室外可燃物堆場安全間距理論分析與數值模擬

黃強+黃仕元+秦佳偉

摘 要：通過模擬火源對相鄰可燃物堆場引燃過程的研究，建立了火源著火后輻射熱流量對相鄰可燃物的影響關系。結合理論與模擬分析，討論了在與火源不同間距下，模擬輻射熱流量引燃相鄰物過程，提出了在不同條件下，可燃物輻射引燃的判定依據。給出了在可燃物堆場著火時，相鄰建筑物及可燃物堆場的防火安全間距。

關鍵詞：可燃物堆場； 引燃； 熱釋放速率； 安全間距

The outdoor combustible yard safety spacing theoretical analysis and numerical simulation

Huang Qiang，Huang Shi-yuan，Qin Jia-wei

（ Nanhua University， Hengyang， Hunan 421001 China ）

Abstract： the through simulated fire source research on the the adjacent combustibles yard ignition process， the establishment of the radiant heat flow adjacent combustible relationship after the fire of the fire source. Combination of theory and simulation analysis， and discuss the simulation of radiation heat flow to ignite adjacent material process， combustible materials under different conditions， the judgment radiation ignited the fire source spacing. In the fire of combustibles yard， adjacent buildings and combustible yard fire safety spacing.

Key words： combustible yard； ignited； heat release rate； safety pitch

1.前言

火災及其相關災害是危害人類最劇烈的災害之一，它具有發生頻率高、涉及面廣、影響較大等特點。我國是一個農業大國，農村居住人口比例較大，農村消防工作的好壞更是關系到農村經濟的發展和社會的穩定，農村消防已成為整個消防工作的重點[1]。近年來，我國新農村建設不斷發展，村鎮的規模不斷擴大，但相關消防建設標準和規范比較薄弱，導致我國農村火災頻發，損失慘重，成為困擾社會主義新農村建設的主要問題之一。為此國家住房部和城鄉建設部與國家質量監督檢驗疫總局2011年聯合發布了《農村防火規范》（GB 50039-2010）。

火災通常都是可燃物被點燃所引起的，在實際的農村火災統計中可反映出，農村可燃物堆場數量較多、分布形式較為復雜。作為火源的可燃物堆場著火以后，在周圍上層形成溫度較高的熱煙氣層，對于鄰近其它可燃物來說，將會受到火源及熱煙氣的共同熱輻射作用，當它們接收到的輻射熱流量達到其著火的臨界熱流量時，這些可燃物就會被引燃，與最初著火的可燃物一起形成一個更大的火源[1]-[3]。在可燃物較多的情況下，這種可燃物之間從被引燃到引燃的過程類似一個不斷傳遞的鏈式反應，直到所有的可燃物都被引燃，由此可見，火災發生后周圍可燃物能否被引燃以及被引燃的時間計算，確定合理的防火間距具有重要意義。而規范中針對可燃物堆場的防火間距界定不是很明確。

2.著火可燃物堆場對相鄰可燃物輻射引燃數學判斷依據

一個可燃物著火形成火源以后，釋放出的熱量會有一部分以輻射的形式向外發散出去，距火源中心距離為R處的被引燃物接收到的火源輻射和火源熱釋放速率的關系可以表示為：

式中：Q——火源熱釋放速率，kW；

xr——輻射系數，取1/3；

R——被引燃物距火源中心的距離，m；

qf——被引燃物接收到的火源輻射熱流量，kW/m2。

可燃物著火后， 在周圍形成溫度較高的熱煙氣層，煙氣層對周圍的被引燃物具有輻射作用[4]。在發生火災后，被引燃物接收到的總輻射熱流量即為火源輻射熱流量加上煙氣層的輻射熱流量。在著火一段時間以后，被引燃物在火源和煙氣層的輻射作用下，總的輻射熱流量達到其臨界熱流量時，即被引燃[5]-[8]。建筑物外墻及木材的臨界輻射熱流量及著火點見表1。

3.FDS模擬研究

3.1模擬假設

假設在室外有一可燃物堆場發生火災，在距火源距離為R處有一被引燃物，如圖1所示，分析火源與被引燃物在不同的間距條件下，火災燃燒持續時間為600s，可燃物被引燃的情況。假設火源為木材50m3堆，被引燃物為木材堆場。與被引燃物間距分別為：5m、8m、10m、12m、15m。

3.2結果分析

根據設定的火源熱釋放速率及計算得到的煙氣層溫度，對于被引燃物與火源之間的不同間距，計算被引燃物接收到的總輻射熱流量，在不同間距條件下，被引燃物接收到的的輻射熱流量隨時間變化的曲線如圖3所示。

4.理論與模擬分析

由上述計算結果分析可知：

（1）對于快速發展的火源來說，當被引燃物與火源之間間距較小時，如表2所示，間距為5m的情況下，火源對被引燃物的輻射熱流量均呈很快的增長趨勢，并目輻射熱流量在很短的時間內達到被引燃物的臨界輻射熱流量，被引燃物會在很短的時間內被引燃。對于5m間距的布置方式，被引燃物會在4min內被引燃。

（2）進一步增大被引燃物與火源的間距。當間距達到6m以上時，火源對被引燃物的輻射熱流量的增長會隨著間距的增大而趨緩，這時被引燃物接收到的總輻射熱流量也會隨著間距的增大而下降，被引燃物被引燃的時間逐漸推遲。當被引燃物與火源的間距增大到8m時，要10min才能被引燃；而對于被引燃物來說，當間距增大到10m以后，被引燃物己經不會被引燃。

（3）當被引燃物與火源間距較小時，如間距為4m的情況，火源輻射熱流量占到總輻射熱流量的90%以上，被引燃物接收到的總輻射熱流量與火源的熱釋放速率呈明顯的正比關系，這時可以不考慮煙氣層對被引燃物的輻射熱流量，僅以火源的輻射熱流量是否達到被引燃物的臨界輻射熱流量來判定被引燃物的引燃。

（4）當被引燃物與火源間距較大時，如本例間距增大到8m以后，火源的輻射熱流量增長緩慢，總的輻射熱流量中的比例也逐漸下降，這時對于被引燃物引燃的判定就由火源輻射和煙氣輻射共同決定。而對堆場來說，煙氣層的溫度較低，與被引燃物的距離較遠，隨著間距的增大，煙氣輻射熱流量在總輻射熱流量中的比例的增長并不顯著，可以僅考慮火源輻射來對被引燃物的引燃進行判定。

5.結束語

在可燃物堆場防火設計過程中，經常會遇到在一個空間內布置很多可燃物的情況，這些可燃物之間存在著一種類似鏈式反應的被引燃一引燃的過程，而通過傳統的火災模型或是實驗取得的火源熱釋放速率只能表示一個物體的燃燒情況。為了設計一個與真實情況較為接近的火災模型，本文給出了在著火堆場相鄰可燃物之間輻射引燃的數學模型及引燃判據。通過模擬說明了在著火堆場存在多個可燃物的情況下，判斷木材類可燃物之間能否相互引燃的安全間距為10m。

本文在模擬設計中還存在一下不足：

（1）本模擬實驗及計算均忽略了火災中煙氣的變化，在實際火災中還要考慮煙氣的流動及對鄰近物的影響。

（2）本模擬實驗規定了火源規模為50m3，在以后模擬實驗中還應補充不同不同火源規格對鄰近物的影響。

（3）由于農村村民通常會儲存許多糧食和一次性購買很多生活用品，如：面粉、大米、食用油以及家庭衣物的堆放等，這些都會形成可燃物堆場，它們的材質不同，所要求的安全防火間距肯定也會不同。本文只是對室外木材堆場做了模擬研究，其他室外及室內可燃物堆場沒有做詳細的模擬，需要進一步完善這方面的數據。

參考文獻

[1] 張孟君、程遠平、張小宏.著火房間相鄰可燃物引燃過程及其實例研究[J].消防科學與技術，2004（2）23，107-111.

[2] 宋長忠.火災可燃物熱解動力學及著火特征研究[D].浙江大學博士畢業論文，2006.27-31，76-79，110-116.

[3] 陳鵬.典型木材表火蔓延行分及傳熱機理研究[D].中國科技大學博士畢業論文，2006：61-86，109-138