不同火源位置對煙熏痕跡影響的 FDS模擬研究

●劉 旭

(蕪湖市消防支隊,安徽 蕪湖 241000)

0 引言

目前,國內從事火災研究工作的人員已經對煙熏痕跡的形成做了大量研究,獲得了大量試驗數據和相關規律,特別是近年來運用火災痕跡物證認定起火原因,并總結出一套適應室內火災的勘驗程序和方法,其具有的客觀性、直觀性對火災調查工作具有一定的指導意義。但火災調查目前仍停留在經驗或半經驗的水平上,火災調查的一些方法尚缺乏基礎理論的支撐,還沒有達到用數學方法對火災調查進行量化研究的水平[1]。例如吉林市中百商廈發生的特大火災中,3號庫房內北側的鐵門和墻壁處形成了明顯的“V”形痕跡,且在鐵門的局部產生了變色變形,并帶有明顯的方向性。由此證明出起火點,進一步判斷了起火原因。這一判斷過程就是根據火災調查人員的火場經驗和煙熏形成的規律而得出的。當時案件中還存在其他三處可疑點,雖有一定的證據支持并非為起火點,但由于火災破壞嚴重,個別證據實屬勉強,如果當時涉案人員沒有主動交待,很難確定該結論。

本文采用 FDS軟件并利用大渦模擬的方法對煙熏痕跡的形成進行了模擬研究,通過改變火源的不同狀態模擬不同工況,以準確判定和分析煙熏痕跡形成的過程,為火災調查過程中認定起火點和起火原因提供有價值的研究方法和參考依據。同時將煙熏痕跡的形成原因進行分析說明,結合實際情況,論證其實際應用價值。

1 FDS模擬研究理論基礎

1.1 FDS軟件基本理論

本文是基于美國國家標準局(NIST)建筑與火災研究實驗室(BFRL)開發的火災動態模擬軟件 FDS4源程序對室內煙熏痕跡進行數值模擬分析,并結合FDS4和 Smokeview的接口再現火場以及直接顯示計算的結果。FDS為使用者提供了兩種數值模擬方法,即直接數值模擬(DNS：Direct Numerical Simulation)和大渦模擬(LES：Large Eddy Simulation)[2],大渦模擬可簡化計算機的工作量以及其內存的需求,為此大渦模擬在科學研究中越來越受到重視[3],可以很好地運用于室內火災模擬。

1.2 煙熏痕跡理論分析

煙熏痕跡主要是燃燒過程中產生的游離碳附著在物體表面或侵入物體孔隙中的一種形態,在火場常見的煙熏痕跡中,煙熏痕跡的形狀、煙熏程度等和可燃物的種類、數量、狀態、位置以及火源、通風條件、溫度等因素有著復雜的關系,但是煙熏程度從另一方面與可燃物表面的煙粒子濃度有著重要而又直接的關系。因此,本文主要以可燃物表面的煙粒子濃度作為連接實際火災與 FDS軟件數字模擬的研究橋梁,并借助直觀比較,從而可以科學有效的研究分析。另外,由于火場形成的煙熏痕跡主要取決于火災初期的火勢和煙氣蔓延情況,并且火災達到發展階段時,室內可燃物燃燒猛烈,火勢保持穩定,以及火災達到熄滅階段,煙氣對墻面作用基本上為均勻覆蓋,不會對痕跡造成嚴重破壞,但在室內發生轟燃后,室內溫度急劇升高,熱輻射也隨之加大,室內可燃物將會迅速發生燃燒,產生的多個起火點將會影響最初起火點的判斷。因此,本文在模擬時,主要研究前 200s的室內火災狀況。

2 模擬結果與分析

2.1 FDS基本設置

運用 FDS軟件對一室內火災進行數據模擬,目的是對影響煙熏痕跡形成的火源位置進行數據分析比較,證明運用數據模擬可以通過分析煙熏痕跡為火災調查提供必要的研究方法和理論依據。計算空間大小為 5.0m×5.4m×2.7m,網格為 50×54×27,其中房門尺寸大小為 0.9m×2.0m,建立的 FDS物理模型如圖 1所示。室內墻、地面、沙發等建筑材料和室內物品具有不同的物理和燃燒性能,并根據實際要求和 FDS自定義的參數值,設定了建筑物內材料的燃燒性能參數,具體設置見表 1。另外,由于室內通風條件比較穩定,且室內初始溫度假設為 20℃,該室內初始條件下的通風情況為無。筆者計算了兩種工況。工況一：起火點位置在距地 0.8m,距北墻0.2m的中間大沙發表面,其單位熱釋放速率為1 000 kW·m-2,功率為 40kw,壁面材料為石膏(圖 1)。工況二：起火點位置在距地 0.7m,距北墻 1.5m的中間桌面上,其單位熱釋放速率為 1000 kW·m-2,功率為 40kw,且為穩定固體火源,壁面材料為石膏(圖2)。

2.2 結果分析

2.2.1 不同位置火源在相同條件下模擬結果分析

圖1 工況一

圖2 工況二

表1 室內材料設置

2.2.1.1 不同火源位置在相同條件下煙粒子濃度對比分析。該室內的火源分別在沙發的邊界和桌角處,墻壁的材料為石膏,離墻壁的距離兩者相差1.3 m。沙發為普通室內裝飾可燃材料,沙發受到火源作用,熱煙氣不斷的散發到室內,且熱煙氣濃度隨時間不斷升高,同時可見度也不斷降低,一般來講煙濃度增加一倍,可見度降低 1/2。由工況一可以看出,對于火源靠近的墻面,煙粒子濃度的分布由上至下、由兩邊至中間不斷升高,呈“V”字形分布(圖 3),煙粒子濃度最高達到 90mg·m-3,到達 160s時,室內0.8 m以上壁面煙粒子濃度達到 45mg·m-3,即可見壁面煙熏痕跡分布由下至上逐漸變重(圖 4)。而對于工況二,北墻面的煙粒子濃度分布情況則沒有工況一表現的特殊和明顯,且室內墻面最高煙粒子濃度達 50mg·m-3,比工況一小(圖 5)。

圖3 40s時工況一墻面煙粒子濃度圖

圖4 160s時工況一墻面煙粒子濃度圖

圖5 160s時工況二墻面煙粒子濃度圖

可見,對于火災初期煙熏的形成,越靠近壁面形成的煙痕越具有特殊性,即容易形成具有特殊形狀的煙痕,如中工況一(圖 3),北墻面的“V”形煙粒子分布圖由下至上濃度依次減輕,越靠上所涉及的范圍越寬,隨時間推移濃度較重區域逐漸形呈“丁”字形分布于墻面,可以給火災調查人員以很好的直觀印象(圖 4)。火災調查人員進入火場,所觀察到的煙痕都是火災最后所形成的,但最后形成的煙熏痕跡是火災過程中煙痕不斷疊加而形成的。

2.2.1.2 不同火源位置在相同條件下室內屋頂煙熏情況對比分析。兩種工況與屋頂距離相差僅為0.1m,由圖中對比情況可以看出,在 80s之后,工況一較工況二室內頂部煙粒子濃度高(圖 6),但工況二顯示出的圓形煙痕較明顯(圖 7)。后期時,兩者頂部煙氣均向周圍平面蔓延,蔓延速度逐漸加快,但相比較工況一速度明顯較工況二快,流量也較大,故會加重屋頂的煙熏痕跡的程度。

圖6 160s工況一室內屋頂煙熏情況

圖7 160s工況二室內屋頂煙熏情況

對于初期煙熏痕跡的形成,兩者都具有不同特征分布的煙熏痕跡,即如發散式分布,最具明顯的區別即是發散的方向不同,但濃度基本一致。而對于最后所形成的痕跡,如果是在模擬時間范圍內得到控制并熄滅,則可判斷最后屋頂形成的煙痕程度基本一致,對火災調查工作幫助不大。但對于工況一自身則存在局部煙痕較重的情況,也可以由此判斷出起火點的位置。

2.2.2 “V”字形煙熏痕跡的角度影響因素的分析

“V”字形火災痕跡是起火點最典型的特征,在火場勘驗中起著重要作用。“V”字形煙熏痕跡的角度影響因素有很多。首先,火源離墻面越近,角度越小,靠最近的墻壁表面附近的煙粒子濃度越大,即“V”字形煙痕越明顯。其中“V”形底部受煙氣作用較其他部位最重。工況二起火點距離北墻為 1.5m,形成的“V”形煙痕的開口幾乎無法辨別,可見離墻面距離越遠,則“V”形上部開口越大,形狀逐漸偏向于“U”形,甚至形成更大的開口。其次,不同熱釋放速率的火源對“V”形煙熏痕跡開口也有影響。“V”形上部開口也隨著火源功率的提升而減小,其煙熏也越嚴重。一般隨著熱氣流及火焰上升速度加快,“V”形痕跡的兩側變夾角變小達到約有 10°～15°左右[4]。墻壁表面材料的原始狀態在一定程度上也影響著“V”形煙熏痕跡開口角度的大小,墻壁表面材料的熱分解速率和熱釋放速率較大時,“V”形痕跡所涉及到的邊界范圍越大,痕跡也越明顯,因此開口角度也隨之增大。

3 結論

應用火災動力學模擬軟件 FDS對室內煙熏痕跡進行了數值模擬,根據不同工況下的模擬事例,分析了煙熏痕跡形成的重要影響因素。得出以下結論：

3.1 對于該建筑,運用 FDS對煙熏痕跡進行數據模擬是可行的,可以利用室內煙粒子濃度對煙熏痕跡進行數據分析。通過對真實火災進行場模擬,可以獲得更多的火災信息,較好地再現火災發生發展過程,為火災調查工作提供了一個研究平臺。

3.2 由于火災中煙氣流中有較大的熱量,因此利用物體表面附近的煙粒子濃度體現煙氣和火勢蔓延的路線及過程,有助于研究火災蔓延的情況。

3.3 室內火災中火源位置不同,壁面或屋頂煙熏痕跡的狀況將隨位置的變動而變化,可以利用煙痕的形狀、煙熏程度等為判斷火源的位置提供依據。

3.4 對于室內火災煙氣蔓延狀況,根據火場的煙熏程度或煙粒子濃度推斷起火時間,也可以利用周圍墻面的煙熏狀況判斷煙氣層的高度,由可見度推斷火災危險性或證人證言的可靠性等,進而判斷分析室內火災的最小可見度和危險性以及起火原因,為火災調查提供參考和指導。

[1]姜蓬,邱榕,蔣勇.基于數值模擬的某大廈特大火災過程調查[J].燃燒科學與技術,2007,(2)：76-80.

[2]劉軍.FDS火災模擬基本理論探析與應用技巧[J].安全科學技術,2006,(1)：6-13.

[3]MCGRATTAN K B,BAUM H R,REHM R G.Large Eddy Simulations of Smoke Movement[J].Fire Safety Journal,1998,30(2)：161-178.

[4]李金生,任清杰.V形火災痕跡的分析與應用[J].消防科學與技術,2005,(2)：71-74.