郭 亮，段強(qiáng)領(lǐng)

(1.湖北省武漢市消防救援局，武漢 430024；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230027)

火災(zāi)調(diào)查工作不僅與火災(zāi)事故原因、事故損失、事故責(zé)任的確定有關(guān)，更為火災(zāi)有關(guān)責(zé)任人刑事和民事責(zé)任的判定提供依據(jù)[1]。然而在火災(zāi)調(diào)查中，火災(zāi)事故調(diào)查人員對(duì)于火災(zāi)事故原因的認(rèn)定往往比較抽象，不易被接受，基于火災(zāi)動(dòng)力學(xué)理論和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)合的方法，重構(gòu)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)并且模擬火災(zāi)發(fā)生發(fā)展過(guò)程，對(duì)于提升火災(zāi)調(diào)查的科學(xué)性和準(zhǔn)確性有很大幫助[2]。

趙涵璽[3]對(duì)一起酒店縱火案的場(chǎng)景進(jìn)行重構(gòu)，并與實(shí)際火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)模擬來(lái)完善火災(zāi)調(diào)查中的細(xì)節(jié)問(wèn)題。姜蓬[4]對(duì)某大廈火災(zāi)進(jìn)行重構(gòu)，對(duì)兩種可能的起火點(diǎn)建立場(chǎng)景模型進(jìn)行模擬，并與現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，找到了合理的起火點(diǎn)，解決了火災(zāi)調(diào)查勘驗(yàn)無(wú)法解決的問(wèn)題。董艷磊等[5-6]把模擬仿真技術(shù)運(yùn)用到電氣火災(zāi)事故調(diào)查中，在模擬仿真軟件中建立模型，設(shè)置不同的模塊參數(shù)，模擬短路時(shí)特定參數(shù)的變化特點(diǎn)，為火災(zāi)調(diào)查原因認(rèn)定提供幫助。一些學(xué)者[6-8]對(duì)倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行重構(gòu)，測(cè)量溫度分布、煙氣擴(kuò)散行為等參數(shù)，與專(zhuān)家現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，預(yù)測(cè)了火災(zāi)發(fā)展及煙氣運(yùn)動(dòng)情況。邰鋒等[9-13]利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃同F(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)獲取到的信息，利用FDS軟件構(gòu)建三維空間模型，進(jìn)一步驗(yàn)證火災(zāi)事故調(diào)查認(rèn)定的準(zhǔn)確性。

因此筆者應(yīng)用FDS數(shù)值模擬軟件，對(duì)火災(zāi)的發(fā)生發(fā)展過(guò)程進(jìn)行還原，對(duì)火災(zāi)發(fā)展規(guī)律、溫度分布以及可見(jiàn)度進(jìn)行分析，并將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，幫助火災(zāi)調(diào)查人員確定火災(zāi)起因，為火災(zāi)調(diào)查工作提供技術(shù)支持。

1 火災(zāi)基本情況及場(chǎng)景描述

1.1 火災(zāi)基本情況

2021年12月19日早上9時(shí)53分左右湖北省某市一居民樓內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，造成兩人死亡(姐妹兩人，分別為16歲和5歲)。該居民樓建筑層數(shù)為7層，一梯兩戶(hù)，共2個(gè)單元，建筑高度為21米。該建筑的東、南、西三面均與其他居民區(qū)建筑接臨，北鄰大街。火災(zāi)發(fā)生房間位于建筑頂樓(第7層)?；馂?zāi)起火點(diǎn)位于沙發(fā)中間，由于火災(zāi)快速蔓延至逃生出口，導(dǎo)致受害人第一時(shí)間無(wú)法逃離現(xiàn)場(chǎng)。火災(zāi)燒毀房間內(nèi)的家用電器、家具、地板、衣服，建筑一定程度受損，過(guò)火面積約70 m2。

1.2 火災(zāi)場(chǎng)景信息

火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)位于該建筑西側(cè)單元的第7層701室，場(chǎng)景描述如表1所示，可燃物信息及其分布如表2所示。

表1 場(chǎng)景描述

表2 可燃物信息

2 火災(zāi)場(chǎng)景模擬

2.1 FDS軟件介紹

FDS是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)下屬的建筑火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室(BFRL)研發(fā)的一款計(jì)算火災(zāi)流體力學(xué)場(chǎng)模擬軟件。它把限定空間劃分為多個(gè)小的計(jì)算單元，計(jì)算單元中的溫度、壓力、氣體濃度，通過(guò)有限體積技術(shù)計(jì)算熱輻射以及流體流動(dòng)中的湍流現(xiàn)象。模型主要分為兩個(gè)部分：①求解微分方程的主程序，通過(guò)輸入火災(zāi)場(chǎng)景的各個(gè)參數(shù)，計(jì)算氣相和固體表面間的輻射與對(duì)流傳熱，火焰?zhèn)鞑ヅc火災(zāi)蔓延，以及水噴淋對(duì)火災(zāi)的抑制效果等；②采用Smokeview實(shí)現(xiàn)模擬結(jié)果的可視化輸出。FDS也是火災(zāi)調(diào)查和火災(zāi)場(chǎng)景重構(gòu)的一個(gè)重要工具[14]，該軟件的計(jì)算方法包括直接數(shù)值模擬和大渦數(shù)值模擬，筆者采用大渦模擬(LES)的方法對(duì)居民房的火災(zāi)發(fā)展、溫度分布、煙氣蔓延以及煙氣可見(jiàn)度進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2.2 模型重構(gòu)

根據(jù)失火房間平面布置圖以1∶1比例建立模型，并且根據(jù)詢(xún)問(wèn)筆錄記錄的“在火災(zāi)剛發(fā)生時(shí)，臥室2窗口煙氣較小，臥室1和客廳陽(yáng)臺(tái)煙霧較為濃烈”等情況，判斷死者生前居住的臥室2房門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)結(jié)果以及火災(zāi)調(diào)查專(zhuān)家分析，火源位置處于沙發(fā)上，據(jù)此重構(gòu)火災(zāi)場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 火災(zāi)場(chǎng)景模型圖

在模型中設(shè)置切片可以觀察到溫度分布以及煙氣擴(kuò)散情況，根據(jù)受害者身高設(shè)置溫度切片與可見(jiàn)度切片高度為1.5 m。

網(wǎng)格尺寸的設(shè)置對(duì)數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果影響十分重大，網(wǎng)格過(guò)大或者過(guò)小均會(huì)引起較大的計(jì)算誤差，在數(shù)值模擬中分別設(shè)置網(wǎng)格尺寸為10×10×10(cm3)和5×5×5(cm3)，網(wǎng)格數(shù)量分別為476 000和3 808 000。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)試及時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置，兩種尺寸網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果相同，表明網(wǎng)格尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果沒(méi)有影響，考慮到網(wǎng)格越大模擬時(shí)間越短，故選取較大的網(wǎng)格尺寸模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

將數(shù)值模擬中火災(zāi)蔓延和煙氣擴(kuò)散情況與消防支隊(duì)的現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)筆錄、調(diào)查詢(xún)問(wèn)筆錄、現(xiàn)場(chǎng)照片等證據(jù)進(jìn)行比對(duì)，綜合認(rèn)定火災(zāi)原因。

2.3.1 火災(zāi)演化行為規(guī)律

火災(zāi)發(fā)展過(guò)程如圖2所示，可知在火災(zāi)初期約80 s時(shí)，火源引燃沙發(fā)，隨之引燃沙發(fā)整體，玄關(guān)鞋柜在火焰熱輻射作用下被點(diǎn)燃，火焰在浮力作用下沿鞋柜壁向上蔓延，隨之引燃整個(gè)玄關(guān)鞋柜，140 s左右，客廳發(fā)生轟燃，客廳內(nèi)所有可燃物(地板、吊頂、電視柜、沙發(fā)、相框等)均被引燃。客廳轟燃發(fā)生后，產(chǎn)生大量熱量，火災(zāi)向臨近房間蔓延。

圖2 火災(zāi)演化過(guò)程

臥室1中有非常多的可燃物，且通風(fēng)條件良好，導(dǎo)致臥室1內(nèi)可燃物持續(xù)燃燒，煙氣通過(guò)窗戶(hù)擴(kuò)散至外部環(huán)境，所以現(xiàn)場(chǎng)燒損情況十分嚴(yán)重，從建筑外部亦可觀察到臥室1窗口有大量煙氣逸出。而臥室2的房門(mén)起初處于關(guān)閉狀態(tài)，150 s左右臥室2的房門(mén)在火焰作用下被燒穿，然后房間內(nèi)其他可燃物，如床墊、床頭柜、床板、衣柜被引燃。由于臥室2的窗戶(hù)開(kāi)啟，向房間內(nèi)持續(xù)供氧，導(dǎo)致房間內(nèi)可燃物一直持續(xù)燃燒，現(xiàn)場(chǎng)燒損情況也非常嚴(yán)重。臥室3在被火焰點(diǎn)燃其中的可燃物后，短時(shí)間內(nèi)被熄滅。這主要是由于臥室3位于房屋的最里面，房間距離陽(yáng)臺(tái)較遠(yuǎn)且無(wú)窗戶(hù)，因此該臥室通風(fēng)條件較差，使得被消耗氧氣無(wú)法補(bǔ)充支撐可燃物繼續(xù)燃燒。因此，可燃物被點(diǎn)燃后短時(shí)間內(nèi)又熄滅，燃燒程度與現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)結(jié)果相符(燒損較微弱)。廁所中可燃物較少，只有火焰和煙氣通過(guò)的痕跡，廁所處燒損程度也較微弱，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣經(jīng)廁所窗戶(hù)向外部環(huán)境擴(kuò)散，也與實(shí)際火災(zāi)場(chǎng)景相符(只有過(guò)火痕跡)。以上模擬情況均與現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)結(jié)果相符。

2.3.2 溫度變化模擬

高度1.5 m處的溫度云圖如圖3所示，顯示了火災(zāi)前中后期的溫度分布情況，由圖3可知在火災(zāi)前期，客廳內(nèi)可燃物一直被引燃導(dǎo)致客廳溫度持續(xù)上升，然后客廳到達(dá)轟燃條件發(fā)生轟燃，火焰向其他房間蔓延，臨近房間室溫上升，臥室2的房門(mén)在客廳達(dá)到轟燃后一段時(shí)間被燒穿，火焰點(diǎn)燃臥室2中的可燃物，臥室2中溫度急劇上升。

圖3 Z=1.5 m處溫度云圖

2.3.3 煙氣擴(kuò)散模擬

高度1.5 m處的可見(jiàn)度云圖如圖4所示，顯示房屋內(nèi)火災(zāi)發(fā)展各個(gè)階段的可見(jiàn)度分布情況。由圖4可知在火災(zāi)前期，沙發(fā)和鞋柜被點(diǎn)燃釋放出濃煙，煙霧充滿(mǎn)客廳和臥室3，可見(jiàn)度迅速降低，接著煙霧向臥室1和廚房廁所擴(kuò)散；到火災(zāi)中期，臥室1中的可燃物被點(diǎn)燃釋放出煙霧充滿(mǎn)整個(gè)臥室1，部分煙霧通過(guò)窗戶(hù)擴(kuò)散至外部環(huán)境，隨后臥室2的房門(mén)被燒穿，臥室2內(nèi)可燃物被點(diǎn)燃釋放出濃煙，煙霧迅速充滿(mǎn)臥室2，可見(jiàn)度降低。

圖4 Z=1.5 m處可見(jiàn)度云圖

3 結(jié)論

(1)利用FDS對(duì)某火災(zāi)事故進(jìn)行了場(chǎng)景重構(gòu)和火災(zāi)行為演化數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)建筑內(nèi)火災(zāi)演化過(guò)程、煙氣蔓延行為以及可見(jiàn)度變化規(guī)律的分析，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果和物證基本吻合，進(jìn)而驗(yàn)證了基于數(shù)值模擬的火災(zāi)場(chǎng)景重構(gòu)技術(shù)的合理性和有效性。

(2)盡管數(shù)值模擬結(jié)果不能直接作為火災(zāi)調(diào)查證據(jù)，但可以作為驗(yàn)證火災(zāi)事故原因、認(rèn)定準(zhǔn)確性的有效手段，并且可以為火災(zāi)調(diào)查員推斷火災(zāi)的起火原因、起火時(shí)間、起火位置提供技術(shù)支撐，也可以幫助火災(zāi)調(diào)查人員了解現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)蔓延和人員逃生等行為。

(3)未來(lái)將進(jìn)一步開(kāi)展利用數(shù)值模擬進(jìn)行火災(zāi)場(chǎng)景重構(gòu)的研究工作，將其作為火災(zāi)調(diào)查的有效補(bǔ)充手段，通過(guò)數(shù)值模擬火災(zāi)場(chǎng)景重構(gòu)技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)物證勘查相結(jié)合，相互作證，完善火災(zāi)調(diào)查平臺(tái)，進(jìn)而提升火災(zāi)調(diào)查工作水平。