趙曉陽

(山西省消防救援總隊太原支隊晉源區(qū)大隊，山西 太原 030000)

1 概述

隨著社會文明的進步，建筑的門窗樣式也越來越多，而門窗除了日常采光、通風外，在火災時還可以作為自然排煙以及消防救援通道使用，其開口形狀，一定程度影響火災發(fā)展走勢。火災的燃燒方式分為燃料控制型和通風控制型燃燒，火災初期一般是燃料控制型燃燒，隨著時間推移，轉(zhuǎn)化為通風控制型燃燒[1]。通風控制型燃燒最大的影響因素為氧氣進量，不同的門窗開口，空氣進量情況也不相同[2]。筆者利用FDS火災模擬軟件建立空間模型[3]，通過模擬火災實驗的方法，分析側(cè)壁不同形狀的開口情況下試驗空間內(nèi)的溫度和熱釋放速率的變化。

2 研究模型建立

2.1 建立側(cè)壁開口實驗箱

根據(jù)研究需要，本文在FDS環(huán)境中建立一個1.8 m×1.2 m×1.2 m的側(cè)壁開口實驗箱，內(nèi)壁為絕熱，實驗箱溫度設定為22 ℃，忽略外界風壓因素的影響，外界風速為0，大氣壓設定為101.3 Pa，網(wǎng)格大小為0.03 m×0.03 m×0.03 m。實驗箱正中心設置0.6 m×0.6 m的正方形火源，除側(cè)壁開口外實驗箱均為絕熱。實驗箱模型圖如圖1所示。

2.2 測點切片設定分布

實驗箱內(nèi)設置14個溫度測點，分設在火源和靠正面壁面的正中，以及火源和靠側(cè)壁開口壁面正中，以0.15 m為間隔，從距地面0.15 m起自下往上分別設置7個溫度測點，用于測試比對實驗箱中的平均溫度，在實驗箱中測點的分布如圖2所示。

在實驗箱內(nèi)設置一個風速切片和一個溫度切片，兩切片處于同一位置，正對側(cè)壁開口，正切于X軸，位于火源到側(cè)壁的中間部位，兩切片位置如圖3所示。

2.3 設定火源

火源設置在實驗箱正中心，火源長寬為0.6 m×0.6 m，距地面高度為0.03 m，單位面積熱釋放速率設1 000 kW/m2。經(jīng)公式計算實驗箱內(nèi)熱釋放速率360 kW。

3 不同的側(cè)壁開口形狀對受限空間火災發(fā)展影響研究

3.1 場景設計

3.2 溫度分析

經(jīng)過FDS模擬運算過后，將每個工況的7個溫度測點的數(shù)據(jù)參數(shù)做平均處理，得到時間-溫度變化曲線對曲線再做擬合，如圖4所示。

從6張時間-溫度曲線圖可以看到，模型實驗箱中溫度的變化規(guī)律相同，都是短時間內(nèi)測點溫度達到峰值，再回落至凹點，隨后再上升并趨于相對穩(wěn)定。分析可知，在凹點之前屬于燃料控制型燃燒，之后屬于通風控制型燃燒。分別對6個工況的通風控制階段數(shù)據(jù)(即凹點至300 s間的數(shù)據(jù))進行處理，得到6組平均值，其中，X1工況從36.6 s開始到300 s的溫度平均值為260.6 ℃，X2工況從27.9 s開始到300 s的溫度平均值為338.6 ℃，X3工況從27 s開始到300 s的溫度平均值為371.4 ℃，X4工況從27.3 s開始到300 s的溫度平均值為401.3 ℃，X5工況從18.3 s開始到300 s的溫度平均值為425.9 ℃，X6工況從18.6 s開始到300 s的溫度平均值為449.6 ℃。最大值和最小值的差值為189 ℃，6組溫度平均值為374.6 ℃，對平均值做均方差處理得62.3。

將6組溫度平均值繪制于坐標軸中，從圖5中可以看出，X1～X6模型的溫度平均值處于逐步上升中，試驗箱的條件除了開口的寬度和自身的高度，其余條件基本不變，因此影響溫度平均值變化的主要因素可確定為開口寬度和自身高度。

3.3 風速分析

在試驗中做的風速切片，挑選較為穩(wěn)定上升的X2～X5四組，取150 s時的風速圖如圖6所示，從圖6中可以看到，同一時刻不同開口尺寸的風速不同，并且開口越窄風速越大，風速越大導致冷空氣進入速度越快，補充燃燒越充分。

3.4 熱釋放速率分析

對6種工況時FDS模擬得到的熱釋放速率數(shù)據(jù)進行處理，得到6組時間-熱釋放速率的變化曲線，再擬合數(shù)據(jù)調(diào)整曲線，每隔20個點做擬合處理得到一條平滑的曲線，得到的曲線如圖7所示?？梢钥闯觯瑹後尫潘俾试诜浅６痰臅r間內(nèi)上升到最大值，而后經(jīng)過陡降至曲線凹點，再逐漸上升至較穩(wěn)定區(qū)域做小幅度波動。

同理，提取凹點至300 s的熱釋放速率的數(shù)據(jù)，每一組數(shù)據(jù)分別做平均處理得到一個平均熱釋放速率，并做對比分析。其中，X1工況從20.7 s開始到300 s的熱釋放速率平均值為155.9 kW，X2工況從22.2 s開始到300 s的熱釋放速率平均值為199.3 kW，X3工況從21.9 s開始到300 s的熱釋放速率平均值為204.3 kW，X4工況從25.5 s開始到300 s的熱釋放速率平均值為213 kW，X5工況從26.1 s開始到300 s的熱釋放速率平均值為220.7 kW，X6工況從28.8 s開始到300 s的熱釋放速率平均值為242.1 kW。最大值和最小值的差值為86.2 kW，六組熱釋放速率平均值為205.9 kW，對平均值做均方差處理得26.2。

分析得出，X1～X2差值較大，X2～X5屬于平穩(wěn)上升，X5～X6差值也較大，總體趨勢是上升趨勢。分析得出，當開口的寬度減小，且開口自身高度同時增加的時候，風速變化規(guī)律為越來越大，因此試驗箱中燃燒變得充分，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫沧兛?，試驗箱中熱釋放速率也越大?/p>

4 結(jié)論

采用FDS數(shù)值模擬的方法，經(jīng)過模擬實驗，測繪了溫度和熱釋放速率的曲線圖并以之尋找規(guī)律，得到了以下結(jié)論：保證在開口因子的數(shù)值不變的情況下，改變側(cè)壁上開口的形狀，溫度和熱釋放速率都是經(jīng)過一個急劇上升階段，然后趨于穩(wěn)定。觀察做出的平均溫度曲線圖和平均熱釋放速率圖，發(fā)現(xiàn)開口的寬度越低，開口自身的高度越大，室內(nèi)火災的溫度和熱釋放速率越高。