應用FDS進行單室火災場模擬分析

徐瑩

哈爾濱商業大學能源與建筑工程學院

應用FDS進行單室火災場模擬分析

徐瑩

哈爾濱商業大學能源與建筑工程學院

本文基于成熟的火災模擬方法，和建筑煙氣擴散領域的理論及實驗成果基礎上，應用美國標準技術研究局開發的場模型工具FDS，對單室火災進行了場模擬分析。結果顯示：火源的釋熱率值、房屋的單室門窗狀況等對著火房間內熱值、煙氣濃度以及溫度場的分布特性的均有主要影響，隨著火源釋熱率的增大，室內熱煙氣的溫度迅速升高，而且房屋的通風面積越大，火災發展越劇烈，上層熱煙氣溫度越高，室內整體溫度也越高。本文的研究結果對于房間內火災控制具有一定的參考價值。

單室火災場模型大渦模擬煙氣擴散

0 引言

火災是當代的社會文明中最具有殺傷力和破壞性的災難之一，它包含很多種類，其中在建筑住宅區內發生的火災對人類的傷害最大，主要原因是[1，2]：①在建造住宅工程時，建筑使用的裝修材料和建造材料都可能使得火災迅速蔓延，所以會在很短的時間內發生重大災難，對于人員的疏散和火災的撲滅都具有重大的阻礙[3]；②在這些可燃物的燃燒過程中，會產生很多對人體致傷致死的有害物質，這也是為什么火災發生中多數人員致死的原因是呼吸道致死[4]；③在火災發生的過程中，建筑物會在高溫的環境下產生多處變形，這對于營救行動極其不利[5，6]。

所以，通過模擬實驗的手段來分析房間中溫度場分布，煙氣的濃度，以及熱曲線的規律，對火災防護和及時營救有重要的意義和參考價值。

1 單室的火災特點

大型火災往往都是由于發現不及時，由一兩個小房間逐步惡化所引起的連帶性事件，本文重點針對單室火災進行場模擬分析，單室火災的特點是室內空間小，可燃物多，火災危險性大。按時間順序可以定性地分析了單室火災的發展過程，根據室內煙氣的平均溫度隨時間的變化曲線，可以將室內火災大體分四個主要階段[7，8]，如圖1所示。

1）初期增長階段。在某一建筑空間內，可燃物在剛剛著火，火源范圍很小時，火區的大小與受限空間的大小相比很小，又由于建筑一般都比較大，空氣的供應比較充足，所以燃燒狀況與開敞空間的基本相同。其燃燒狀況主要由可燃物的性質決定，稱為燃料控制階段。當室內煙氣的溫度、煙氣流動達到一定的程度，室內墻壁、屋頂開始影響燃燒的繼續發展時，火災就進入受限空間的燃燒過程，此時就完成了第一個發展階段，即火災初期。

2）轟然階段。轟燃的出現是燃燒釋放的熱量大量積累的結果，標志著室內火災由初期增長階段轉到充分發展階段。由圖1可知，轟然相應于溫度曲線陡升的一小段。與火災的其它主要階段相比，轟然所占時間是比較短暫的。

3）充分發展階段。轟燃后，空氣從破損的門窗涌入起火災區，使室內產生的可燃氣體與未完全燃燒的可燃氣體一起燃燒。此后，火災溫度隨時間的延長而持續而上升，在可燃物即將燃燼時達到最高。這個階段的火災一方面會嚴重損壞室內設施及建筑物本身的結構，甚至造成建筑的部分毀壞或全部倒塌。研究表明[9]：任何人如果在轟燃前還沒有從室內逃脫，就不可能幸存。因此，對火災轟燃前階段的了解直接關系到建筑物內人員的生命安全。

4）火災減弱階段。經過火災旺盛期之后，火災分區內的可燃物大都被燒盡，火災溫度逐漸降低，直至熄滅，這是火區逐漸冷卻的階段。一般把火災溫度降低其峰值的80%作為旺盛期與衰減期的分界。這是室內可燃物的大量消耗致使燃燒速率減小的結果，最終導致明火燃燒無法維持，火焰熄滅，可燃固體變為熾熱的焦炭。在這一階段雖然火焰燃燒停止，但是由于燃燒釋放出的熱量不會很快消失，火場的余熱還能維持一段時間，室內平均溫度仍然較高，并且在焦炭附近還會存在相當高的局部溫度，衰減期溫度下降是比較慢的。

2 FDS的理論及模擬分析

FDS（Fire DynamicsSimulator）是由美國國家技術標準局（NIST，National Institute of Standards and Technology）建筑火災實驗室（Building and Fire Research Laboratory）開發的基于場模擬的火災模擬軟件，是一種以火災中流體運動為主要模型對象的計算流體動力學模型[10]。一般情況下，在利用FDS進行火災模擬時均選用大渦模擬。

FDS在進行基于流體力學的火災模擬時需要將模擬區域沿坐標軸方向劃分成均勻的網格，以網格點為基礎計算流體參數。本文中采用的物理模型如圖2所示，基本參數如下：房間尺寸為7.2m×3.3m×3.6m，網格大小0.1m×0.1m×0.1m，網格數量85536，單位面積釋熱率為6000kW/m2，燃燒物表面積0.06m2，進而求出初始燃燒率為360kW。

2.1 模擬工況一

模擬工況一的條件是：房間全封閉，即房間的門窗均關閉，模擬著火時間為1800s。模擬的結果如圖3所示。

由結果可以看出，當為封閉工況時，火勢較為平穩，并且燃燒集中在前500s時間段內，此后火焰逐漸熄滅，接下來從微觀角度分析火災時的釋熱率變化情況，進而更準確地了解火災的發展過程，圖4為著火房間釋熱率、邊界熱損失以及輻射熱損失曲線圖。

圖4的結果清晰地表明了整個火災的發生、發展以及熄滅的全過程，在0～500s時間段內邊界熱損失和輻射熱損失分別經歷了由升到降的過程，在200s時達到峰值，之后逐漸降低。這是由于火災初始階段呈增大趨勢，熱損失均隨之增大，進入火災的衰減階段后，熱損失又逐步降低，直至消失。而釋熱率在起火的瞬間即達到最大的360kW，隨著燃燒物質的消耗逐漸降低，直至可燃物耗盡，釋熱率也變為零。整個著火過程歷時大約600s，這是因為房間封閉，室內維持燃燒所必須的氧氣消耗殆盡，缺少了維持燃燒的必要條件，導致火災漸趨衰減，直到消失，與圖3所示情況完全吻合。圖3和圖4的結果從宏觀和微觀角度共同分析了封閉工況下整個火災的發生、發展直至熄滅的過程。

圖5 為整個火災過程中室內煙氣的發生量圖，由于整個著火過程房間是封閉的，生成的煙氣無處排放，所以一直呈上升趨勢，直至最后火災熄滅，煙氣濃度達到穩定值，也是最大值。

2.2 模擬工況二

模擬工況二的條件：增大單位面積釋熱率為8000kW/m2，并且在200s時，房間門開啟，同時窗戶處引入了滲透風量為5m/s，其余工況保持不變。宏觀模擬結果如圖6所示：

圖6 需要說明的是在t=199s時刻，此時房間門尚未開啟，火焰已經有熄滅的跡象，這是由于此段時間內，房間封閉，燃燒消耗了室內大部分氧氣，缺少了燃燒所必須的物質，導致火焰開始熄滅，在200s時刻，房間門開啟，火焰又開始增大，由于火源的消耗，后面的燃燒已經沒有開始階段那樣激烈，此時房間內的熱工況如圖7所示。

由圖7可知，在200s房門開啟后，整個燃燒發生了巨大的轉變，200s以前，由于引入了滲透風量，受外界的風速影響，釋熱率、輻射熱損失以及邊界熱損失都有不同程度的波動；在約150s時，發生陡降，這是由于滲透風量的影響，使得燃燒加劇，耗氧量增大；150s后，氧氣迅速耗盡，燃燒呈衰減趨勢；200s時，房間門開啟，釋熱率以及熱損失又有進一步的增多，但是由于前面的燃燒，可燃物已經消耗大半，所以增幅不大，并趨于穩定。

圖8所示結果是變工況后煙氣發生曲線情況。

由圖8可見，在200s時也就是門開啟之前，煙氣在著火房間內呈直線上升趨勢，門開啟后，由于室內壓力高于外界，煙氣外泄，且瞬時的外泄量大于此時的煙氣生成量，所以濃度也發生了陡降，經歷小的時間段后，重新達到平衡狀態，煙氣的濃度趨于平穩，穩定后的質量濃度小于房間緊閉時的煙氣濃度。

3 結論

1）模擬過程中引入了燃燒及輻射模型，得到了較為合理的結果，對火災現象中輻射傳熱及燃燒過程的模擬是火災模化工作的重點與難點；

2）釋熱率是影響火災發展的最主要因素，其大小直接決定了火災煙氣的濃度，對制定人員疏散策略起到至關重要的作用；

3）混合分數燃燒模型作為一種簡單實用的燃燒模型，對房屋的火災情況進行初步模擬簡單可行，結果直觀可靠，為進一步研究火災控制方法提供了基礎。

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Ap p ly FDS to the Fire s o f a Sing le Cham be r to Con du c t Fie ld Sim u la tion and Ana lys is

XU Ying
Schoolof Energy and CivilEngineering,Harbin University ofCommerce

Theoretical and experimental resultsof simulation-basedmethod in this article is based on proven fire,and smoke-proliferation architecture,the application of the U.S.Bureau of Standards and Technology research tools developed fieldmodel FDS,carried out fora single room fire field simulation analysis.The resultsshowed that:the heat release rate of the fire source value,the value of the fire room heat,have major impact on the distribution of gas concentration and temperature field house featuresa single room doors status,alongw ith the source of fire heat release rate increases,indoor hot flue gas temperature rises rapidly,and the bigger house ventilation area,themore intense the fire development,thehigher theupperhotgas temperature,thehigher theoverall temperatureof the room.Resultsof this study for the fire control room have a certain reference value.

single room fire,field simulation,largeeddy simulation,haze proliferation

1003-0344（2014）03-059-4

2013-04-12

徐瑩（1981～），女，博士，講師；黑龍江哈爾濱商業大學能源與建筑工程學院（150028）；E-mail:joexying@126.com基金項目：黑龍江省青年科學基金（QC2012C056）