基于FDS的加油站便利店火災(zāi)模擬*

肖國清，姚澤勝，鄧洪波，王中翊

(1.西南石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610500；2.油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500)

0　引言

加油站具有火災(zāi)荷載大，發(fā)生火災(zāi)破壞性強(qiáng)的特點(diǎn)，研究加油站火災(zāi)發(fā)展時(shí)的煙氣蔓延規(guī)律及溫度特征,對(duì)于可靠預(yù)測(cè)這類設(shè)施的火災(zāi)、增強(qiáng)防火設(shè)計(jì)的合理性、減少火災(zāi)中人員的傷亡具有重要意義。同時(shí)，火災(zāi)實(shí)驗(yàn)是破壞性的,加之加油站全尺寸實(shí)驗(yàn)成本高，耗時(shí)長(zhǎng)，危險(xiǎn)性大。因此，用計(jì)算機(jī)對(duì)火災(zāi)的過程進(jìn)行數(shù)值模擬已經(jīng)成為了一種較好的研究方法。許多學(xué)者將數(shù)值模擬應(yīng)用于研究加油站安全問題，曹彬等[1]通過FDS和Fluent模擬了無風(fēng)環(huán)境下原油儲(chǔ)罐池火災(zāi)，并將結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅容^，分析了2種模型的優(yōu)缺點(diǎn)；李慶功等[2]針對(duì)加油站儲(chǔ)罐區(qū)進(jìn)行了爆炸事故傷害模擬，提出了計(jì)算較嚴(yán)重傷害的傷害半徑的方法；黨宏斌等[3]研究了加油站儲(chǔ)罐的爆炸和池火災(zāi)的定量分析。但大部分研究關(guān)注點(diǎn)都在加油站儲(chǔ)罐，少有針對(duì)加油站內(nèi)便利店火災(zāi)進(jìn)行的研究。目前，在加油站內(nèi)開設(shè)便利店的情況較為普遍，加油站內(nèi)便利店的火災(zāi)危險(xiǎn)需受到重視。對(duì)加油站便利店進(jìn)行火災(zāi)模擬可得到不同時(shí)間下溫度、煙氣濃度等參數(shù)，以此為依據(jù)可研究其火災(zāi)發(fā)展規(guī)律，選擇更好的火災(zāi)應(yīng)對(duì)措施,為性能化評(píng)估提供依據(jù)。

FDS 是由美國火災(zāi)科研機(jī)構(gòu) NIST 開發(fā)的適用于求解火災(zāi)驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)問題的程序，其主要功能是利用場(chǎng)模擬求解火災(zāi)過程中各狀態(tài)參數(shù)在空間上的分布及其隨時(shí)間的變化。FDS主要運(yùn)用質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒、組分守恒方程、狀態(tài)方程以及相關(guān)化學(xué)反應(yīng)的定律來預(yù)測(cè)各種氣體和煙霧的生成，模擬各種火災(zāi)形式，廣泛應(yīng)用于火災(zāi)科學(xué)研究等領(lǐng)域[4]。本文采用FDS 數(shù)值模擬研究了加油站便利店火災(zāi)引起的溫度、煙氣層高度變化、能見度變化規(guī)律及對(duì)人員安全疏散的影響，通過煙氣擴(kuò)散模擬觀察煙氣蔓延順序，得到無火災(zāi)報(bào)警設(shè)備情況下人員識(shí)別火災(zāi)信號(hào)的時(shí)間；通過在主要疏散路線上設(shè)置的溫度、煙氣層高度和能見度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)比較不同條件的疏散路徑達(dá)到安全疏散危險(xiǎn)臨界條件的時(shí)間，給出選擇更優(yōu)疏散路徑的建議；針對(duì)安全問題提出改進(jìn)措施。

1　火災(zāi)數(shù)值模擬

1.1　加油站便利店火災(zāi)模型構(gòu)建

根據(jù)某加油站便利店的平面設(shè)計(jì)圖，利用 Pyrosim軟件建立加油站物理模型，如圖1、圖2所示。加油站便利店總建筑面積為22.5 m×8.7 m，高度為3.5 m，包含便利店主體、站長(zhǎng)辦公區(qū)、公用洗手間、儲(chǔ)藏間、配電間與發(fā)電間。其中，站長(zhǎng)辦公區(qū)、公用洗手間和儲(chǔ)藏間都與便利店主體聯(lián)通并共用大門，配電間與發(fā)電間不與其余區(qū)域聯(lián)通。大門高度為2.5 m，其余門高度為2.2 m。為簡(jiǎn)化模型，所有窗戶設(shè)為關(guān)閉，所有門設(shè)為完全敞開。

圖1　某加油站便利店平面設(shè)計(jì)Fig.1　Level arrange of a gas station convenient store

圖2　某加油站便利店模型Fig.2　Simplified model of a gas station convenient store

1.2　計(jì)算網(wǎng)格劃分

在應(yīng)用 FDS 進(jìn)行火災(zāi)模擬計(jì)算時(shí)，首先要設(shè)定一個(gè)計(jì)算區(qū)域，對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后在這個(gè)設(shè)定的區(qū)域內(nèi)設(shè)置火災(zāi)場(chǎng)景。在FDS中，網(wǎng)格劃分需要遵循一定的規(guī)則，在每個(gè)方向上劃分的網(wǎng)格數(shù)應(yīng)該滿足2U×3V×5W,U，V和W均為整數(shù)。例如,12=22×3，60=22×3×5,12和60是能使模擬穩(wěn)定運(yùn)行的網(wǎng)格數(shù)；而 13和17這種數(shù)字不可拆分成此種形式，故以此為劃分的網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行模擬時(shí)，會(huì)導(dǎo)致模擬運(yùn)算的不穩(wěn)定[5]。

對(duì)于網(wǎng)格尺寸，美國核管理委員會(huì)(NRC)驗(yàn)證了火災(zāi)特征直徑D應(yīng)該與網(wǎng)格尺寸d的比值應(yīng)該在4～16之間。火災(zāi)特征直徑D由式(1)表示[4-6]：

(1)

式中：Q為熱釋放率，kW；ρ∞為環(huán)境空氣密度，kg/m3，常溫常壓下取值1.29；T∞為環(huán)境溫度，K，取常溫293 K；g取9.81m/s2；Cp為空氣定壓比熱，kJ/kg·℃，取值1.005。

對(duì)于熱釋放速率Q，美國NFPA92B中建議零售商店火災(zāi)單位面積熱釋放速率為500 kW/m2[7]，本文火源面積為2 m×0.5 m，因此最大熱釋放速率QMax=500 kW。其熱量釋放速率由式(2)表示[7-9]:

(2)

式中：t1為達(dá)到最大熱釋放速率的時(shí)間，s。非阻燃泡沫塑料、包裝材料、垂直堆放的紙板或塑料箱的火災(zāi)增長(zhǎng)類型為超快速，商店柜臺(tái)為中速。綜合考慮，將貨架起火設(shè)定為快速火,α=0.046 89[9],熱釋放速率Q于t1=103.26 s達(dá)到穩(wěn)定峰值QMax。由公式(1)計(jì)算可知，火災(zāi)特征直徑D=0.727 m。綜合考慮模擬精度與計(jì)算難度，便利店模型在x，y，z方向網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)分別為192，75，30，共計(jì)432 000個(gè)單元格。每個(gè)單元格尺寸為0.12 m×0.13 m×0.12 m。

1.3　火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置

1.3.1火源設(shè)置

便利店火災(zāi)主要為貨架起火，對(duì)人員傷害主要是火災(zāi)引起的高溫和煙氣傷害。便利店內(nèi)存在多個(gè)貨架，在非人為縱火情況下多貨架同時(shí)起火的概率不大，不同地點(diǎn)貨架起火導(dǎo)致的區(qū)域溫度和煙氣濃度升高情況各不相同。如圖1所示，店內(nèi)有編號(hào)a～j共7個(gè)貨架。通過分析，a點(diǎn)發(fā)生火災(zāi)對(duì)于便利店大門左側(cè)人員疏散影響較大。基于性能化評(píng)估考慮最糟糕情況的原則，將a點(diǎn)設(shè)為火源。貨架長(zhǎng)1.6 m，寬0.8 m，第1層高度0.4 m，第2層位于高度1.0～1.5 m之間，a點(diǎn)貨架與相鄰貨架b，e分別相距2.3，2.1 m，在第1層有2 m×0.5 m的燃燒區(qū)域，貨架模型如圖3所示。

圖3　貨架簡(jiǎn)化模型Fig.3　Simplified model of shelf

1.3.2模擬火災(zāi)時(shí)間

考慮到便利店疏散路線長(zhǎng)度在幾十米內(nèi)，人員疏散速度在1.4 m/s左右，為節(jié)約模擬時(shí)間，本次模擬火災(zāi)時(shí)間設(shè)為400 s。

1.3.3測(cè)點(diǎn)設(shè)置

由可視化煙氣擴(kuò)散模擬結(jié)果可以直觀地觀察煙氣地產(chǎn)生和蔓延情況，而要得到精確的結(jié)果則要在便利店內(nèi)設(shè)置熱電偶、煙氣層高度測(cè)量裝置和能見度測(cè)量器材，在疏散路線A和B上以1 m為間隔設(shè)立A1～A6，B1～B7等探測(cè)點(diǎn)(見圖1)。在探測(cè)點(diǎn)上設(shè)置溫度、煙氣層高度和能見度測(cè)量裝置。

2　模擬結(jié)果與分析

2.1　煙氣擴(kuò)散模擬

圖4是煙氣擴(kuò)散模擬情況。通過煙氣擴(kuò)散模擬可以觀察煙氣蔓延順序，在無火災(zāi)報(bào)警設(shè)備情況下，認(rèn)為人員獲得火災(zāi)信息的時(shí)間為觀察到明顯煙氣和火光的時(shí)間。從圖4可以看出，第10.2 s開始可以觀察到a點(diǎn)貨架有較明顯的煙氣生成，煙氣在浮力作用下積聚于便利店頂端；第64.8 s開始可以觀察到基本布滿頂端的煙氣進(jìn)入相鄰的儲(chǔ)物間、辦公室和衛(wèi)生間前的洗手間；第107.4 s開始可以觀察到有明顯的煙氣進(jìn)入衛(wèi)生間。可以觀察到衛(wèi)生間最晚受到貨架火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣影響，但同時(shí)這也意味著位于衛(wèi)生間的人員在未收到外部信號(hào)的情況下最晚識(shí)別到火災(zāi)信息。如果僅憑視覺觀察，在起火后107.4s才能在衛(wèi)生間內(nèi)觀察到煙氣進(jìn)入。此時(shí)在衛(wèi)生間與便利店出口間的疏散路徑已經(jīng)被煙氣籠罩，影響到人員疏散，因此這部分人員能否安全疏散成為本次研究的重點(diǎn)。

圖4　店內(nèi)煙氣擴(kuò)散情況Fig.4　Smoke spread in the store

2.2　動(dòng)態(tài)升溫過程模擬

此次模擬選用的a點(diǎn)火源主要影響到圖1中A，B這2條疏散路徑。為觀察火災(zāi)場(chǎng)景中溫度動(dòng)態(tài)變化過程，在模型x1=6.5 m，x2=8 m，y1=2.2 m，y2=4.8 m，z=2 m處采集切面溫度變化,切面位置如圖5所示。

圖5　切面位置Fig.5　Slice distribution

縱向溫度切面模擬結(jié)果如圖6～7所示。高溫對(duì)人員健康危害受個(gè)體差異影響，一般推薦的短時(shí)間臉部暴露的安全溫度極限范圍為65～100℃[10]，取65℃為危險(xiǎn)臨界溫度，圖6中黑線部分為65℃等溫線。從圖6可以看出，縱向上在火源作用下生成高溫?zé)煔獠⑿纬苫鹩鹆魃仙仙撂旎ò搴笮纬身斉锷淞鳎仨斉镞\(yùn)動(dòng)；頂部靠墻位置高溫層較厚，說明高溫?zé)煔庥苫鹪瓷仙另斉锖笙蛩闹軘U(kuò)散，遇到墻壁阻隔后在墻角積聚。這一結(jié)果與文獻(xiàn)研究結(jié)果相符[11]。切片x1，y1中火源鄰近區(qū)域65℃等溫線高度明顯較低，說明該區(qū)域受到火源的影響，溫度提升較快；切片x2，y2上溫度升高較為均勻緩慢，說明遠(yuǎn)離火源區(qū)域溫度的提升主要由高溫?zé)煔庠陧敳康姆€(wěn)定積聚引起。

圖6　縱向溫度切片F(xiàn)ig.6　Longitudinal temperature slice

從動(dòng)態(tài)升溫過程模擬來看，火災(zāi)造成便利店內(nèi)溫度升高的規(guī)律為：火源附近首先形成高溫區(qū)域；高溫?zé)煔庠谏戏椒e聚，因此溫度隨高度升高；同等高度下四周靠近墻壁區(qū)域溫度高于中央?yún)^(qū)域。疏散路線A由于靠近火源且靠近墻壁，溫度上升較快。從溫度切片觀察火源對(duì)相鄰貨架的影響，在130 s時(shí)相鄰貨架溫度在65℃左右，低于大部分貨物燃點(diǎn)，因此不會(huì)引燃鄰近貨架的貨物。取路線A，B上采樣點(diǎn)溫度，溫度變化如圖8所示。

圖7　z=2 m處溫度切片F(xiàn)ig.7　Temperature slice when z=2 m

圖8　2 m高度溫度變化Fig.8　Variation of temperature on 2 m

疏散路線A在82 s后即有區(qū)域的溫度達(dá)到危險(xiǎn)溫度；疏散路線B遠(yuǎn)離火源與墻壁,則溫度上升相對(duì)較慢且均勻。可以看到在火災(zāi)發(fā)生121 s時(shí)在2 m的高度下溫度低于65℃。從溫度影響來考慮，選擇了疏散路線B的人員需要在121 s內(nèi)完成疏散。

2.3　煙氣層高度變化模擬

火災(zāi)發(fā)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的煙氣，積聚在火災(zāi)場(chǎng)景上方并形成煙氣層影響人員疏散。研究表明[12-13]，煙氣層高度低于2.5 m時(shí)，人員疏散受到影響；高度低于1.5 m時(shí)，人員基本無法疏散。根據(jù)模擬采樣得到煙氣層高度如圖9所示。

圖9　煙氣層高度變化Fig.9　Variation of smoke layer height

可以看出在路線A上離火源較近的A2點(diǎn)在20 s左右即有煙氣層高度在1.5 m左右波動(dòng)，38 s以后，大部分煙氣層高度低于1.5 m，未疏散人員安全得不到保障。路線B由于遠(yuǎn)離火源和墻壁，煙氣層發(fā)展較慢且穩(wěn)定，到86 s以后煙氣層高度低于1.5 m，未疏散人員安全得不到保障。

2.4　環(huán)境能見度變化模擬

環(huán)境能見度也是影響人員安全疏散的重要指標(biāo)。考慮到加油站便利店人員流動(dòng)性大的特點(diǎn)，人員基本是在陌生環(huán)境中疏散，環(huán)境能見度過低會(huì)影響人員尋找疏散路徑，降低行走速度；煙氣中刺激性氣體也會(huì)對(duì)人身體產(chǎn)生影響，延緩甚至阻止人員疏散。現(xiàn)有的一些研究[14-15]認(rèn)為對(duì)于大多數(shù)完全燃燒產(chǎn)生混合煙氣刺激物的濃度換算為煙氣光學(xué)密度后低于ρOD=0.2 m-1，基于對(duì)火災(zāi)煙氣刺激性的考慮，推薦將它作為短距離疏散煙氣光學(xué)密度的耐受極限，換算成能見度為5 m，低于此能見度會(huì)有一定比例的人員選擇折返。根據(jù)模擬采樣得到能見度變化如圖10所示。第43 s路線A能見度下降到5 m，下降過程伴隨著明顯的數(shù)據(jù)波動(dòng)。路線B上能見度變化較為穩(wěn)定，85s以后路線B的能見度低于5 m。

圖10　能見度變化Fig.10　Variation of visibility

觀察對(duì)比靠近火源的路線A上與遠(yuǎn)離火源的路線B上溫度、煙氣層厚度和能見度的變化，可以發(fā)現(xiàn)路線A上相關(guān)指標(biāo)變化速度快于路線B，且相關(guān)指標(biāo)有劇烈的波動(dòng)，路線B則變化地更加緩慢穩(wěn)定。這種現(xiàn)象是由于路線A靠近火源和墻體區(qū)域，高溫?zé)煔鉂舛壬仙俣容^周圍快，更快地導(dǎo)致溫度、煙氣層厚度和能見度的變化；同時(shí)煙氣濃度、溫度與周圍差距較大，煙氣擴(kuò)散到周圍的速度和與周圍環(huán)境熱交換的速度快，該區(qū)域擴(kuò)散的熱量與煙氣多于補(bǔ)充，造成數(shù)據(jù)變化波動(dòng)的現(xiàn)象。而路線B處于開闊地帶，有更穩(wěn)定的煙氣積累過程，所以該區(qū)域相關(guān)數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定。

2.5　人員安全撤離時(shí)間

將以上以“安全撤離”為目標(biāo)的性能化判定指標(biāo)匯總，如表1所示。表1表明，選擇了靠近火源和墻壁的疏散路線A的人員需在38 s內(nèi)完成撤離；而選擇了疏散路徑B的人員在85 s內(nèi)可以安全撤離。

表1　安全撤離性能化指標(biāo)

由煙氣擴(kuò)散結(jié)果，最內(nèi)側(cè)人員能觀察到煙氣的時(shí)間為107.4 s，這表示無論選擇路線A還是路線B，所需的最晚安全完成撤離時(shí)間都小于最內(nèi)側(cè)人員獨(dú)立收到火災(zāi)信號(hào)的時(shí)間，因此，等到他們能獨(dú)立意識(shí)到發(fā)生火災(zāi)需要撤離時(shí)已不能保證安全撤離。

為保證安全疏散，可以從以下方面進(jìn)行改進(jìn)：改變?cè)O(shè)計(jì)，將衛(wèi)生間出口設(shè)在店外；在不改變?cè)O(shè)計(jì)的前提下，可以通過加裝火災(zāi)報(bào)警設(shè)備來縮短人員從火災(zāi)開始到開始疏散的時(shí)間。

3　結(jié)論

1)在沒有安裝火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的情況下，被隔斷的設(shè)施會(huì)造成設(shè)施內(nèi)人員在便利店發(fā)生火災(zāi)后獨(dú)立接收火災(zāi)信號(hào)的時(shí)間增長(zhǎng)，不利于及時(shí)疏散。建議在設(shè)計(jì)時(shí)將衛(wèi)生間等被隔斷的設(shè)施出口設(shè)在便利店外；如果在不改變?cè)O(shè)計(jì)的前提下可以安裝火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，縮短從火災(zāi)發(fā)生到人員接收火災(zāi)信息時(shí)間。

2)火源附近溫度上升，煙氣層增加和能見度下降速度都明顯高于其他遠(yuǎn)離火源區(qū)域；高溫?zé)煔庠谏戏椒e聚，溫度隨高度升高，能見度隨高度升高而減小；相同高度下靠墻位置溫度升高速度與能見度減小速度快于開闊區(qū)域。因此，疏散時(shí)判斷火情，選擇合理疏散路線可以顯著延長(zhǎng)安全疏散時(shí)間。

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