羅敏 高學(xué)文

（昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，大型建筑越來越多的出現(xiàn)，滿足了人們對空間利用率和生活質(zhì)量提高的期望。由于開放式對流環(huán)境，大空間結(jié)構(gòu)影響煙氣擴(kuò)散過程，增加了火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。因此，大型建筑中的煙氣擴(kuò)散過程是一個(gè)意義重大的研究課題，已經(jīng)引起了眾多研究者的關(guān)注。廖署江等［1］根據(jù)中庭建筑與普通大空間建筑的形式不同導(dǎo)致煙氣外溢及分層問題，從而對火災(zāi)探測器的選擇和布置進(jìn)行探討研究，進(jìn)一步驗(yàn)證了在建筑中庭位置安裝火災(zāi)探測系統(tǒng)的重要性。王東等［2］通過研究感煙型火災(zāi)探測器在環(huán)境溫度和水平安裝位置存在差異的情況下，此種類型探測器報(bào)警時(shí)間的變化情況。馬偉明等［3］通過在建筑水平方向不同位置布置感煙型火災(zāi)探測器，分析得到建筑內(nèi)不同位置感煙探測器響應(yīng)時(shí)間的差異性和規(guī)律性。本文運(yùn)用FDS數(shù)值模擬技術(shù)研究了建筑中庭在不同天花板高度下的溫度變化、煙氣蔓延過程及火災(zāi)探測器響應(yīng)敏感度，得出不同種類火災(zāi)探測器在火災(zāi)發(fā)生時(shí)的報(bào)警響應(yīng)時(shí)間曲線特征，為建筑火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝提供參考。

1 火災(zāi)場景設(shè)計(jì)

1.1 火災(zāi)參數(shù)設(shè)置

FDS是一種以火災(zāi)中流體運(yùn)動(dòng)為主要模擬對象的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，其重點(diǎn)是計(jì)算火災(zāi)中煙氣蔓延和熱傳遞過程，可以得到火場溫度、火場煙氣濃度、火場能見度［4］等物理量比較詳細(xì)的時(shí)間及空間分布規(guī)律，同時(shí)可直觀地看到仿真模擬結(jié)果。

在火源燃燒的過程中，火源的熱釋放速率通常是非穩(wěn)態(tài)的，這里采用式（1）t2火災(zāi)模型。

式中，Q為穩(wěn)態(tài)火災(zāi)的熱釋放速率；a為火災(zāi)發(fā)展系數(shù)，kW/s2；t為火災(zāi)發(fā)生后時(shí)間，s?？紤]可燃物為單人沙發(fā)，火災(zāi)類別為t2快速火，火災(zāi)增長系數(shù)a為0.044?；鹪疵娣e為1.0 m×1.0 m，火源功率為1 000 kW/m2，火災(zāi)發(fā)生到146 s時(shí)，火源的熱釋放速率達(dá)到最大值，直到模擬結(jié)束。

1.2 火災(zāi)場景設(shè)置

本文采用FDS數(shù)值模擬的房屋模型13 m×13 m的方形結(jié)構(gòu)，設(shè)置5個(gè)火災(zāi)場景工況，考慮天花高度分別為4 m、5 m、6 m、7 m和8 m。在火源周圍安裝有多個(gè)探測器，火源與探測器點(diǎn)的水平方向距離為3 m，每個(gè)探測器之間的角度為90°，命名為探測器1至探測器4，如圖1所示。探測器點(diǎn)低于天花板高度0.1 m為參考高度。此外，在每個(gè)探測點(diǎn)都安裝有一個(gè)點(diǎn)型感溫、感煙探測器以及紅外光束線型感煙探測器，如圖2所示。

圖1 火災(zāi)場景的平面圖

圖2 火災(zāi)場景的剖面圖

2 火災(zāi)探測器選擇

選擇火災(zāi)探測器種類時(shí)，要根據(jù)探測區(qū)域內(nèi)可能發(fā)生的初起火災(zāi)特征、環(huán)境條件及房間高度等因素綜合進(jìn)行選擇，參考《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50116—2013），如表1所示。

表1 探測器高度

2.1 點(diǎn)型感溫探測器

感溫探測器的原理同噴頭啟動(dòng)算法，采用噴頭的敏感元件升溫公式的第1項(xiàng)即：

式中，T1為探測器溫度，℃；u為探測器周圍氣流的溫度，m/s；RTI為探測器的響應(yīng)時(shí)間指數(shù)，（m·s）1/2；Tg為探測器周圍氣流溫度，℃。

2.2 點(diǎn)型感煙探測器

感煙探測器的原理比感溫探測器復(fù)雜，主要原因包括火災(zāi)早期階段煙氣產(chǎn)生和蔓延規(guī)律并不十分清楚；感煙探測器的啟動(dòng)往往采用復(fù)雜算法，而不是單一的閾值法，感煙探測器對煙粒子密度、粒徑分布、折射率及煙的組成均很敏感，F(xiàn)DS中點(diǎn)型感煙探測器有2種模型。

1）Heskestad模型。Heskestad模型表達(dá)式為：

式中，Yc為檢測室中煙氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Ye為周圍氣體中煙氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；L為探測器的特征長度，m；u為氣流速度，m/s。

2）Cleary模型。Cleary模型共有4個(gè)參數(shù)，詳細(xì)考慮了感煙探測器的探測過程?；馂?zāi)中，煙氣先達(dá)到探測器的外部空腔，穿過過濾裝置后進(jìn)入探測室，兩者之間有一個(gè)時(shí)間差。外部空間的煙氣充填時(shí)間用te表示，檢測室的煙氣充填時(shí)間用tc表示，兩者均是探測器外部煙氣速度的函數(shù)，表達(dá)式為：

式中，ae、e、ac和 c對于特定尺寸的探測器為常量，某些離子探測器的推薦值見表2。

表2 Cleary模型參數(shù)

檢測室中煙氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：

計(jì)算時(shí)，將探測室內(nèi)的煙氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成每米減光率，其表達(dá)式為：

式中，Obscuration為每米減光率，%/m；Km為質(zhì)量消光系數(shù)，其推薦值為8 700 m2/kg；為探測器外部煙氣密度，kg/m3；l為單位長度，m。

2.3 紅外光束線型感煙探測器

紅外光束線型感煙探測器屬于火焰探測器，由發(fā)射器和接收器2部分組成，如圖3所示。其工作原理是：紅外光束探測器的發(fā)射器發(fā)送一個(gè)不可見的、波長為940 nm的脈沖紅外光束，紅外光束經(jīng)過保護(hù)空間發(fā)射到接收器的光敏元件上。

圖3 紅外光束線型感煙火災(zāi)探測器原理

式中，Obsc為每米減光率，%/m；Km為質(zhì)量消光系數(shù)；N為光束經(jīng)過的網(wǎng)格數(shù)； 為第i個(gè)網(wǎng)格的煙氣密度，kg/m3；為光束在第i個(gè)網(wǎng)格穿過的距離，m。

紅外光束線性感煙探測器模擬時(shí)，應(yīng)該設(shè)置發(fā)生器和接收器的位置，并給出每米減光率的報(bào)警閾值，每米減光率采用下式計(jì)算：

3 數(shù)值分析

3.1 溫度、能見度變化切片

運(yùn)用火災(zāi)模擬軟件FDS模擬得到不同天花板高度下的溫度和能見度切片圖，圖4、圖5表示同一時(shí)間點(diǎn)170 s時(shí)不同天花板高度的溫度云圖和能見度云圖。天花板高度越高，火焰到達(dá)天花板的距離越遠(yuǎn)，相應(yīng)的溫度值越低，因此天花板高度由4 m至8 m時(shí)，溫度到達(dá)到黑色標(biāo)記的閾值的距離逐漸升高。由于火災(zāi)場景具有相同的起火功率，較高的天花板意味著較長的路徑，因此在煙霧擴(kuò)散過程中存在熱量釋放，圖5為天花板高度為4 m至8 m下的能見度分布云圖，黑色標(biāo)記為不同天花高度下的相同能見度閾值，可見隨著天花板高度的增加，能見度到達(dá)黑色閾值的距離逐漸上升。

圖4 不同天花板高度下溫度分布

圖5 不同天花板高度下能見度分布

3.2 探測器報(bào)警響應(yīng)時(shí)間

如表3所示為感溫火災(zāi)探測器、感煙火災(zāi)探測器和紅外光束火災(zāi)探測器在天花板高度為4.0m、5.0m、6.0 m、7.0 m、8.0 m下的報(bào)警響應(yīng)時(shí)間，在火源周圍安裝有多個(gè)火災(zāi)探測器，火源與探測器點(diǎn)的水平方向距離為3.0 m，每個(gè)探測器之間的角度為90°，命名為探測器1、探測器2、探測器3、探測器4，最后結(jié)果取不同方向上的4個(gè)探測器報(bào)警響應(yīng)的平均值，避免位置差異導(dǎo)致的數(shù)據(jù)偏移，從而保證了數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。

3.3 探測器響應(yīng)時(shí)間曲線

如圖6至圖9為點(diǎn)型感溫、感煙探測器和紅外光束線型感煙探測器在不同天花板高度下的溫度變化曲線值和遮光率變化曲線值，其中感溫探測器的報(bào)警閾值為70℃，感煙探測器的報(bào)警響應(yīng)閾值為3.24%/m，紅外光束感煙探測器的報(bào)警響應(yīng)閾值為50%/m。當(dāng)天花板高度由4.0 m增高至8.0 m時(shí)，感溫探測器的變化幅度相對于感煙探測器和紅外光束感煙探測器度的變化較大，且存在明顯報(bào)警時(shí)間延遲。其中，Cleary型感煙探測器報(bào)警響應(yīng)時(shí)間稍早于Heskestad型感煙探測器，紅外光束線型感煙探測器的報(bào)警響應(yīng)時(shí)間隨高度變化的變化幅度最小。對上述不同種類的火災(zāi)探測器報(bào)警響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行分析，取表3中探測器1號至4號報(bào)警響應(yīng)時(shí)間的平均值作為探測器的響應(yīng)時(shí)間，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，如圖10所示。

圖6 感溫探測器的溫度變化

圖7 Heskestad型感煙探測器遮光率變化

圖8 Cleary型感煙探測器遮光率變化

圖9 紅外光束感煙遮光率變化

圖10 不同天花板高度下探測器響應(yīng)時(shí)間

4 結(jié)論

本文采用FDS數(shù)值模擬的方法，研究了不同天花板高度下的溫度變化、煙氣蔓延及火災(zāi)探測器報(bào)警響應(yīng)時(shí)間規(guī)律，得出了以下結(jié)論：

1）從能見度云圖和溫度云圖可以看出，隨著天花板高度的增高，溫度的變化比能見度的變化更劇烈，天花板高度與火災(zāi)探測器響應(yīng)時(shí)間呈線性關(guān)系。

2）通過探測器響應(yīng)時(shí)間圖可以分析出，隨著天花板高度的上升，感溫探測器響應(yīng)時(shí)間變化的幅度值明顯大于感煙探測器和紅外光束探測器，且存在明顯的報(bào)警延時(shí)情況。如當(dāng)天花板高度為4 m時(shí)，其報(bào)警時(shí)間延遲于感煙探測器110.3 s；當(dāng)天花板高度為8 m時(shí)，其報(bào)警時(shí)間延遲于感煙探測器133.2 s。

3）當(dāng)天花板高度為4 m至8 m的同一高度時(shí)，感煙型探測器和紅外光束感煙探測器對火災(zāi)有較靈敏的報(bào)警預(yù)測作用，可以運(yùn)用于薄高中庭的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝。