江 文，趙恒澤，羅劍飛，趙蘭明，王進(jìn)軍，張永明

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

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挑檐抑制PMMA豎直火蔓延數(shù)值模擬研究

江 文，趙恒澤，羅劍飛，趙蘭明，王進(jìn)軍，張永明*

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

應(yīng)用FDS數(shù)值模擬軟件，建立PMMA豎直火蔓延模型，通過(guò)改變防火挑檐長(zhǎng)度和寬度，設(shè)計(jì)一系列工況，對(duì)比分析挑檐長(zhǎng)度、寬度以及寬長(zhǎng)比對(duì)豎直火蔓延的影響。結(jié)果表明當(dāng)挑檐長(zhǎng)度為臨界值時(shí)，隨寬度的增加，挑檐上方壁面溫度與熱釋放速率均逐漸降低；挑檐寬度為臨界值時(shí)，隨長(zhǎng)度的增加，挑檐上方壁面溫度與熱釋放速率逐漸降低；挑檐長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，有效阻火的挑檐寬度隨長(zhǎng)度的增加而逐漸減小，最后固定不變，最終建立了防火挑檐的臨界點(diǎn)與熱釋放速率的無(wú)量綱模型。

防火挑檐；PMMA；豎直火蔓延；數(shù)值模擬

0 引言

近年來(lái)，隨城市化水平的快速發(fā)展，我國(guó)的高層建筑數(shù)量呈現(xiàn)迅速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，在北京、上海、深圳等一線城市，數(shù)百米以上的高層建筑層出不窮，盡管高層建筑能夠極大地提高土地的利用率，但是也帶來(lái)了很多其他問題，例如，隨著建筑物高度的增加，防火安全設(shè)計(jì)的難度也隨之增加，從而導(dǎo)致其火災(zāi)危險(xiǎn)性較高，一旦發(fā)生火災(zāi)，將造成十分嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。另外，有機(jī)外墻保溫材料和裝飾材料在高層建筑上的大量使用在一定程度上大大增加了高層建筑的火災(zāi)危險(xiǎn)性，其中有機(jī)玻璃因具有整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、自重輕、透光率高、安全性能高等特殊優(yōu)點(diǎn)，用有機(jī)玻璃亞克力制成的采光體被大量用于各大城市飯店、賓館以及高級(jí)住宅，因此本文選取有機(jī)玻璃(PMMA)材料進(jìn)行豎直火蔓延的數(shù)值模擬研究。

目前，高層建筑上用于阻隔建筑外立面豎直火蔓延的控制措施主要有兩種，即窗檻墻和防火挑檐。對(duì)于窗檻墻和挑檐在建筑物上的設(shè)置，GB50368-2005《住宅建筑規(guī)范》做了相應(yīng)的規(guī)定[1]：9.4.1 住宅建筑上下相鄰套房開口部位間應(yīng)設(shè)置高度不低于0.8 m的窗檻墻或設(shè)置耐火極限不低于1.0 h的不燃性實(shí)體挑檐，其出挑寬度應(yīng)不小于0.5 m，長(zhǎng)度應(yīng)不小于開口寬度。規(guī)范中只是單獨(dú)規(guī)定了建筑上防火挑檐的寬度和長(zhǎng)度，并沒有充分考慮挑檐的寬度和長(zhǎng)度的耦合對(duì)外立面豎直火蔓延的影響。

此外在過(guò)去的幾十年，一大批科研工作者從不同角度對(duì)阻隔建筑外立面豎直火蔓延的阻隔技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。如王等[2]運(yùn)用FDS對(duì)設(shè)置挑檐和窗檻墻進(jìn)行數(shù)值模擬，得出設(shè)置挑檐比設(shè)置窗檻墻更能有效地阻止建筑火災(zāi)豎直火蔓延的結(jié)論。李等[3]針對(duì)無(wú)防火挑檐及防火挑檐位于窗檻墻上的不同位置進(jìn)行FDS模擬，得出防火挑檐的施加位置對(duì)于火災(zāi)豎向蔓延的影響效果。Mammoser和Battaglia[4]采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)不同深度以及不同幾何形狀的幾種典型陽(yáng)臺(tái)類型分別進(jìn)行模擬，選出阻火效果最佳的陽(yáng)臺(tái)類型。

前人對(duì)于防火挑檐的相關(guān)研究多為窗口對(duì)溢流火的影響，很少涉及豎直火蔓延，且多與窗檻墻相結(jié)合，本文采用數(shù)值模擬的方法，通過(guò)小尺寸實(shí)驗(yàn)，研究挑檐的長(zhǎng)度和寬度以及二者的耦合對(duì)PMMA豎直火蔓延的影響，并建立有效阻火的臨界點(diǎn)挑檐無(wú)量綱模型。

1 數(shù)值模擬

FDS(Fire Dynamics Simulator)是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)開發(fā)的一種場(chǎng)模型軟件，是計(jì)算流體力學(xué)的模型之一。本文采用FDS6.1.1對(duì)所需系列工況進(jìn)行數(shù)值模擬。

1.1 模型介紹

模擬實(shí)驗(yàn)選擇的計(jì)算區(qū)域?yàn)?.44 m×0.4 m×0.8 m，PMMA材料尺寸設(shè)為0.4 m×0.2 m×0.04 m(長(zhǎng)×寬×厚)，測(cè)溫點(diǎn)位于材料表面，沿材料豎直方向均勻分布，在挑檐的正上方和正下方1 cm處分別布置了測(cè)溫點(diǎn)和輻射熱通量測(cè)量點(diǎn)，挑檐置于材料高度位置1/2處，各參數(shù)測(cè)量點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 參數(shù)測(cè)量點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Parameter measurement point distribution

挑檐以下部分施加35 kW/m2的外部輻射，環(huán)境溫度設(shè)定為20℃，不考慮環(huán)境風(fēng)等其他影響因素，無(wú)挑檐與施加挑檐的數(shù)值模擬模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬模型Fig.2 Numerical simulation model

1.2 網(wǎng)格尺寸確定

采用FDS進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，首要任務(wù)是確定網(wǎng)格的劃分能否滿足獨(dú)立性，網(wǎng)格劃分較大時(shí)，獨(dú)立性較差，因此只有通過(guò)設(shè)置較小的網(wǎng)格尺寸才能使其滿足獨(dú)立性要求，但網(wǎng)格劃分過(guò)小會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此網(wǎng)格劃分過(guò)大或過(guò)小均不適宜。

通常情況下，對(duì)涉及羽流動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬來(lái)說(shuō)，F(xiàn)DS的網(wǎng)格獨(dú)立性，可以通過(guò)對(duì)特征參數(shù)D*/δx的計(jì)算來(lái)確定，其中D*為火焰特征直徑，定義為：

(1)

其中，Q為火源熱釋放速率，ρ為空氣密度，cp為空氣比熱容，T為環(huán)境溫度，本文中將環(huán)境溫度設(shè)為20℃，即293 K，g為重力加速度。

為保證數(shù)值模型計(jì)算可靠性，采用上述數(shù)值模型對(duì)所述實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的網(wǎng)格劃分進(jìn)行求解。計(jì)算區(qū)域設(shè)置為0.44 m × 0.4 m × 0.8 m，采用式(1)對(duì)網(wǎng)格尺寸進(jìn)行初步估算，在保持參數(shù)D*/δx介于4～16[5]時(shí)，對(duì)應(yīng)的δx值約為0.015 m～0.06 m，本次模擬選取的網(wǎng)格尺寸為0.02 m。

1.3 火源設(shè)定

在建筑火災(zāi)事故中，外立面長(zhǎng)時(shí)間處于火焰輻射之中，從而大大加快了豎直火蔓延的速度，前人通過(guò)研究PMMA板在外界輻射作用下的豎直火蔓延行為[6,7]，得出在外界輻射源的作用下，豎直火蔓延的火焰?zhèn)鞑ニ俣葧?huì)增大30%～40%，因此本次模擬中將火源設(shè)置為外加輻射源。

引燃普通材料的最低熱通量通常為薄型材料10 kW/m2，厚型材料20 kW/m2，另外，受湍流火焰加熱的表面熱通量通常為20 kW/m2～40 kW/m2，本次數(shù)值模擬中采用的PMMA材料為厚型材料，且在豎直火蔓延過(guò)程中受湍流火焰作用，因此將外加輻射源大小設(shè)為35 kW/m2。

1.4 材料參數(shù)的確定

對(duì)于建筑物上防火挑檐的材料選擇，我國(guó)的《住宅建筑規(guī)范》規(guī)定需采用極限不低于1.0 h的不燃性實(shí)體挑檐，因此實(shí)驗(yàn)中選用不燃的石膏板作為挑檐材料，在Pyrosim軟件自帶的材料熱物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中包含了石膏板，對(duì)石膏板的熱物性參數(shù)無(wú)需重新設(shè)置。而PMMA材料并不包括在數(shù)據(jù)庫(kù)中，模擬所需的參數(shù)需查閱文獻(xiàn)單獨(dú)設(shè)置，其中PMMA的部分參數(shù)如表1所示。

表1 PMMA熱物性參數(shù)[8]

1.5 PMMA熱解模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文建立的PMMA材料熱解模型的有效性，首先建立PMMA材料錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)數(shù)值模型[10]，并將模擬結(jié)果與前人進(jìn)行的PMMA錐形量熱實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行對(duì)比分析。錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示，整個(gè)計(jì)算空間大小為0.4 m×0.4 m×0.5 m，中間為樣品以及隔熱外包物，樣品尺寸為0.1 m×0.1 m×0.025 m，頂部設(shè)置一個(gè)大小為0.15 m×0.15 m的吸氣口，流量按照實(shí)際錐形量熱儀參數(shù)取24 l/s，底部設(shè)為“OPEN”，以便空氣進(jìn)入，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別施加大小為30 kW/m2和40 kW/m2的外加輻射熱流。

圖3 錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Numerical model of cone calorimeter

圖4和圖5所示分別為采用數(shù)值模擬得出的材料在30 kW/m2和40 kW/m2的外加輻射下的熱釋放速率曲線，從曲線中可知在這兩種輻射能量下的熱釋放速率最大值分別為553 kW/m2和685 kW/m2，而彭等[11]通過(guò)錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)值分別為552 kW/m2和673 kW/m2，二者結(jié)果基本一致，由此可知本文采用該P(yáng)MMA的熱解模型進(jìn)行挑檐對(duì)豎直火蔓延的阻隔作用實(shí)驗(yàn)是可信的。

圖4 熱釋放速率曲線(30 kW/m2)Fig.4 Heat release rate curve (30 kW/m2)

圖5 熱釋放速率曲線(40 kW/m2)Fig.5 Heat release rate curve (40 kW/m2)

1.6 數(shù)值模擬工況

本文主要研究防火挑檐的長(zhǎng)度和寬度以及二者的耦合對(duì)PMMA豎直火蔓延的阻隔效果，設(shè)置不同的挑檐寬度和長(zhǎng)度，具體工況如表2所示(“√”表示進(jìn)行數(shù)值模擬的工況)，PMMA裂解溫度為300℃以上[12]，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)觀察挑檐上方的壁面溫度是否達(dá)到PMMA裂解溫度，來(lái)判斷輻射源是否對(duì)挑檐上方造成危害，從而得出能夠阻隔PMMA豎直火蔓延的有效長(zhǎng)度、寬度以及合理的寬長(zhǎng)比。

表2 數(shù)值模擬工況表

2 數(shù)據(jù)處理分析

2.1 無(wú)挑檐與施加挑檐條件下的對(duì)比分析

圖6 無(wú)挑檐的壁面溫度圖Fig.6 Wall temperature with no cornice

圖6為未施加挑檐時(shí)的壁面溫度圖，由于輻射源施加于材料下半部分，由圖6中可看出材料上半部分的壁面溫度低于下半部分，但差距不是特別大，主要原因是在未施加挑檐的情況下，PMMA豎直火蔓延至材料上半部分，導(dǎo)致上半部分壁面溫度短時(shí)間內(nèi)迅速增大并且最終趨于穩(wěn)定。圖7為施加長(zhǎng)為40 cm，寬為7 cm的挑檐時(shí)的壁面溫度圖，從圖7中可看出，挑檐以上部分的壁面溫度緩慢增長(zhǎng)至一個(gè)遠(yuǎn)低于PMMA裂解溫度的值，之后逐漸下降，另外由于本次模擬中施加的挑檐材料為石膏板，其導(dǎo)熱系數(shù)約為0.48 W/m/K，因此在1400 s左右，由于火焰積聚于挑檐下方導(dǎo)致其溫度過(guò)高，由于挑檐的輻射作用使得其以上部分的壁面溫度升高，并出現(xiàn)峰值。將圖6與圖7進(jìn)行對(duì)比分析，可明顯的看出，挑檐的存在對(duì)PMMA的豎直火蔓延起到了有效的阻隔作用。

圖7 施加挑檐的壁面溫度圖Fig.7 Wall temperature with cornice

圖8為未施加挑檐時(shí)的輻射熱通量圖，圖9為施加長(zhǎng)為40 cm，寬為7 cm的挑檐時(shí)的輻射熱通量圖，圖10為未施加挑檐與施加挑檐條件下，挑檐正下方的輻射熱通量對(duì)比圖，圖11為挑檐正上方的輻射熱通量對(duì)比圖，由圖可知，在施加挑檐的條件下，上方的輻射熱通量值大大低于未施加挑檐的，表明挑檐對(duì)輻射熱通量的阻隔效果十分明顯，但由圖10可看出，施加挑檐也會(huì)增大下半部分的輻射熱通量，從而加大挑檐下方的危險(xiǎn)性。

圖8 無(wú)挑檐時(shí)的輻射熱通量圖Fig.8 HRR with no cornice

圖9 施加挑檐時(shí)的輻射熱通量圖Fig.9 HRR with cornice

圖10 挑檐下方輻射熱通量對(duì)比圖Fig.10 Radiant heat flux above cornice

圖11 挑檐上方輻射熱通量對(duì)比圖Fig.11 Radiant heat flux below cornice

圖12為未施加挑檐與施加挑檐時(shí)的熱釋放速率對(duì)比圖，可以看出，在防火挑檐的作用下，熱釋放速率顯著降低，防火挑檐對(duì)PMMA豎直火蔓延的阻隔效果較為明顯。

2.2 寬度對(duì)PMMA豎直火蔓延的影響

將挑檐長(zhǎng)度設(shè)為40 cm不變，改變挑檐的寬度分別為5 cm，6 cm，7 cm和8 cm，并將模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可得出挑檐寬度對(duì)豎直火蔓延的影響。圖13為不同寬度挑檐的熱釋放速率對(duì)比圖，圖14為挑檐上方壁面溫度對(duì)比圖。由圖14可以看出，對(duì)于寬度為5 cm和6 cm的挑檐，豎直火蔓延可越過(guò)挑檐，而對(duì)于寬度大于6 cm的挑檐，則無(wú)法越過(guò)，結(jié)合圖13與圖14可知，隨著挑檐寬度的增加，熱釋放速率與挑檐上方壁面溫度均逐漸減小，并且相鄰寬度之間的熱釋放速率與壁面溫度差值逐漸減小，二者曲線最終逐漸重合。

圖12 有無(wú)挑檐的熱釋放速率圖Fig.12 HRR with and without cornice

圖13 不同寬度挑檐的熱釋放速率圖Fig.13 HRR of different width cornice

圖14 不同寬度挑檐的壁面溫度Fig.14 Wall temperature of different width cornice

2.3 長(zhǎng)度對(duì)PMMA豎直火蔓延的影響

將挑檐寬度設(shè)為11 cm不變，通過(guò)改變挑檐的長(zhǎng)度分別為28 cm，32 cm，36 cm和40 cm，將模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可得出挑檐長(zhǎng)度對(duì)豎直火蔓延的影響。圖15為不同長(zhǎng)度挑檐的熱釋放速率對(duì)比圖，圖16為挑檐上方壁面溫度對(duì)比圖。由圖16可以看出，對(duì)于長(zhǎng)度為28 cm和32 cm的挑檐，豎直火蔓延可越過(guò)挑檐，而對(duì)于長(zhǎng)度大于32 cm的挑檐，則無(wú)法越過(guò)，結(jié)合圖15與圖16可知，隨著挑檐長(zhǎng)度的增加，熱釋放速率與挑檐上方壁面溫度均逐漸減小，二者曲線逐漸平滑。

圖15 不同長(zhǎng)度挑檐的熱釋放速率圖Fig.15 HRR of different length cornice

圖16 不同長(zhǎng)度挑檐的壁面溫度圖Fig.16 Wall temperature of different length cornice

2.4 長(zhǎng)度與寬度耦合作用對(duì)PMMA豎直火蔓延的影響

數(shù)值模擬結(jié)果如表3所示，其中“×”表示豎直火沒有蔓延至挑檐上方，“√”表示火蔓延至挑檐上方，上方的壁面溫度達(dá)到PMMA的裂解溫度。在相同的長(zhǎng)度條件下，將豎直火能蔓延至挑檐上方的最大寬度作為臨界點(diǎn)。

表3 數(shù)值模擬工況表

圖17所示為臨界點(diǎn)處挑檐長(zhǎng)度與寬度的關(guān)系圖。當(dāng)挑檐長(zhǎng)度為20 cm和24 cm時(shí)，火焰從挑檐側(cè)面蔓延至上方，導(dǎo)致上方PMMA材料邊界部分劇烈燃燒，但測(cè)溫點(diǎn)位于材料正中間，此時(shí)所測(cè)得的壁面溫度不能用于判斷挑檐上方材料是否開始裂解，故進(jìn)行長(zhǎng)度與寬度耦合作用分析時(shí)，這兩組數(shù)據(jù)可不予考慮。由圖17可知，能夠有效阻止豎直火蔓延的挑檐最大長(zhǎng)度為40 cm，最大寬度為11 cm，可將40 cm定為能夠有效阻火的臨界防火挑檐長(zhǎng)度，11 cm定為臨界防火挑檐寬度。當(dāng)挑檐長(zhǎng)度≥28 cm時(shí)，隨著挑檐長(zhǎng)度的增加，能夠有效阻火的臨界挑檐的寬度逐漸減小，最后穩(wěn)定不變。

圖17 臨界點(diǎn)長(zhǎng)度與寬度關(guān)系圖Fig.17 Length against width of critical point

2.5 挑檐有效阻火臨界點(diǎn)尺寸無(wú)量綱分析

(2)

可得量綱方程為：1=[J.s-1]m1[kg.m-3]m2[J.kg-1K-1]m3[K]m4[m.s-2]m5[m]m6[m]m7

(3)

接下來(lái)將上節(jié)實(shí)驗(yàn)中所得臨界點(diǎn)挑檐尺寸長(zhǎng)32 cm，寬11 cm和長(zhǎng)36 cm，寬8 cm兩種尺寸代入2-2式可得m6=-1.83，m7=-0.67，因此由(3)式可得無(wú)量綱參數(shù)Q*：

(4)

3 結(jié)論

(1)挑檐的施加能夠在很大程度上降低挑檐上方的危險(xiǎn)性。

(2)在挑檐長(zhǎng)度為臨界挑檐長(zhǎng)度時(shí)(保證火焰不會(huì)從側(cè)面蔓延至上方)，隨著挑檐寬度的增加，熱釋放速率與挑檐上方壁面溫度均逐漸減小，并且相鄰寬度之間的熱釋放速率與壁面溫度差值逐漸減小，二者曲線最終逐漸重合。

(3)在挑檐寬度為臨界挑檐寬度時(shí)(保證火焰不會(huì)從寬度方向蔓延至上方)，隨著挑檐長(zhǎng)度的增加，熱釋放速率與挑檐上方壁面溫度均逐漸減小，二者曲線逐漸平滑。

(4)當(dāng)防火挑檐長(zhǎng)度≥28 cm時(shí)，隨著挑檐長(zhǎng)度的增加，能夠有效阻火的臨界挑檐的寬度先逐漸減小，后穩(wěn)定不變。

防火挑檐阻止豎直火蔓延的效果還受火源功率、挑檐位置、材料等諸多因素的影響，在實(shí)際建筑防火設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮各方面因素，針對(duì)特定場(chǎng)所來(lái)確定最佳防火挑檐尺寸。

[1] GB50368-2005, 住宅建筑規(guī)范[S], 2005.

[2] 王經(jīng)緯, 等. 挑檐和窗檻墻阻止火災(zāi)豎向蔓延性能的數(shù)值模擬分析[J]. 消防科學(xué)與技術(shù), 2004, 23(2): 111-113.[3] 李龍, 等. 防火挑檐的位置對(duì)窗口噴火豎向蔓延的影響[J], 科技傳播. 2013, (24): 154.

[4] Mammoser Iiia JH, Battaglia F. A computational study on the use of balconies to reduce flame spread in high-rise apartment fires[J]. Fire Safety Journal, 2004, 39(4): 277-296.

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Numerical simulation on suppressing vertical fire spread of PMMA by cornice

JIANG Wen, ZHAO Hengze, LUO Jianfei,ZHAO Lanming, WANG Jinjun, ZHANG Yongming

(State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

In this paper, the numerical simulation software FDS was used to establish the model of PMMA vertical fire spread. The influences of cornice length, width and the ratio of width to length on vertical fire spread were studied by designing a series of conditions with various fire cornice lengths and widths. The results were as follows. When the cornice length reaches a critical value, with the increase of the width, the wall temperature above the cornice and heat release rate decreases. When the cornice width reaches a critical value, with the increase of the length, the wall temperature above the cornice and heat release rate decreases. With a higher cornice length, the effective fire suppression width decreases gradually with the increasing of the length, and finally remains fixed. Finally a dimensionless model for the critical point of fire cornice with heat release rate is established.

Fire cornice; PMMA; Vertical fire spread；Numerical simulation

2016-01-07；修改日期：2016-03-30

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2012CB719702)。

江文，女，安徽，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士，研究方向?yàn)楦邔咏ㄖ阑稹?/p>

張永明 ， E-mail: zhangym@ustc.edu.cn

1004-5309(2016)-00065-08

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.02.02

X915.5

A