李景瑞,符 凌

(1. 華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 安全與海洋工程學(xué)院，北京 102249)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，城鎮(zhèn)化步伐加快，使得建筑物勢(shì)必向高層發(fā)展。根據(jù)建筑規(guī)范，我國(guó)將10層及以上的居住建筑或高估超過(guò)24米的建筑歸為高層建筑。由中國(guó)消防網(wǎng)公布的數(shù)據(jù)顯示，截比2018年，我國(guó)已有35萬(wàn)余幢高層建筑。高層建筑具有樓層多、人員密集、內(nèi)部裝飾材料多等特點(diǎn)一旦發(fā)生火災(zāi)將給人們的生命安全和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大的威脅和損失，因此火災(zāi)危險(xiǎn)性遠(yuǎn)高于普通建筑。每年我國(guó)高層建筑火災(zāi)占了總火災(zāi)的6%，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，給社會(huì)安全帶來(lái)了較大影響。本文主要論述了高層建筑內(nèi)火災(zāi)危險(xiǎn)性較大的計(jì)算機(jī)房火災(zāi)危險(xiǎn)性,分析了高層建筑火災(zāi)的特性并分析了高層建筑火災(zāi)蔓延和煙氣分布規(guī)律[1，2]。

關(guān)于建筑火災(zāi)煙氣流動(dòng)與控制的研究主要采用兩種方法:一是開(kāi)展火災(zāi)煙流試驗(yàn),即通過(guò)試驗(yàn)來(lái)分析、認(rèn)識(shí)、掌握火災(zāi)煙氣流動(dòng)規(guī)律及其控制原理；二是采用計(jì)算機(jī)模擬的研究方法。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和模擬軟件的日益成熟，因價(jià)格低、使用便捷等優(yōu)勢(shì)使得數(shù)值火災(zāi)模擬的方式被廣泛的使用。

國(guó)外多位學(xué)者在包括中庭、場(chǎng)館、航站樓等大空間火災(zāi)[3-5]采用實(shí)體試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法取得了很大的科研成就。Shipp等人通過(guò)汽車在隧道中的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，研究火災(zāi)的熱釋放速率、車輛附近的溫度和熱流量。Ida Larsson以縮比模型試驗(yàn)研究不同的通風(fēng)模式對(duì)火災(zāi)的影響。Chow通過(guò)火災(zāi)試驗(yàn)得到煙氣層溫度分布的特點(diǎn)，并與Ingason等人的研究結(jié)果進(jìn)行比較，得到影響煙氣層溫度分布的因素。Candid等人進(jìn)行火災(zāi)大小為1.6 MW的模型試驗(yàn)，并與數(shù)值模擬的對(duì)比，得出影響機(jī)械排煙的有效性的因素。Chow基于對(duì)已有地鐵火災(zāi)的研究基礎(chǔ)，建立三維火災(zāi)場(chǎng)景模擬不同通風(fēng)條件下的煙氣擴(kuò)散情況。Abu Zaid等人選取某地鐵換乘站建立火災(zāi)模擬模型，研究不同火源位置的溫度場(chǎng)和煙氣速度矢量場(chǎng)。Deng等建立多個(gè)火災(zāi)模擬模型，研究了網(wǎng)格劃分形式不同對(duì)火災(zāi)模擬結(jié)果的影響。Zhong B借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立火災(zāi)模擬場(chǎng)景，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)，提出現(xiàn)實(shí)火災(zāi)時(shí)的疏散建議。

國(guó)內(nèi)學(xué)者基于FDS針對(duì)公共建筑火災(zāi)的研究也日漸成熟。

魏東，張希瑜[6]在基于FDS數(shù)值模擬的公共建筑首層煙氣蔓延對(duì)疏散樓梯間的影響分析中利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法，對(duì)公共建筑首層發(fā)生火災(zāi)后煙氣流動(dòng)情況進(jìn)行研究，分析煙氣流場(chǎng)的規(guī)律以及對(duì)疏散樓梯間的影響，探索進(jìn)一步改善人員疏散的方法。

金潮，張菁，游國(guó)強(qiáng)等在基于FDS的后處理廠有機(jī)溶劑火災(zāi)事故后果研究為計(jì)算乏燃料后處理廠有機(jī)溶劑泄漏導(dǎo)致的火災(zāi)事故后果影響，基于FDS火災(zāi)數(shù)值模擬軟件，結(jié)合火災(zāi)過(guò)程放射性物質(zhì)釋放量經(jīng)驗(yàn)公式，建立火災(zāi)場(chǎng)景模型，對(duì)后處理廠密閉空間內(nèi)因氧含量不足、有機(jī)溶劑泄漏造成的火災(zāi)事故持續(xù)時(shí)間和放射性物質(zhì)釋放量進(jìn)行計(jì)算。

劉曉，蔡治勇[7]等在基于FDS的高層建筑火災(zāi)數(shù)值模擬研究中利用FDS軟件對(duì)一幢高層住宅建筑的房間和走廊設(shè)置火源進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)三個(gè)不同測(cè)點(diǎn)的煙氣濃度、CO濃度、溫度和能見(jiàn)度進(jìn)行測(cè)試得出其結(jié)果，以此來(lái)得到最佳的疏散時(shí)間。

郝冠宇使用FDS(Fire Dynamics Simulator)軟件進(jìn)行災(zāi)后排煙過(guò)程的模擬，重點(diǎn)對(duì)排風(fēng)口風(fēng)速、誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)設(shè)置以及通風(fēng)口位置和形狀三個(gè)因素對(duì)排煙效果的影響進(jìn)行分析。高明旭通過(guò)對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果，通過(guò)防火門狀態(tài)和自然通風(fēng)排煙、機(jī)械負(fù)壓排煙、全面通風(fēng)排煙等狀態(tài)設(shè)置了六種火災(zāi)場(chǎng)景，對(duì)火災(zāi)發(fā)展及煙氣蔓延規(guī)律進(jìn)行了研究，確定了火災(zāi)時(shí)的最大火災(zāi)規(guī)模約為8～16 MW。

程遠(yuǎn)平、R John在德國(guó)火災(zāi)試驗(yàn)大廳對(duì)一輛小汽車進(jìn)行實(shí)體試驗(yàn)研究，得到諸如火場(chǎng)內(nèi)溫度、速度、釋熱率及煙氣濃度等一系列火災(zāi)參數(shù)的變化規(guī)律，并總結(jié)出人員逃生和滅火救災(zāi)的最佳時(shí)間。鐘委等人研究熱釋放速率的設(shè)定方法。楊立中等人利用小尺度的試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯繜煔鉂舛鹊淖兓攸c(diǎn)，以及完全燃燒對(duì)煙氣濃度的影響。程遠(yuǎn)平等利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)研究煙氣與熱排放在消防安全領(lǐng)域的作用，得出排煙口有效面積與地板面積的百分比對(duì)煙氣排放體積流量和釋熱率的影響。

本文運(yùn)用FDS模擬軟件對(duì)某一高層教學(xué)樓計(jì)算機(jī)房進(jìn)行模擬，設(shè)置起火點(diǎn)為機(jī)房后部紙箱，火源功率為1.0 MW，教室兩扇窗戶和前門與外界連通，分析煙氣蔓延速度、溫度以及煙氣層分布變化規(guī)律。為高層建筑火災(zāi)煙氣的有效控制、人員疏散、火災(zāi)撲救提供理論依據(jù)。

1 模型建立

選取某高層教學(xué)樓計(jì)算機(jī)房為例進(jìn)行火災(zāi)場(chǎng)景分析。首先根據(jù)可燃物的分布情況分析整棟建筑可能的起火點(diǎn)位置。然后，通過(guò)對(duì)多個(gè)有可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果或者較容易引起火災(zāi)蔓延的部位進(jìn)行對(duì)比分析，選擇最嚴(yán)重的火災(zāi)場(chǎng)景，即選取機(jī)房后部起火，房間后端疏散門緊閉不能用于人員疏散和排煙使用。

1.1 幾何模型

本文以典型計(jì)算機(jī)房為框架建立模型。機(jī)房高2.749 m，俯視圖如圖1所示。

圖1 機(jī)房俯視圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

本文采用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局建筑與火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬軟件FDS進(jìn)行模擬?；饒?chǎng)的大小及其他一些參數(shù)可以通過(guò)熱釋放速率來(lái)描述。

FDS(Fire Dynamics Simulator)是美國(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)的基于混合分?jǐn)?shù)燃燒模型和數(shù)值模擬為基礎(chǔ)的三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，可以用兩種方式處理火災(zāi)湍流流動(dòng)過(guò)程，大渦模擬(LES)和直接數(shù)值模擬(DNS)。該軟件采用數(shù)值方法求解受火災(zāi)浮力驅(qū)動(dòng)的低馬赫數(shù)流動(dòng)的N-S方程，重點(diǎn)計(jì)算火災(zāi)中的煙氣和熱傳遞過(guò)程。FDS軟件準(zhǔn)確性得到了大量試驗(yàn)的驗(yàn)證，因此在火災(zāi)科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

模擬初始條件設(shè)置北部窗戶與房間前部門口開(kāi)啟與外界大氣聯(lián)通，外界1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，環(huán)境溫度為20℃。不設(shè)置機(jī)械通風(fēng)和滅火系統(tǒng)。

1.3 火災(zāi)場(chǎng)景構(gòu)建

計(jì)算機(jī)房?jī)?nèi)部設(shè)備基本參數(shù)，如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象基本參數(shù)

給定一個(gè)初始火源以實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)蔓延過(guò)程的模擬。以實(shí)驗(yàn)房間和設(shè)備的實(shí)際尺寸建立相應(yīng)的物理模型，火源位置設(shè)置在紙箱的下部，并將箱子2引燃，利用引火源的輻射熱自動(dòng)引燃其他紙箱，火災(zāi)過(guò)程中引火源不撤去。根據(jù)董慧[8]等在標(biāo)準(zhǔn)房間內(nèi)熱釋放率的研究，以及張和平、王蔚、楊昀等室內(nèi)沙發(fā)熱釋放速率全尺寸實(shí)驗(yàn)研究[9]中火源的設(shè)置方法。屋內(nèi)物品的熱釋放速率大約為0.7～2.2 MW，本文中起火點(diǎn)為瓦楞紙箱，取其火源功率為1.0 MW。

物性參數(shù)設(shè)置：初始時(shí)刻，環(huán)境溫度設(shè)置為20℃，門外均設(shè)置開(kāi)口邊界，北1、北2窗定義為通風(fēng)口，Specify Velocity 設(shè)置為2.5 m/s。按照FDS軟件使用手冊(cè)中推薦的方法劃分網(wǎng)格，計(jì)算得到模型的火災(zāi)特征直徑，為了達(dá)到最佳的模擬精度，取 X、Y、Z 三個(gè)坐標(biāo)軸上的網(wǎng)格數(shù)為4.8萬(wàn)，模擬時(shí)間為300 s，火源功率取1.0 MW。圖2為起火面位置的設(shè)置。

圖2 燃燒面位置

2 模擬結(jié)果分析

該模型火源以恒定的熱釋放速率3000 kW/m2，著火面為0.475 m×0.5 m引燃可燃物。可燃物熱釋放速率如圖3所示。根據(jù)該HRR變化曲線可知該火災(zāi)場(chǎng)景火災(zāi)熱釋放速率隨著時(shí)間以冪指數(shù)形式增加，在700 kW之后熱釋放速率趨于穩(wěn)定，700 kW之后的取平均，得到該火災(zāi)場(chǎng)景熱釋放速率平均值為862.77 kW。

2.1 煙氣層高度模擬結(jié)果及分析

通過(guò)Smokeview對(duì)模擬的火災(zāi)進(jìn)行分析觀察，得到不同時(shí)間煙氣到達(dá)房間各個(gè)位置的情況，如圖4～圖8。

圖3 HRR變化圖

圖4 在2 s時(shí)機(jī)房的煙氣分布圖

圖5 在4 s時(shí)機(jī)房的煙氣分布圖

圖6 在6 s時(shí)機(jī)房的煙氣分布圖

圖7 在13 s時(shí)機(jī)房的煙氣分布圖

圖8 在100 s時(shí)機(jī)房的煙氣分布圖

根據(jù)煙氣分布圖可以得出：

(1) 煙氣在4 s到達(dá)房間中部；機(jī)房中后部未撤離的人群開(kāi)始受到煙氣威脅。

(2) 煙氣在6 s到達(dá)房間3/4，已蔓延至房間的大部分位置。

(3) 煙氣在13 s時(shí)到達(dá)機(jī)房疏散門。之后煙氣層從樓板向下不斷下降，30 s之后煙氣層穩(wěn)定在1.6～2.02 m之間。也就是說(shuō)從地板算起1.6 m以下較為安全，只存在少量煙氣。

機(jī)房中部煙氣層高度隨時(shí)間的變化曲線如圖9所示。

煙氣層在第一次下降到2.35 m處后開(kāi)始逐漸趨于穩(wěn)定，將該曲線4.51 s之后取煙氣層高度的平均值，得機(jī)房中部煙氣層高度在1.877 m左右。煙氣層高度最小值為1.474 m，疏散人員應(yīng)盡量保持彎腰前行，減少煙氣對(duì)人體的傷害[10]。

2.2 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果及分析

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，疏散人員需從兩個(gè)疏散門逃生，但是由于火災(zāi)的發(fā)展，選擇的逃生出口也不同。如果選擇出口不當(dāng)，由于溫度過(guò)高可能無(wú)法接近，造成嚴(yán)重后果。應(yīng)根據(jù)不同的火源位置和火災(zāi)時(shí)間選擇出口。模擬過(guò)程在Y取4.71處設(shè)置了溫度切片，該切片通過(guò)火源表面。切片溫度分布變化與時(shí)間的關(guān)系如圖10～圖15所示。

圖9 機(jī)房中部煙氣層高度變化

圖10 在1 s時(shí)Y=4.71處機(jī)房溫度分布圖

圖11 在2 s時(shí)Y=4.71處機(jī)房溫度分布圖

圖12 在10 s時(shí)Y=4.71處機(jī)房溫度分布圖

圖13 在100 s時(shí)Y=4.71處機(jī)房溫度分布圖

圖14 在200 s時(shí)Y=4.71處機(jī)房溫度分布圖

圖15 在300 s時(shí)Y=4.71處機(jī)房溫度分布圖

由圖10～圖15可以得出：

(1) 1 s時(shí)，火源輻射范圍到達(dá)距離機(jī)房后端墻壁1.471 m位置，機(jī)房最后一排桌椅由于火源影響，開(kāi)始具有燃燒的可能。

(2) 2 s～7 s隨著高溫?zé)煔庋胤块g頂部向疏散門蔓延，房間頂部溫度升高，范圍快速擴(kuò)大并逐漸向房間前部蔓延。

(3) 10 s后，由于煙氣第一次到達(dá)房間前端，隨著煙氣影響，開(kāi)始在機(jī)房前端形成一個(gè)溫度大于60℃的高溫區(qū)域，該區(qū)域距機(jī)房東墻2 m左右，距離地面小于1 m。形成的原因主要是是煙氣層在機(jī)房頂部流動(dòng)，遇到機(jī)房前端墻壁后受到阻擋形成較大的渦流，由于煙氣聚集，形成了該高溫區(qū)域。人員疏散時(shí)應(yīng)該繞過(guò)該區(qū)域[11-13]。

(4) 100 s～300 s中部溫度層緩慢下降，但比較前端溫度升高范圍，溫度層最低點(diǎn)維持在距離地面1.8 m以上；前端由于煙氣聚集，高溫區(qū)域較大，橫向范圍為前端1/5區(qū)域，縱向范圍為距離地面1.5 m左右。

溫度變化情況如圖16、圖17所示，THCP 4最高溫度為70.404℃，THCP 5最高溫度27.924℃。對(duì)比熱電偶對(duì)應(yīng)位置的椅子材質(zhì)的著火點(diǎn)，300 s內(nèi)火焰并不能蔓延到兩熱電偶所在位置。該火災(zāi)在300 s內(nèi)并不能擴(kuò)散到整個(gè)機(jī)房，引燃房間內(nèi)所有設(shè)備。

圖16 THCP 4溫度變化圖

圖17 THCP 5溫度變化圖

3 結(jié)論

本文以高層教學(xué)樓為例給出了此類建筑的火災(zāi)設(shè)定方法，選擇火災(zāi)危險(xiǎn)性較大的火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行分析，并得到了火源熱釋放速率變化曲線，對(duì)計(jì)算機(jī)房間火災(zāi)蔓延現(xiàn)象進(jìn)行了研究。將計(jì)算機(jī)房的火災(zāi)類型設(shè)定為完全發(fā)展型火災(zāi)，同時(shí)以最不利情況為原則，設(shè)定該建筑最危險(xiǎn)的火災(zāi)場(chǎng)景為計(jì)算機(jī)房火災(zāi)；火災(zāi)最大熱釋放速率為947.50 kW，并描述出其火源熱釋放速率的變化曲線作為火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置的輸出參數(shù)；完整地描述了計(jì)算機(jī)房火災(zāi)的發(fā)展蔓延過(guò)程，分析了室內(nèi)煙氣溫度的變化，結(jié)果可為進(jìn)一步開(kāi)展教學(xué)建筑火災(zāi)蔓延的研究提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。具體結(jié)論如下：

(1) 根據(jù)該HRR變化曲線可知火焰功率為1.0 MW的計(jì)算機(jī)房紙箱起火場(chǎng)景火災(zāi)熱釋放速率在700 kW之后熱釋放速率趨于穩(wěn)定，700 kW之后的取平均，得到該火災(zāi)場(chǎng)景熱釋放速率平均值為862.77 kW，由于起火點(diǎn)引燃其他紙箱導(dǎo)致實(shí)際的熱釋放速率超出初始條件中設(shè)置的700 kW。

(2) 紙箱起火后10 s，煙氣到達(dá)機(jī)房前部后逐漸形成一個(gè)大于60℃的高溫區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)煙氣距地面最小高度1.474 m，同時(shí)向前部疏散門和機(jī)房后部擴(kuò)散，向后部擴(kuò)散至距前墻2.1 m位置。高溫區(qū)域形成是由于煙氣層在機(jī)房頂部流動(dòng)，遇到機(jī)房前端墻壁后受到阻擋回流聚集后形成較大的煙氣高密度區(qū)。根據(jù)模擬結(jié)果建議在機(jī)房中部加裝擋煙垂壁，有效阻止煙氣蔓延至機(jī)房前端，增加機(jī)房?jī)?nèi)人員疏散時(shí)間。

(3) 煙氣在13 s時(shí)到達(dá)機(jī)房前端疏散門。隨后煙氣層從樓板向下不斷下降，30 s之后煙氣層穩(wěn)定在1.6 m～2.02 m之間，即該火災(zāi)功率下1.6 m高度內(nèi)區(qū)域較為安全，僅有少量煙氣。

(4) 在火災(zāi)發(fā)生100 s～300 s后中部煙氣層緩慢下降，100℃的溫度層最低點(diǎn)維持在距離地面1.8 m以上。本文為該場(chǎng)景高層建筑火災(zāi)煙氣的有效控制、人員疏散、火災(zāi)撲救提供了理論依據(jù)。

(5) 煙氣層在第一次下降到2.35 m處后開(kāi)始逐漸趨于穩(wěn)定， 4.51 s之后取煙氣層高度的平均值，得到機(jī)房中部煙氣層高度穩(wěn)定在1.877 m處。

(4) 根據(jù)溫度場(chǎng)模擬結(jié)果及分析，THCP 4最高溫度為70.404℃，THCP 5最高溫度27.924℃。對(duì)比熱電偶對(duì)應(yīng)位置的椅子材質(zhì)的著火點(diǎn)，300 s內(nèi)火災(zāi)并不能擴(kuò)散到兩熱點(diǎn)偶所在位置。該火災(zāi)在300 s內(nèi)并不能擴(kuò)散到整個(gè)機(jī)房，引燃所有設(shè)備。但由于書(shū)本、衣物等可燃物的堆積，勢(shì)必會(huì)增加機(jī)房的火災(zāi)荷載。一旦遇到火源著火后可能蔓延整個(gè)機(jī)房，對(duì)整棟教學(xué)樓造成嚴(yán)重的威脅。建議加強(qiáng)計(jì)算機(jī)房的管理，禁止堆放易燃物。