相鄰房間可燃物間距對(duì)火災(zāi)蔓延的影響

楊 莉

(重慶大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶 400030)

城市中，隨著人口的增長(zhǎng)和建設(shè)步伐的加快，建筑物的密度越來(lái)越大，火災(zāi)隱患也大大增加，建筑火災(zāi)是發(fā)生頻率最高、損失最大的火災(zāi)種類(lèi)［1］。統(tǒng)計(jì)資料顯示，在各種類(lèi)型火災(zāi)中建筑火災(zāi)對(duì)人類(lèi)危害最大最直接，從起火分類(lèi)上看住宅樓以及其他樓房所占比例達(dá)到35%;從起火類(lèi)型死亡人數(shù)看死于建筑火災(zāi)的遇害人員為90%［2，3］。建筑火災(zāi)最初都是發(fā)展在建筑物的室內(nèi)，然后蔓延到相鄰房間或區(qū)域，以至整個(gè)樓層，最后蔓延到整個(gè)建筑物。可見(jiàn)單室火災(zāi)是整個(gè)建筑火災(zāi)的最基本組成部分，其發(fā)展態(tài)勢(shì)直接影響到火災(zāi)在建筑內(nèi)的行為。同時(shí)，由于都市房間攀升，小尺寸的房間出現(xiàn)的越來(lái)越多。因此，對(duì)小空間單室火災(zāi)向相鄰房間的火災(zāi)蔓延研究對(duì)提高建筑火災(zāi)安全性非常重要。

1 室內(nèi)火災(zāi)模擬方法

本文采用的模擬軟件是CFAST6.0。CFAST是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研究所(NIST)建筑研究實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的區(qū)域模型軟件中最成熟的軟件之一［4］。火災(zāi)區(qū)域模擬是火災(zāi)模擬開(kāi)展建筑性能化設(shè)計(jì)必不可少的消防技術(shù)手段，是定量研究建筑火災(zāi)最基本的模型。災(zāi)區(qū)域模擬是以受限空間中的火災(zāi)過(guò)程為研究對(duì)象的一種半物理模擬，是經(jīng)驗(yàn)公式與體現(xiàn)基本規(guī)律的數(shù)學(xué)方程結(jié)合，結(jié)合程度和方式的差異決定了模擬的多樣性。在現(xiàn)實(shí)中，火災(zāi)發(fā)生初期有明顯的分層現(xiàn)象，上層煙氣和下層冷空氣層，且溫度也存在著一定的分層現(xiàn)象。而區(qū)域模型采用兩個(gè)控制體來(lái)描述一個(gè)房間，即上層煙氣層和下層冷空氣層，其較好反映了現(xiàn)實(shí)火災(zāi)中的分層現(xiàn)象，因而區(qū)域模型可在大多數(shù)條件下對(duì)真實(shí)火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行相當(dāng)現(xiàn)實(shí)的模擬［5］。CFAST軟件方法將火災(zāi)房間分為上下兩個(gè)區(qū)域，即上部的熱煙氣區(qū)和下部的冷空氣區(qū)，并且假設(shè)兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的參數(shù)是均勻的，針對(duì)兩個(gè)區(qū)域分別列出質(zhì)量守恒和能量守恒方程，得到一組描述火災(zāi)動(dòng)力學(xué)演化的基本方程，進(jìn)而運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬。該軟件的計(jì)算結(jié)果能夠滿(mǎn)足一般工程設(shè)計(jì)的要求［6］。

圖1 火災(zāi)房間設(shè)置圖

2 火災(zāi)情形設(shè)置

火災(zāi)房間如圖1所示，兩間尺寸同為4 m×6 m×3 m的房間相鄰，其中門(mén)與外界連通的是1室，門(mén)與相鄰房間連通的是2室。室1和室2的房門(mén)尺寸為0.8 m×2 m，窗戶(hù)尺寸為2 m×1 m，窗臺(tái)距地板高度為1 m，頂棚材料和墻壁材料為石膏，地板材料為混凝土。內(nèi)部初始溫度和外部初始溫度皆為20℃，內(nèi)外壓力為101 300 Pa。為了明顯的比較相鄰房間可燃物間距對(duì)火災(zāi)蔓延的影響，兩房間的火源設(shè)置相同，僅有1個(gè)沙發(fā)。其中，1室為起火房間，沙發(fā)在0 s時(shí)點(diǎn)燃。2室的沙發(fā)引燃溫度為280℃。兩房間的窗設(shè)定始終為開(kāi)啟狀態(tài)，門(mén)的縫隙系數(shù)約為0.01，兩房間的門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)設(shè)置為轟然時(shí)開(kāi)啟。

運(yùn)用CFAST6.0模擬房間1在房門(mén)緊閉的情況下的燃燒，獲得房間1的煙氣溫度數(shù)據(jù)。通過(guò)Origin8.0繪圖如圖2所示。

圖2 房門(mén)關(guān)閉時(shí)1室室內(nèi)煙氣層溫度曲線

在小規(guī)模實(shí)驗(yàn)火災(zāi)中熱煙氣層溫度變化曲線都可以明顯地分為3個(gè)區(qū)域，分別為強(qiáng)轟燃、弱轟燃和不轟燃3種情況。對(duì)應(yīng)在固體燃料條件下，這3個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的熱煙氣層峰值溫度分別為T(mén)p＜650℃，550℃ ＜Tp＜650℃，Tp＜550℃。且強(qiáng)轟燃時(shí)溫度變化率達(dá)到6.2 ℃ /s，弱轟燃時(shí)為2.3 ℃ /s，不轟燃時(shí)僅為0.9 ℃ /s。此值也是室內(nèi)能夠發(fā)生火災(zāi)時(shí)溫度變化率峰值的最小值，而要發(fā)生轟燃溫度變化率峰值須達(dá)到1.3℃/s以上［7］。故可以判斷1室的煙氣層溫度在360 s時(shí)達(dá)到轟然，因此設(shè)置1室與外界連通的門(mén)及其與2室連通的門(mén)在360 s時(shí)打開(kāi)。

3 模擬結(jié)果分析

本文為分析相鄰房間可燃物距離對(duì)火災(zāi)蔓延的影響設(shè)置了三種情況，test1，test2，test3，1室沙發(fā)與2室沙發(fā)的距離分別為0 m，2 m，4 m。其中2室的沙發(fā)位置始終不變，靠著2室與1室相隔的墻壁，改變的是1室沙發(fā)的位置。通過(guò)CFAST6.0軟件模擬這三種情況并導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果，應(yīng)用Origin8.0軟件進(jìn)行繪圖，得到三種情況下火災(zāi)中1室的煙氣層溫度、煙氣層界面高度、煙氣層中CO含量曲線隨時(shí)間的變化情況分別見(jiàn)圖3～圖5，以及2室的煙氣層溫度、煙氣層界面高度、煙氣層中CO含量曲線隨時(shí)間的變化情況分別見(jiàn)圖6～圖8。

圖3 門(mén)轟燃時(shí)開(kāi)啟1室煙氣層溫度曲線

圖4 1室煙氣層界面高度曲線

圖5 1室煙氣CO濃度曲線

圖6 2室煙氣溫度曲線

圖7 2室煙氣層界面高度曲線

1)1室的煙氣層溫度變化情況。與煙氣層界面高度變化情況一樣，test1，2，3情況下前360 s內(nèi)1室的煙氣層溫度變化基本相同，溫度迅速上升至605.5 ℃左右。360 s～600 s間，test1，test2曲線走勢(shì)基本相同，與test3漸漸產(chǎn)生微小差異。test1，test2在600 s時(shí)溫度再次大幅上升，在830 s時(shí)溫度分別升高至325.5℃，325.0℃，隨后溫度緩慢下降。而test3則始終保持緩慢下降。在模擬結(jié)束1 800 s時(shí)，test1，test2與test3的溫度分別為169.6℃，170.0 ℃，153.2 ℃。

2)1室的煙氣層界面高度變化情況。test1，2，3情況下，前400 s內(nèi)1室煙氣層界面高度變化基本相同。煙氣層界面在前360 s內(nèi)迅速下降到0.3 m，其后因?yàn)檗Z燃房間門(mén)打開(kāi)，煙氣層高度迅速回升，360 s后 test1，test2與 test3漸漸開(kāi)始產(chǎn)生差異。test1，test2的煙氣層界面高度在600 s時(shí)再次下降，在830 s左右降至1.2 m后緩慢上升，最終皆穩(wěn)定在1.5 m。而test3的煙氣層界面高度最終穩(wěn)定在1.7 m。

3)1室的煙氣CO濃度變化情況。test1，2，3在前360 s內(nèi)煙氣層溫度變化基本相同，在360 s內(nèi)迅速升至3 223.5 ppm，隨后開(kāi)始下降。360 s～600 s間，test1，test2曲線走勢(shì)基本相同，與test3差異不大。600 s后test1，test2情況下的煙氣層CO濃度再次開(kāi)始顯著上升，在830 s時(shí)一起達(dá)到1 120.5 ppm，之后開(kāi)始下降。test3則始終保持下降。1 800 s時(shí)test1，test2，test3的煙氣CO濃度分別達(dá)到 341.8 ppm，342.2 ppm，296.4 ppm。

4)2室的煙氣層溫度變化情況。前360 s，test1，2，3情況下2室的煙氣層溫度變化很小。360 s后，2室的溫度迅速上升至246.0℃。隨后 test1，2情況下，2室的煙氣層溫度再次上升，830 s時(shí)升到頂點(diǎn)615.7℃，615.0℃。而 test3情況下，2室的煙氣層溫度緩慢下降。在模擬結(jié)束1 800 s時(shí)，test1，2，3情況下2室的煙氣層溫度分別為186.3 ℃，186.0 ℃，89.2 ℃。

5)2室的煙氣層界面高度變化情況。前360 s，test1，2，3情況下的2室的煙氣層界面高度變化基本相同，從3 m迅速下降至1.5 m。在360 s～600 s間，test1，test2曲線走勢(shì)基本相同，并與test3漸漸產(chǎn)生微小差異。600 s后，test1，test2情況下2室的煙氣層界面高度再次迅速下降，在830 s時(shí)降至最低點(diǎn)0.5 m后開(kāi)始上升，最終穩(wěn)定保持在1.6 m。而test3情況下，2室的煙氣層界面高度略有上升，最終穩(wěn)定在1.7 m。

6)2室的煙氣CO濃度變化情況(見(jiàn)圖8)。前360 s，test1，2，3情況下2室的煙氣CO濃度略有升高，360 s后幾十秒2室的溫度迅速上升至1 176.3 ppm。隨后test1，2情況下，2室的煙氣CO濃度再次上升，830 s時(shí)分別升到頂點(diǎn)2 046.6 ppm，2 046.0 ppm。而test3情況下，2室的煙氣CO濃度逐漸下降。在模擬結(jié)束1 800 s時(shí)，test1，2，3情況下 2室的煙氣層溫度分別為 334.1 ppm，278.7 ppm，334.2 ppm。

圖8 2室煙氣CO濃度曲線

4 結(jié)論

1)當(dāng)1室的沙發(fā)距2室沙發(fā)4 m時(shí)，2室的沙發(fā)將不會(huì)被點(diǎn)燃，2室的煙氣溫度最高達(dá)到246.0℃，煙氣高度最低為0.9 m，CO濃度最高才1 160.7 ppm。

2)當(dāng)1室的沙發(fā)距2室2 m或0 m時(shí)，2室的沙發(fā)將會(huì)被點(diǎn)燃。2室的煙氣溫度最高達(dá)到615.7℃或615.0℃，煙氣高度最低為0.5 m，CO 濃度最高為2 046.6 ppm 或2 046.0 ppm。

3)2室沙發(fā)的燃燒將造成1室的煙氣溫度、煙氣層界面高度和CO濃度的二次上升，增加1室的火災(zāi)危害性，為消防救援帶來(lái)困難。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用CFAST軟件模擬兩相鄰房間的火災(zāi)在三種不同設(shè)置情況下，起火房間1室和相鄰房間2室煙氣層界面高度、煙氣溫度、煙氣層CO濃度隨時(shí)間的變化情況，對(duì)兩室的燃燒之間的影響做了分析。在模擬的過(guò)程中，本文存在一些不足，如燃燒材料的選擇，室內(nèi)裝修及其他可燃物的設(shè)置，因此得到的結(jié)果只能作為參考。

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