fā)生、發(fā)展,煙氣的蔓延以及火災(zāi)對周圍環(huán)境的影響[1,2]。數(shù)值模擬技術(shù)使科研人員不必投入大量的人力、物力、財力去進行全尺寸火災(zāi)實驗,只需掌握火災(zāi)相關(guān)參數(shù)并建立有效的火災(zāi)模型即可進行模擬研究,是一種代價低、周期短且可多次復(fù)現(xiàn)的研究方法[3]。目前,數(shù)值模擬已在消防科研、性能化設(shè)計、火災(zāi)調(diào)查、消防決策指揮系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文采用數(shù)值模擬的方法,對某高層建筑外墻火災(zāi)進行了分析,研究了火災(zāi)蔓延規(guī)律。

        1 火災(zāi)蔓延數(shù)值分析的實現(xiàn)

        固體材料的燃燒過程,一般是先熱解為氣態(tài)物質(zhì),然后再燃燒,因此火災(zāi)蔓延模擬中一般需要熱解模型的支持,本文數(shù)值分析采用美國NIST開發(fā)的FDS軟件,因此,以FDS的固體熱解模型為例,說明火災(zāi)蔓延數(shù)值分析的實現(xiàn)[4,5]。

        FDS中的固體物質(zhì)可以由多層材料組成,每一層材料都可包含多種物質(zhì)成分。每種固體物質(zhì)可以進行多個反應(yīng),這幾個反應(yīng)可能發(fā)生在不同的溫度下,消耗不同量的熱量。熱解反應(yīng)需要確定每個反應(yīng)的產(chǎn)物,F(xiàn)DS中熱解產(chǎn)物可以是固體殘留物、水蒸汽、燃料氣體等。反應(yīng)物可通過參數(shù):NU_RESIDUE(固體殘留物),NU_WATER(水蒸氣),和NU_FUEL(燃料)來設(shè)定。

        熱解模型必須指定反應(yīng)溫度和反應(yīng)。在溫度Ts下,第i類材料的第j個熱解反應(yīng)的反應(yīng)速度由式(1)給定:

        Ai,j是一指數(shù)因子,單位是s-1;Ei,j是活化能,單位是kJ/kmol。對于大多數(shù)材料,很難確定Ai,j和Ei,j。此時,可以通過指定參數(shù)reference rate(s-1)和reference temperature(℃)來進行計算。FDS會利用這兩個參數(shù)來完成計算。reference rate的默認值是0.1s-1。數(shù)值分析時,一般取reference rate為默認值,只指定reference temperature。

        2 火災(zāi)蔓延數(shù)值分析及蔓延規(guī)律研究

        2.1 模擬場景設(shè)置

        經(jīng)分析,共設(shè)置3個火源位置,火源位置A位于建筑東側(cè)中部位置,火源位置B位于建筑南側(cè)中部位置,火源位置C位于建筑東南側(cè),如圖1。根據(jù)需要共設(shè)位置4個計算場景,場景設(shè)置,見表1。

        圖1 火源位置示意圖

        表1 火災(zāi)場景分析匯總表

        2.2 模擬參數(shù)設(shè)置

        2.2.1 建模

        建模過程中對實際模型進行了局部簡化,將外墻材料統(tǒng)一簡化為擠塑聚苯板,另外由于實際建筑體量巨大(長45m,寬30m,高90m),進行火焰蔓延需要網(wǎng)格尺寸極小,進行整體模擬,計算系統(tǒng)難以承受,因此在考慮計算經(jīng)濟性的情況下,對實際建筑進行了1/3比例的縮尺建模,網(wǎng)格尺寸最小0.04m,最大0.08m。

        2.2.2 輸入?yún)?shù)設(shè)置

        環(huán)境初始溫度24℃,初始風(fēng)速0m/s;湍流模型采用大渦模擬模型,燃燒模型采用混合分數(shù)模型,熱解模型采用固體材料熱分解模型;初始火源為1MW恒定火源,引燃外墻材料后,自行熄滅,外墻材料統(tǒng)一為模塑聚苯板,熱解溫度320℃,內(nèi)墻為混凝土。

        2.2.3 測點布置

        在模型各墻面上分上、中、下位置各布置3個熱電偶測點,位置分別距離地面5m、15m和25m,其中THCPB位于墻角,其余熱電偶位于各面墻的中部位置。各熱電偶具體位置和編號,如圖2。

        圖2 測點布置圖

        2.2.4 模擬結(jié)果

        圖3為火災(zāi)場景B的火焰蔓延過程圖,由于未考慮室外風(fēng)的影響,火災(zāi)在建筑外立面基本成對稱形式向上部和兩側(cè)蔓延,向上蔓延速度遠高于向兩側(cè)蔓延速度,從著火側(cè)立面向相鄰立面的蔓延首先發(fā)生在建筑上部,除著火側(cè)外,其他立面呈現(xiàn)火焰自上而下蔓延的現(xiàn)象,該場景火焰蔓延順序為南側(cè)、東側(cè)、西側(cè)、北側(cè)。圖4為測點THCPC和測點THCPD的溫度曲線,可以看到最高溫度可以達到1000℃以上。其他場景模擬結(jié)果,見表2。

        圖3 火災(zāi)蔓延過程

        圖4 各測點溫度曲線

        表2 模擬結(jié)果分析

        3 結(jié)論和建議

        通過模擬分析,可得如下結(jié)論:

        (1)利用FDS軟件的熱解模型和燃燒模型可以較好地實現(xiàn)火災(zāi)的蔓延仿真,但對超大體量建筑采用并行算法進行分析時,在網(wǎng)格尺寸較小的情況下,數(shù)值計算的穩(wěn)定性較差,極易出現(xiàn)數(shù)值發(fā)散的情況;

        (2)在單點點火的情況下,火災(zāi)首先從著火點沿著火面外墻向上及向兩側(cè)蔓延,火焰垂直蔓延速度遠遠高于水平蔓延速度,火災(zāi)從單側(cè)向相鄰側(cè)蔓延一般首先會出現(xiàn)在建筑頂部區(qū)域,然后相鄰側(cè)火災(zāi)會呈現(xiàn)自上而下的蔓延過程,最終會發(fā)展為整個建筑外表面全部參與燃燒的情形;

        (3)有風(fēng)情況下,火災(zāi)的蔓延速度會明顯加快,尤其是火焰在下風(fēng)向的水平蔓延速度會明顯加快,但風(fēng)力會阻止火焰向上風(fēng)向蔓延。

        通過研究分析,對高層建筑的外立面防火提出如下建議:

        (1)建議相關(guān)規(guī)范盡快完善對鋁塑板幕墻的防火要求。如可以對不同高度的高層建筑,規(guī)定可采用的鋁塑板材料的防火性能;

        (2)建議相關(guān)規(guī)范盡快完善對外墻外保溫材料的防火要求。如規(guī)定防火隔離帶的做法,防火隔離帶不應(yīng)只考慮水平隔離,還應(yīng)考慮垂直隔離帶。從數(shù)值分析看,對于兩個立面交界處采用一定的防火措施,有利于阻止火災(zāi)向相鄰側(cè)的蔓延;

        (3)對于高層建筑,為防止外部火災(zāi)向建筑內(nèi)部蔓延,應(yīng)加強其外窗的防火要求,如規(guī)定超高層建筑外窗宜采用防火窗等。

        [1] 范維澄,孫金華,陸守香,等. 火災(zāi)風(fēng)險評估方法學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2004

        [2] 霍然,袁宏永. 性能化建筑防火分析與設(shè)計[M]. 合肥:安徽科學(xué)技術(shù)出版社,2003

        [3] 丁謝鑌. 通風(fēng)受限單室火災(zāi)回燃過程的大渦模擬[J].消防科學(xué)與技術(shù),2009,28(6):227-231

        [4] 周慶,徐志勝. 多層建筑火災(zāi)煙氣運動的數(shù)值模擬[J].消防科學(xué)與技術(shù),2004,23(1):20-24

        [5] Kevin McGrattan,Simo Hostikka,Jason Floyd.Fire Dynamics Simulator (Version 5)Technical Reference Guide Volume 1: Mathematical Model[R]. 2009

        [6] Randall McDermott,Kevin McGrattan,Simo Hostikka.Fire Dynamics Simulator Technical Reference Guide Volume 2: Verification[R]. 2009

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