柴油發電機房火災危險性數值模擬研究

●陳同剛,朱德明

(天津市消防總隊,天津 300090)

1 研究方法簡介

本文的場模擬采用美國國家標準與技術局(NIST,National Institute of Standardsand Technology)發展的火災動力學模擬軟件 FDS5.2,該軟件是目前火災危險性分析評估領域應用廣泛的場模擬軟件。它通過數值方法求解 Navier-Stokes方程以分析燃燒過程中煙氣流動和傳熱的過程。

2 火災場景設置

根據某典型柴油發電機房的建筑設計特點,設置火災場景如圖 1所示。場景長寬高三個方向尺寸分別為 12m、7m和 4m,劃分為 60×40×40共 96 000個網格,網格密度及大小適應 FDS的計算要求。假設柴油發電機房某供油系統發生泄漏,柴油流淌到地面上形成 0.8m×0.8m×0.01m大小的油池火,火源功率大小則參考易亮等實驗測量值選取0.476 MW,設定為 t2超快型增長火。

在火災模擬中,設定如下監測位置或監測點：(1)通過火源取一截面(x=10m),觀察該截面上溫度分布情況。(2)在火源附近設置一溫度監測縱軸線 ,對該縱軸線上 0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、3.5m幾個高度的煙氣溫度值進行監測。(3)按照人體高度考慮,在 1.8m高度處設立一監測面,觀察該面能見度的變化情況。(4)為了分析發電機房中的能見度變化情況,在發電機房墻角(x=10m,y=1m)及火源附近(x=10,y=6)設置兩個能見度監測縱軸,監測該縱軸上 0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、3.5m幾個高度的能見度變化情況。

圖1 柴油發電機房火災環境模擬示意圖

3 柴油發電機房火災模擬結果與分析

針對上述設定的火災場景,模擬計算出火災熱釋放速率、溫度分布、煙氣運動、能見度分布等結果。

3.1 火災熱釋放速率模擬結果與分析

圖2給出了發電機房柴油油池火的火災熱釋放速率結果。由圖中可以看出,火災經過約 50s的快速增長后,達到穩定燃燒階段。穩定燃燒階段具有最大熱釋放速率,其值為 480kW左右,符合典型的油池火特性。

3.2 溫度值模擬結果與分析

柴油發電機房火災溫度場的分布對于柴油機組、發電機組等設備以及建筑結構等有重要影響。此外,在影響人員安全逃生的因素中,溫度是一個非常重要的影響因素。因此,模擬分析火災溫度場對于火災撲救具有十分重要的意義。根據經驗,如果溫度升高到 60℃以上,將會對人員逃生造成不利影響。因此,需要分析研究該建筑在火災情況下溫度發展規律。

圖2 火災熱釋放速率曲線圖

3.2.1 整體溫度分布圖

如前所述,通過火源設置一截面(x=10)以觀察該截面的溫度分布情況。圖 3給出了 6個時間點的溫度分布結果。50s時,火災已經達到穩定燃燒階段,熱釋放速率達到最大值,這時發電機房的環境溫度最高近 300℃,而周圍溫度則相對較低。此后,到80s時,溫度進一步升高,最高溫度達到 550℃,整個發電機房的環境溫度也達到 100℃以上。其后,至200s時,火焰一直處于穩定燃燒階段,發電機房環境溫度進一步升高。由圖 3可以看出,由于發電機組的阻隔作用,發電機組背離火源的一面溫度較低,而發電機房頂棚溫度一直維持在很高的溫度。此時,內部溫度超過人體所能承受的極限溫度,這時人員逃生的難度很大,加上屋內煙霧彌漫,氧濃度下降快,更增加了人員窒息的危險。所以人員的逃生幾率很小。

圖3 發電機房火災溫度分布圖

3.2.2 監測點溫度值

如前所述,在火源附近設置一溫度監測縱軸線,對該縱軸線上 0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、3.5m幾個高度的煙氣溫度值進行監測。由圖 4監測結果可知,隨著火災的發生,時間越長,溫度越高,直至后面達到較穩定階段;而且高度越高,煙氣溫度也越高。結果同時表明,由于靠近火源,煙氣運行激烈,因而溫度監測值擾動較大。

圖4 不同監測點上的溫度值

3.3 煙氣運動模擬結果與分析

大多數火災都產生大量煙氣。由于火災煙氣具有遮光性、毒性、高溫等特性,因而對人員的生命威脅最大。統計結果表明,火災中 85%以上的死亡者是死于煙氣的影響。其中大部分是吸入了煙塵及有毒氣體(主要是 CO)昏迷后致死的。圖 5給出了 6個時間點的煙氣運動情況。由圖 5可知,隨著時間的延續,發電機房上方的煙氣濃度逐漸增大,隨著熱煙氣的不斷產生,熱煙氣將很快充滿整個發電機房上層空間。同時受濃度差的影響,垂直方向上的煙氣濃度差異慢慢減少,這也說明了隨著時間的延續,煙氣層厚度在逐漸加大。當時間為 50s時,煙氣開始從發電機房的門中溢出;當時間為 60s時,火災煙氣已經充滿房間的整個上半部分空間;而至 300s時,煙氣已經充滿整個發電機房,且有大量濃煙從機房大門冒出。因此,煙氣運動的模擬結果,不僅可知道僅從經驗層次上無法觀察到的詳細煙氣運動情況,同時也可以根據其運動情況,分析其可能的火災蔓延情況。

3.4 能見度分布模擬結果與分析

煙氣能見度也是評價火災煙氣危險性的重要參數。煙氣的能見度可能會影響到人員安全撤出建筑物的能力,而影響能見度的因素包括視線中微粒的量以及對眼睛的生理影響。一般來說,煙氣濃度越高則能見度越低。能見度低時,人員逃生時花費在確定逃生途徑和做出決定上的時間也都將延長,也增加了人員的恐慌心理。

圖5 煙氣運動模擬結果

3.4.1 1.8m高度能見度分布

圖6 1.8m高度截面能見度分布

按照人體高度值及人員疏散的要求,選取 1.8m高度截面的能見度進行分析,圖 6為能見度分布結果。由圖 6可知,40s時,煙氣層已經開始下降到1.8m截面處。此后,50s及 55s時,能見度迅速下降。至 75s時,1.8m高度截面處的能見度只有 3～6m。至100s后,則幾乎降至 0m。由此可知,火災發生后,煙氣層迅速下降,導致能見度迅速下降。40s時,煙氣層便降低到 1.8m高度,而后很快增加濃度,降低能見度,直至近乎為 0m。

3.4.2 監測點處能見度值

如上所述,為了分析發電機房中的能見度變化情況,在發電機房墻角(x=10,y=1)及火源附近(x=10,y=6)設置兩個能見度監測縱軸,監測該縱軸上 0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、3.5m幾個高度的能見度變化情況。圖 7和圖 8分別為兩個監測縱軸處的能見度數值。由圖可知,兩個監測縱軸處,能見度的變化規律相同。初始能見度均為30m,火災發生后,高度較高的點能見度迅速下降,依高度的下降而能見度依次開始下降,這是由于熱煙氣由房間頂部逐漸向下運動的結果。

圖7 墻角處監測點能見度值

圖8 火源附近處監測點能見度值