徐豐煜，吳立志

(1.三明市消防支隊(duì)，福建 三明 360000； 2.武警學(xué)院 消防指揮系，河北 廊坊 065000)

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不同通風(fēng)條件下賓館客房火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬

徐豐煜1，吳立志2

(1.三明市消防支隊(duì)，福建 三明 360000； 2.武警學(xué)院 消防指揮系，河北 廊坊 065000)

在對(duì)北京145家中檔賓館進(jìn)行火災(zāi)荷載調(diào)查的基礎(chǔ)上，得到了火災(zāi)荷載密度、可燃物組分比例、通風(fēng)開(kāi)口等影響火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)計(jì)了具有代表性的賓館客房燃料包。為了選擇合適的火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行全尺寸房間火試驗(yàn)，采用FDS模擬來(lái)觀察賓館客房燃料包的燃燒規(guī)律，并改變通風(fēng)條件以及燃料包的擺放位置，研究不同火災(zāi)場(chǎng)景下熱釋放速率、溫度以及煙氣濃度的變化情況，為確定實(shí)體房間火試驗(yàn)的火災(zāi)場(chǎng)景提供參考。

賓館客房；燃料包；火災(zāi)場(chǎng)景；設(shè)計(jì)火

0 引言

確定合適的設(shè)計(jì)火災(zāi)場(chǎng)景是火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)火災(zāi)場(chǎng)景是對(duì)特定場(chǎng)景下火災(zāi)隨時(shí)間變化的定性描述，確定表征火災(zāi)的關(guān)鍵事件，如點(diǎn)燃、火災(zāi)增長(zhǎng)、轟燃、全面發(fā)展和衰減階段?；馂?zāi)荷載、房間尺寸和通風(fēng)條件都會(huì)影響到火災(zāi)的發(fā)展。隨著性能化防火設(shè)計(jì)的發(fā)展以及建筑結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜，運(yùn)用計(jì)算機(jī)模型模擬建筑內(nèi)火災(zāi)發(fā)展過(guò)程和煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律，已經(jīng)成為認(rèn)識(shí)火災(zāi)特點(diǎn)和開(kāi)展有關(guān)消防安全水平分析的重要手段[1]。全尺寸燃燒試驗(yàn)成本高，而數(shù)值模型可根據(jù)設(shè)計(jì)者需要，進(jìn)行不同火災(zāi)場(chǎng)景下的建筑構(gòu)件和材料燃燒性能的評(píng)估。FDS是一種簡(jiǎn)化預(yù)測(cè)在給定環(huán)境中物體燃燒行為的工程方法，能夠研究起火房間尺寸、燃料類(lèi)型等參數(shù)對(duì)室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展的影響。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就FDS模擬室內(nèi)火災(zāi)的可靠性進(jìn)行了大量試驗(yàn)對(duì)比和分析，發(fā)現(xiàn)FDS預(yù)測(cè)室內(nèi)火災(zāi)熱環(huán)境變化的誤差在5%～20%之間[2]。朱五八[3]通過(guò)試驗(yàn)和FDS模擬對(duì)比分析，指出FDS對(duì)軟墊家具在敞開(kāi)和受限空間內(nèi)燃燒過(guò)程的模擬具有一定合理性，且FDS能夠很好地模擬受限空間內(nèi)熱反饋?zhàn)饔谩顣暂誟4]在ISO 9705試驗(yàn)房間內(nèi)進(jìn)行一定荷載的木垛火試驗(yàn)，并用FDS進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果表明Multi-block格點(diǎn)配置模擬得到的木垛火熱釋放速率變化、煙氣溫度變化、CO2體積分?jǐn)?shù)變化的結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好。

筆者首先對(duì)北京145家中檔賓館客房進(jìn)行了火災(zāi)荷載調(diào)查，得到了火災(zāi)荷載密度、可燃物組分比例、通風(fēng)開(kāi)口等影響火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)計(jì)了具有代表性的賓館客房燃料包[5]。為了驗(yàn)證燃料包的設(shè)計(jì)思想，為下一步進(jìn)行全尺寸房間火試驗(yàn)選擇合適的火災(zāi)場(chǎng)景，筆者采用FDS數(shù)值模擬對(duì)不同通風(fēng)條件下的賓館客房燃料包燃燒規(guī)律進(jìn)行研究。

1 模型建立

為了較為準(zhǔn)確地模擬室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展，需要選取合適的網(wǎng)格尺寸。相關(guān)研究表明火災(zāi)最小長(zhǎng)度尺寸可以用火源特征直徑D*表示[6]，如式(1)：

(1)

其中，Q為熱釋放速率，W；ρ0為環(huán)境空氣密度，kg·m-3;c0為空氣比熱，J·kg·K-1；T0為環(huán)境溫度，K；g為重力加速度，m·s-2。

當(dāng)網(wǎng)格尺度小于0.1D*時(shí)，F(xiàn)DS可以很好地模擬建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)的煙氣沉積與流動(dòng)，當(dāng)網(wǎng)格尺度小于0.05D*時(shí)，可以精確計(jì)算火焰區(qū)域中的化學(xué)反應(yīng)及湍流效應(yīng)。因此，為了很好地模擬室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展，網(wǎng)格尺度應(yīng)取0.05D*，但對(duì)計(jì)算機(jī)性能以及運(yùn)算時(shí)間要求甚高。綜合考慮計(jì)算時(shí)間和準(zhǔn)確度，將燃料包堆放面積上的網(wǎng)格取為0.1D*≈0.05 m，其他區(qū)域采用0.2D*≈0.1 m，總網(wǎng)格數(shù)為267 750。網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 FDS模擬的網(wǎng)格劃分圖

FDS模擬的房間尺寸采用四川消防科研所的實(shí)驗(yàn)室尺寸6 m×4 m×3 m，共有門(mén)和窗戶兩個(gè)通風(fēng)開(kāi)口。為精確模擬出氣流的流動(dòng)情況，將計(jì)算區(qū)域向室外擴(kuò)展，包括了燃燒室和部分環(huán)境空氣。同時(shí)，考慮到實(shí)際情況下門(mén)不可能完全密閉，設(shè)置了寬度為0.1 m的門(mén)縫。

為了使模擬結(jié)果盡可能接近于實(shí)際情況，燃料包中PUF和木垛的質(zhì)量、尺寸依照荷載調(diào)查的數(shù)據(jù)確定。PUF的坐墊尺寸為1 800 mm×800 mm×100 mm，靠背尺寸為1 800 mm×600 mm×150 mm，密度設(shè)為30 kg·m-3，質(zhì)量為9.1 kg。木材的密度取376 kg·m-3，單根木條尺寸為50 mm×100 mm×800 mm，木垛總質(zhì)量為190 kg。引火源為功率20 kW的丙烷，尺寸為0.1 m×0.2 m，放置在PUF坐墊和靠背的交界處，持續(xù)時(shí)間為80 s。燃料包模型圖如2所示。

2 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

根據(jù)不同通風(fēng)情況以及燃料包擺放位置，共設(shè)計(jì)了9個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景，詳見(jiàn)表1。通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，由于PUF燃燒迅速，窗戶附近的測(cè)點(diǎn)在20～30 s之內(nèi)就達(dá)到了300 ℃，因此，窗戶開(kāi)啟與300 ℃開(kāi)啟得到的熱釋放速率(HRR)曲線和溫度曲線幾乎相同。FDS模擬過(guò)程中的燃料包燃燒情況如圖3～圖8所示。

圖2 FDS模擬燃料包的模型圖

表1 FDS模擬試驗(yàn)的不同火災(zāi)場(chǎng)景

圖3 燃料包位于中心

圖4 燃料包位于墻角

圖5 PUF引燃大木垛

圖6 燃料包燃燒過(guò)程

圖7 PUF燃盡、剩余木垛燃燒

圖8 燃燒結(jié)束后

3 模擬結(jié)果分析

3.1 考察門(mén)狀態(tài)相同的情況下，窗戶尺寸對(duì)室內(nèi)燃燒的影響。在門(mén)狀態(tài)相同的條件下，不同的窗戶尺寸對(duì)火災(zāi)發(fā)展的HRR峰值和火災(zāi)持續(xù)時(shí)間影響較大，窗戶開(kāi)口面積越大，PUF燃燒引起的第一個(gè)HRR峰值越大，由PUF燃燒過(guò)渡到木垛完全燃燒的時(shí)間越短，通過(guò)對(duì)流和熱輻射的熱損失越大，反饋到燃料表面的熱輻射越小，火災(zāi)持續(xù)時(shí)間越短。如圖9、圖10所示。

圖9 門(mén)關(guān)閉時(shí)不同窗戶尺寸的熱釋放速率曲線對(duì)比

圖10 門(mén)開(kāi)啟時(shí)不同窗戶尺寸的熱釋放速率曲線對(duì)比

3.2 窗戶尺寸相同的情況下，考察門(mén)啟閉對(duì)室內(nèi)火災(zāi)的影響，如圖11所示。由PUF燃燒引起的火災(zāi)初期增長(zhǎng)速率基本一致，SC3中門(mén)始終關(guān)閉，通風(fēng)條件沒(méi)有發(fā)生改變，PUF引燃木垛燃燒后逐漸進(jìn)入衰減期，第二個(gè)HRR峰值最大；SC4門(mén)窗都開(kāi)啟，PUF燃燒猛烈，引起的第一個(gè)HRR峰值最大，當(dāng)PUF進(jìn)入衰減期，木垛剩余量最少，第二個(gè)HRR峰值最?。籗C5門(mén)180 s開(kāi)啟，改善了通風(fēng)條件，促進(jìn)了木垛的燃燒，第二個(gè)HRR峰值介于SC4和SC3之間。

圖11 門(mén)不同狀態(tài)的熱釋放速率曲線對(duì)比圖

3.3 考察燃料包位于房間中心和墻角對(duì)室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展的影響。從圖12～圖14中可以看出，通風(fēng)條件相同的情況下，兩種堆放方式的HRR曲線形狀相差不大，火災(zāi)初期階段的HRR峰值相差較小，但隨著木垛被引燃，位于墻角的燃料包燃燒更為充分，HRR峰值大，火災(zāi)持續(xù)時(shí)間短。

圖12 窗戶開(kāi)啟、門(mén)關(guān)閉狀態(tài)下不同位置燃料包的熱釋放速率曲線對(duì)比

圖13 窗戶開(kāi)啟、門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)下不同位置燃料包的熱釋放速率曲線對(duì)比

表2給出了各火災(zāi)場(chǎng)景中的HRR峰值和達(dá)到時(shí)間、2.3 m處最高溫度和達(dá)到時(shí)間的比較情況，可以看出，HRR峰值達(dá)到時(shí)間和最高溫度達(dá)到時(shí)間比較接近，只有SC6場(chǎng)景受通風(fēng)控制導(dǎo)致兩者相差較大。燃料包位于墻角時(shí)，HRR峰值較大，達(dá)到時(shí)間較短；2.3 m處溫度也較高，在300 s之前都超過(guò)了800 ℃；當(dāng)燃料包位于房間中心處，SC4門(mén)窗始終開(kāi)啟，火勢(shì)發(fā)展迅速，燃燒持續(xù)時(shí)間最短，HRR峰值最大6 030 kW，最高溫度為783 ℃。

圖14 窗戶300 ℃開(kāi)啟、門(mén)180 s開(kāi)啟狀態(tài)下不同位置燃料包的熱釋放速率曲線對(duì)比

表2 各火災(zāi)場(chǎng)景中HRR峰值和

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)各場(chǎng)景熱釋放速率和溫度曲線的比較分析，可以得到以下結(jié)論：(1)所有火災(zāi)場(chǎng)景中，由于PUF作為第一引燃物，對(duì)火災(zāi)初始發(fā)展起決定性作用，導(dǎo)致火災(zāi)初始增長(zhǎng)速率幾乎相同。待PUF進(jìn)入衰減期，開(kāi)始由通風(fēng)因素影響火災(zāi)發(fā)展趨勢(shì)。(2)通風(fēng)開(kāi)口對(duì)室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展具有重要影響作用。通風(fēng)開(kāi)口面積越大，HRR峰值越大，燃燒越充分，燃燒持續(xù)時(shí)間越短。通風(fēng)狀態(tài)的改變也會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展?fàn)顟B(tài)的改變。如在室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中，窗戶玻璃受熱破碎、人員疏散時(shí)開(kāi)啟門(mén)將導(dǎo)致大量新鮮空氣進(jìn)入，發(fā)生轟燃，使得HRR和溫度在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值。(3)在通風(fēng)條件良好的情況下，室內(nèi)4個(gè)墻角2.3 m處溫度在較短時(shí)間內(nèi)超過(guò)600 ℃，最高溫度可達(dá)808 ℃，會(huì)發(fā)生轟燃。(4)根據(jù)熱釋放速率和溫度曲線圖，驗(yàn)證了燃料包的設(shè)計(jì)思想。PUF作為第一引燃物，在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到HRR第一個(gè)峰值，并逐漸引燃下方小木垛和旁邊大木垛。待PUF燃燒進(jìn)入衰減期，下方小木垛已經(jīng)完全燃燒，有足夠的能量來(lái)繼續(xù)引燃大木垛，木垛完全燃燒達(dá)到第二個(gè)HRR峰值，維持室內(nèi)火災(zāi)的發(fā)展。

雖然沒(méi)有合適的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證FDS模擬的可靠性，但是FDS模擬結(jié)果能夠反映出一些火災(zāi)發(fā)展和煙氣運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，幫助選擇和確定合適的火災(zāi)場(chǎng)景以及試驗(yàn)設(shè)備的位置。下一步，將參考數(shù)值模擬，綜合考慮試驗(yàn)設(shè)備的承受能力以及實(shí)際火災(zāi)中人員疏散可能出現(xiàn)的情況，選擇SC5和SC6兩種場(chǎng)景作為不利情況下的火災(zāi)場(chǎng)景，進(jìn)行全尺寸房間火試驗(yàn)，為研究賓館客房火災(zāi)發(fā)展規(guī)律提供一定參考依據(jù)。

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(責(zé)任編輯 馬 龍)

The CFD Simulations of Fire Scenarios Design for a Hotel Room under Different Ventilation Conditions

XU Fengyu1, WU Lizhi2

(1.SanmingMunicipalFireBrigade,FujianProvince360000,China; 2.DepartmentofFireCommanding,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

A fire load survey was conducted in 145 mid-ranged hotels’ rooms in Beijing to collect typical data such as fire load density, type of combustibles, ventilation openings. Based on the analysis of the survey data, a typical fuel package was designed to be used in a hotel room. In order to choose a proper fire scenario for a full-scale room fire test, a FDS simulation was carried out to investigate the impact on a room fire in terms of different ventilation conditions and fuel package locations. The simulated results like HRR, temperature and gas concentration obtained in this study are conducive to the design and instrumentation of a room fire test.

hotel room; fuel package; fire scenario; design fire

2016-05-12

徐豐煜(1985— )，女，福建泉州人，助理工程師； 吳立志(1968— )，男，浙江東陽(yáng)人，教授，博士。

X932; TU998.1

A

1008-2077(2016)10-0009-05