徐瑩

哈爾濱商業(yè)大學(xué)能源與建筑工程學(xué)院

應(yīng)用FDS進(jìn)行單室火災(zāi)場(chǎng)模擬分析

徐瑩

哈爾濱商業(yè)大學(xué)能源與建筑工程學(xué)院

本文基于成熟的火災(zāi)模擬方法，和建筑煙氣擴(kuò)散領(lǐng)域的理論及實(shí)驗(yàn)成果基礎(chǔ)上，應(yīng)用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究局開(kāi)發(fā)的場(chǎng)模型工具FDS，對(duì)單室火災(zāi)進(jìn)行了場(chǎng)模擬分析。結(jié)果顯示：火源的釋熱率值、房屋的單室門窗狀況等對(duì)著火房間內(nèi)熱值、煙氣濃度以及溫度場(chǎng)的分布特性的均有主要影響，隨著火源釋熱率的增大，室內(nèi)熱煙氣的溫度迅速升高，而且房屋的通風(fēng)面積越大，火災(zāi)發(fā)展越劇烈，上層熱煙氣溫度越高，室內(nèi)整體溫度也越高。本文的研究結(jié)果對(duì)于房間內(nèi)火災(zāi)控制具有一定的參考價(jià)值。

單室火災(zāi)場(chǎng)模型大渦模擬煙氣擴(kuò)散

0 引言

火災(zāi)是當(dāng)代的社會(huì)文明中最具有殺傷力和破壞性的災(zāi)難之一，它包含很多種類，其中在建筑住宅區(qū)內(nèi)發(fā)生的火災(zāi)對(duì)人類的傷害最大，主要原因是[1，2]：①在建造住宅工程時(shí)，建筑使用的裝修材料和建造材料都可能使得火災(zāi)迅速蔓延，所以會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生重大災(zāi)難，對(duì)于人員的疏散和火災(zāi)的撲滅都具有重大的阻礙[3]；②在這些可燃物的燃燒過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生很多對(duì)人體致傷致死的有害物質(zhì)，這也是為什么火災(zāi)發(fā)生中多數(shù)人員致死的原因是呼吸道致死[4]；③在火災(zāi)發(fā)生的過(guò)程中，建筑物會(huì)在高溫的環(huán)境下產(chǎn)生多處變形，這對(duì)于營(yíng)救行動(dòng)極其不利[5，6]。

所以，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)的手段來(lái)分析房間中溫度場(chǎng)分布，煙氣的濃度，以及熱曲線的規(guī)律，對(duì)火災(zāi)防護(hù)和及時(shí)營(yíng)救有重要的意義和參考價(jià)值。

1 單室的火災(zāi)特點(diǎn)

大型火災(zāi)往往都是由于發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，由一兩個(gè)小房間逐步惡化所引起的連帶性事件，本文重點(diǎn)針對(duì)單室火災(zāi)進(jìn)行場(chǎng)模擬分析，單室火災(zāi)的特點(diǎn)是室內(nèi)空間小，可燃物多，火災(zāi)危險(xiǎn)性大。按時(shí)間順序可以定性地分析了單室火災(zāi)的發(fā)展過(guò)程，根據(jù)室內(nèi)煙氣的平均溫度隨時(shí)間的變化曲線，可以將室內(nèi)火災(zāi)大體分四個(gè)主要階段[7，8]，如圖1所示。

1）初期增長(zhǎng)階段。在某一建筑空間內(nèi)，可燃物在剛剛著火，火源范圍很小時(shí)，火區(qū)的大小與受限空間的大小相比很小，又由于建筑一般都比較大，空氣的供應(yīng)比較充足，所以燃燒狀況與開(kāi)敞空間的基本相同。其燃燒狀況主要由可燃物的性質(zhì)決定，稱為燃料控制階段。當(dāng)室內(nèi)煙氣的溫度、煙氣流動(dòng)達(dá)到一定的程度，室內(nèi)墻壁、屋頂開(kāi)始影響燃燒的繼續(xù)發(fā)展時(shí)，火災(zāi)就進(jìn)入受限空間的燃燒過(guò)程，此時(shí)就完成了第一個(gè)發(fā)展階段，即火災(zāi)初期。

2）轟然階段。轟燃的出現(xiàn)是燃燒釋放的熱量大量積累的結(jié)果，標(biāo)志著室內(nèi)火災(zāi)由初期增長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)到充分發(fā)展階段。由圖1可知，轟然相應(yīng)于溫度曲線陡升的一小段。與火災(zāi)的其它主要階段相比，轟然所占時(shí)間是比較短暫的。

3）充分發(fā)展階段。轟燃后，空氣從破損的門窗涌入起火災(zāi)區(qū)，使室內(nèi)產(chǎn)生的可燃?xì)怏w與未完全燃燒的可燃?xì)怏w一起燃燒。此后，火災(zāi)溫度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而持續(xù)而上升，在可燃物即將燃燼時(shí)達(dá)到最高。這個(gè)階段的火災(zāi)一方面會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞室內(nèi)設(shè)施及建筑物本身的結(jié)構(gòu)，甚至造成建筑的部分毀壞或全部倒塌。研究表明[9]：任何人如果在轟燃前還沒(méi)有從室內(nèi)逃脫，就不可能幸存。因此，對(duì)火災(zāi)轟燃前階段的了解直接關(guān)系到建筑物內(nèi)人員的生命安全。

4）火災(zāi)減弱階段。經(jīng)過(guò)火災(zāi)旺盛期之后，火災(zāi)分區(qū)內(nèi)的可燃物大都被燒盡，火災(zāi)溫度逐漸降低，直至熄滅，這是火區(qū)逐漸冷卻的階段。一般把火災(zāi)溫度降低其峰值的80%作為旺盛期與衰減期的分界。這是室內(nèi)可燃物的大量消耗致使燃燒速率減小的結(jié)果，最終導(dǎo)致明火燃燒無(wú)法維持，火焰熄滅，可燃固體變?yōu)闊霟岬慕固俊Ｔ谶@一階段雖然火焰燃燒停止，但是由于燃燒釋放出的熱量不會(huì)很快消失，火場(chǎng)的余熱還能維持一段時(shí)間，室內(nèi)平均溫度仍然較高，并且在焦炭附近還會(huì)存在相當(dāng)高的局部溫度，衰減期溫度下降是比較慢的。

2 FDS的理論及模擬分析

FDS（Fire DynamicsSimulator）是由美國(guó)國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局（NIST，National Institute of Standards and Technology）建筑火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室（Building and Fire Research Laboratory）開(kāi)發(fā)的基于場(chǎng)模擬的火災(zāi)模擬軟件，是一種以火災(zāi)中流體運(yùn)動(dòng)為主要模型對(duì)象的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型[10]。一般情況下，在利用FDS進(jìn)行火災(zāi)模擬時(shí)均選用大渦模擬。

FDS在進(jìn)行基于流體力學(xué)的火災(zāi)模擬時(shí)需要將模擬區(qū)域沿坐標(biāo)軸方向劃分成均勻的網(wǎng)格，以網(wǎng)格點(diǎn)為基礎(chǔ)計(jì)算流體參數(shù)。本文中采用的物理模型如圖2所示，基本參數(shù)如下：房間尺寸為7.2m×3.3m×3.6m，網(wǎng)格大小0.1m×0.1m×0.1m，網(wǎng)格數(shù)量85536，單位面積釋熱率為6000kW/m2，燃燒物表面積0.06m2，進(jìn)而求出初始燃燒率為360kW。

2.1 模擬工況一

模擬工況一的條件是：房間全封閉，即房間的門窗均關(guān)閉，模擬著火時(shí)間為1800s。模擬的結(jié)果如圖3所示。

由結(jié)果可以看出，當(dāng)為封閉工況時(shí)，火勢(shì)較為平穩(wěn)，并且燃燒集中在前500s時(shí)間段內(nèi)，此后火焰逐漸熄滅，接下來(lái)從微觀角度分析火災(zāi)時(shí)的釋熱率變化情況，進(jìn)而更準(zhǔn)確地了解火災(zāi)的發(fā)展過(guò)程，圖4為著火房間釋熱率、邊界熱損失以及輻射熱損失曲線圖。

圖4的結(jié)果清晰地表明了整個(gè)火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展以及熄滅的全過(guò)程，在0～500s時(shí)間段內(nèi)邊界熱損失和輻射熱損失分別經(jīng)歷了由升到降的過(guò)程，在200s時(shí)達(dá)到峰值，之后逐漸降低。這是由于火災(zāi)初始階段呈增大趨勢(shì)，熱損失均隨之增大，進(jìn)入火災(zāi)的衰減階段后，熱損失又逐步降低，直至消失。而釋熱率在起火的瞬間即達(dá)到最大的360kW，隨著燃燒物質(zhì)的消耗逐漸降低，直至可燃物耗盡，釋熱率也變?yōu)榱?。整個(gè)著火過(guò)程歷時(shí)大約600s，這是因?yàn)榉块g封閉，室內(nèi)維持燃燒所必須的氧氣消耗殆盡，缺少了維持燃燒的必要條件，導(dǎo)致火災(zāi)漸趨衰減，直到消失，與圖3所示情況完全吻合。圖3和圖4的結(jié)果從宏觀和微觀角度共同分析了封閉工況下整個(gè)火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展直至熄滅的過(guò)程。

圖5 為整個(gè)火災(zāi)過(guò)程中室內(nèi)煙氣的發(fā)生量圖，由于整個(gè)著火過(guò)程房間是封閉的，生成的煙氣無(wú)處排放，所以一直呈上升趨勢(shì)，直至最后火災(zāi)熄滅，煙氣濃度達(dá)到穩(wěn)定值，也是最大值。

2.2 模擬工況二

模擬工況二的條件：增大單位面積釋熱率為8000kW/m2，并且在200s時(shí)，房間門開(kāi)啟，同時(shí)窗戶處引入了滲透風(fēng)量為5m/s，其余工況保持不變。宏觀模擬結(jié)果如圖6所示：

圖6 需要說(shuō)明的是在t=199s時(shí)刻，此時(shí)房間門尚未開(kāi)啟，火焰已經(jīng)有熄滅的跡象，這是由于此段時(shí)間內(nèi)，房間封閉，燃燒消耗了室內(nèi)大部分氧氣，缺少了燃燒所必須的物質(zhì)，導(dǎo)致火焰開(kāi)始熄滅，在200s時(shí)刻，房間門開(kāi)啟，火焰又開(kāi)始增大，由于火源的消耗，后面的燃燒已經(jīng)沒(méi)有開(kāi)始階段那樣激烈，此時(shí)房間內(nèi)的熱工況如圖7所示。

由圖7可知，在200s房門開(kāi)啟后，整個(gè)燃燒發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)變，200s以前，由于引入了滲透風(fēng)量，受外界的風(fēng)速影響，釋熱率、輻射熱損失以及邊界熱損失都有不同程度的波動(dòng)；在約150s時(shí)，發(fā)生陡降，這是由于滲透風(fēng)量的影響，使得燃燒加劇，耗氧量增大；150s后，氧氣迅速耗盡，燃燒呈衰減趨勢(shì)；200s時(shí)，房間門開(kāi)啟，釋熱率以及熱損失又有進(jìn)一步的增多，但是由于前面的燃燒，可燃物已經(jīng)消耗大半，所以增幅不大，并趨于穩(wěn)定。

圖8所示結(jié)果是變工況后煙氣發(fā)生曲線情況。

由圖8可見(jiàn)，在200s時(shí)也就是門開(kāi)啟之前，煙氣在著火房間內(nèi)呈直線上升趨勢(shì)，門開(kāi)啟后，由于室內(nèi)壓力高于外界，煙氣外泄，且瞬時(shí)的外泄量大于此時(shí)的煙氣生成量，所以濃度也發(fā)生了陡降，經(jīng)歷小的時(shí)間段后，重新達(dá)到平衡狀態(tài)，煙氣的濃度趨于平穩(wěn)，穩(wěn)定后的質(zhì)量濃度小于房間緊閉時(shí)的煙氣濃度。

3 結(jié)論

1）模擬過(guò)程中引入了燃燒及輻射模型，得到了較為合理的結(jié)果，對(duì)火災(zāi)現(xiàn)象中輻射傳熱及燃燒過(guò)程的模擬是火災(zāi)?；ぷ鞯闹攸c(diǎn)與難點(diǎn)；

2）釋熱率是影響火災(zāi)發(fā)展的最主要因素，其大小直接決定了火災(zāi)煙氣的濃度，對(duì)制定人員疏散策略起到至關(guān)重要的作用；

3）混合分?jǐn)?shù)燃燒模型作為一種簡(jiǎn)單實(shí)用的燃燒模型，對(duì)房屋的火災(zāi)情況進(jìn)行初步模擬簡(jiǎn)單可行，結(jié)果直觀可靠，為進(jìn)一步研究火災(zāi)控制方法提供了基礎(chǔ)。

[1]姚建達(dá),范維澄.建筑火災(zāi)中場(chǎng)區(qū)網(wǎng)數(shù)值模型的應(yīng)用[J].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),1997,27(3):304-308

[2]霍然,胡源,李元洲.建筑火災(zāi)安全工程導(dǎo)論[M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,1999

[3]Wei Cheng,Zhong Maohua.Review onmodeling of fire physics and risk assessment[A].In:Proceedingsof the Fourth Asia-Ocean -ia Symposium on fire Scienceand Technology[C].Tokyo,2000

[4]M ingchun Luo,Yaping He,Vaugham Beck.Application of field model and two-zonemodel to flashover fires in a full-scalemultiroom single level building[J].Fire Safety Journal,1997,29(1): 1-25

[5]RD Peacock,PA Reneke,RW Bukowski,etal.Defining flashover for fire hazard calculations[J].Fire Safety Journal,1999,32: 331-345

[6]叢北華,廖光煊,韋亞星.計(jì)算機(jī)模擬在火災(zāi)科學(xué)與工程研究的應(yīng)用[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2003,(2):63-69

[7]陳維,劉明臣.高層建筑火災(zāi)和防火安全[M].北京:群眾出版社, 1986

[8]霍然,金旭輝,梁文.大型建筑火災(zāi)中人員安全疏散計(jì)算分析[J].火災(zāi)科學(xué),1994,8(2):8-13

[9]D Rasbash,GRamachandran.Evaluation of Fire Safety[M].New York:JohnW iley&Sons,Inc.,2004

[10]Kevin M cGrattan.Fire Dynam ics Simulator(Version 4)TechnicalReferenceGuide[Z].NIST,2004

Ap p ly FDS to the Fire s o f a Sing le Cham be r to Con du c t Fie ld Sim u la tion and Ana lys is

XU Ying
Schoolof Energy and CivilEngineering,Harbin University ofCommerce

Theoretical and experimental resultsof simulation-basedmethod in this article is based on proven fire,and smoke-proliferation architecture,the application of the U.S.Bureau of Standards and Technology research tools developed fieldmodel FDS,carried out fora single room fire field simulation analysis.The resultsshowed that:the heat release rate of the fire source value,the value of the fire room heat,have major impact on the distribution of gas concentration and temperature field house featuresa single room doors status,alongw ith the source of fire heat release rate increases,indoor hot flue gas temperature rises rapidly,and the bigger house ventilation area,themore intense the fire development,thehigher theupperhotgas temperature,thehigher theoverall temperatureof the room.Resultsof this study for the fire control room have a certain reference value.

single room fire,field simulation,largeeddy simulation,haze proliferation

1003-0344（2014）03-059-4

2013-04-12

徐瑩（1981～），女，博士，講師；黑龍江哈爾濱商業(yè)大學(xué)能源與建筑工程學(xué)院（150028）；E-mail:joexying@126.com基金項(xiàng)目：黑龍江省青年科學(xué)基金（QC2012C056）