國防工程火災煙氣成分分布規律研究

余南田， 茅靳豐，毛 維，鄧忠凱，向健宇

(1.陸軍工程大學國防工程學院，江蘇 南京 210007；2.軍事科學院國防工程研究院，北京 100036；3.中國人民解放軍75714部隊，湖南 衡陽 421900)

國防工程作為我國軍事工業的重要組成部分，對其火災安全的研究已經成為地下建筑安全研究的熱點。國防工程由于工程軸線長且密閉性好，火災通常具有如下特點：火災前期難以發現，火勢蔓延快，煙氣不易排出，人員逃生和火災撲救困難。目前，國內外對地下建筑火災安全的研究主要集中在地鐵[1-2]和隧道[3-7]或者是地面建筑中的狹長通道[8-9]。而國防工程的自然條件、工程目的以及人員疏散要求與地鐵、隧道和地面建筑有較大的不同，因此研究國防工程火災安全很有必要。

火災事故統計表明，火災中80%以上死亡是由煙氣所導致的[10]。因此，國防工程火災中煙氣流動及其分布規律是火災安全研究的重點，本文采用火災模擬軟件FDS，對國防工程發生火災時不同走廊開口情況下煙氣成分的分布規律進行模擬研究，以期為人員安全疏散提供指導。

1 火災模擬軟件FDS

FDS是由美國國家標準與技術研究院(NIST)開發的一款火災動力學模擬軟件，該軟件能夠模擬國防工程煙氣流動中溫度、濃度及流速等各種參數的變化，其采用的微分控制方程組如下：

質量守恒方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

式中：ρ為氣體密度(kg/m3)；u為速度矢量(m/s)；g為重力加速度(m/s2)；f為外部力矢量(kg·m/s2)；τij為牛頓流體黏性應力張量(Pa)；h為顯焓(J/kg)；p為壓力(Pa)；q?為單位體積的熱釋放速率(W/m3)；q″為熱通量矢量(W/m2)；φ為耗散函數(W/m3)。

此方程組能很好地應用于求解受火災浮力驅動的低馬赫數流動的N-S方程。FDS軟件模擬地下建筑火災所取得的可信度已經被國內外眾多學者認可[11-13]，因此本研究選擇FDS模擬軟件對國防工程發生火災時煙氣成分的分布規律進行數值模擬研究。

2 模型建立

2. 1 物理模型

防火分區是國防工程防火設計的基本單元，因此本文以南京某國防工程一個防火分區為研究對象，利用FDS模擬軟件對其發生火災時不同走廊開口情況下煙氣成分在垂直和水平方向上的分布規律進行數值模擬分析。

圖1為該國防工程模型圖和平面示意圖。該工程由走廊和兩側房間組成，走廊長50 m、高3 m、寬2 m，兩側房間按使用用途，可分為會議室、辦公室和首長休息室，其中會議室尺寸為9.9 m×4 m×3 m，辦公室尺寸為6.6 m×4 m×3 m，首長休息室尺寸為3.3 m×4 m×3 m，門的尺寸為2 m(高)×0.9 m(寬)。

圖1 某國防工程模型圖和平面示意圖Fig.1 Model diagram and plan sketch of a defense engineering

2. 2 火源設定

在國防工程中，火源的位置和規模是火災發展的基本參數，在模擬過程中火源設定得越合理，其計算結果越可靠。國際上通常用t2(NFPA92B,2000)型火災來近似非穩態火源，其火源強度可由下式表示:

Q=α(t-t0)2

(4)

式中：Q為火源強度(kW)；(t-t0)為火源有效燃燒時間(s)；α為火源增長系數。

本文根據該國防工程內部結構的特點、房間的布局用途以及內部可燃物狀況，以走廊最左側首長休息室作為火源房間，并根據房間實際功能設定著火房間的火災場景，按照無噴淋的辦公室和客房設定火源熱釋放速率為6 MW[14]，首長休息室火源主要集中在床上用品，因此選用歐洲標準火庚烷火[15]和超快速火源模型，火源增長系數為0.187 8。

2. 3 模擬工況及測點布置

當左側首長休息室著火后，人員將向走廊右側逃生。部分國防工程由于修建時間早或者施工條件限制，工程內未安裝排煙系統，本文考慮最不利情況，在沒有排煙系統情況下對單向型走廊(靠近火源的出口關閉、遠端出口開啟)和全封閉型走廊(兩端出口均關閉，走廊端部設置火災避難室)兩種工況情況進行模擬。

人員在逃生過程中會受到有毒有害氣體和窒息的危害，本次模擬研究以二氧化碳(CO2)及氧氣(O2)濃度作為主要研究指標,以走廊左端出口位置為縱向原點，在距走廊左端距離分別為L=4 m、14 m、24 m、34 m、44 m位置處布置5組煙氣特征參數測點樹，測點樹上同一測點位有溫度測點以及CO2、CO和O2濃度測點；測點樹上最高測點距頂棚的距離為0.4 m(h=2.6 m)，最低測點距地面的距離為0.6 m(h=0.6 m)，每兩個相鄰測點間相距0.4 m。下面以距火源的距離L分別為4 m、24 m和44 m位置處測點分析煙氣成分在垂直方向上的分布規律，以高度h分別為2.6 m、1.8 m和1 m位置處測點分析煙氣成分在水平方向上的分布規律。

2. 4 網格劃分

FDS模擬軟件以網格作為最小計算單元對防火分區進行全尺寸模擬。在火災的模擬中，網格是決定模擬是否可信的最基本參數。McGrattan等[16]研究指出，可以利用下面公式確定火災模擬合適的網格尺寸范圍：

(5)

D*/σx=4～16

(6)

式中:D*為特征長度(m)；Q為熱釋放速率(kW);ρ∞為環境密度(kg/m3);T∞為環境溫度(K)；CP為定壓比熱容[J/(kg·K)]；g為重力加速度(kg/s2)；σx為網格尺寸(m)。

該國防工程的火源強度為6 MW，計算得到合適的網格尺寸范圍為0.12～0.49 m。綜合考慮計算精度和時間成本，模型中以0.2 m×0.2 m×0.2 m劃分網格。

2. 5 定解條件

可燃物的燃燒、火災的蔓延以及煙氣的擴散都是非穩態過程，FDS模擬軟件求解涉及到的微分控制方程組必須給出流場的初始參數。由于國防工程出入口少，因此假設初始流場為靜止狀態，初始溫度為20℃，壓力為1個標準大氣壓；初始時間步長為0.2 s，在整個計算過程中時間步長將自動調整為滿足CFL條件的時間步長[16]。在人員逃生過程中，考慮走廊煙氣最不利情況，除著火房間房門開啟外，

其他房門均關閉。工程結構材料為鋼筋混凝土，傳熱按一維傳熱處理，即熱厚邊界條件；煙氣在壁面上無滲透，由于煙氣的黏性作用，靠近壁面處煙氣速度為零，因此壁面速度采用無滑移邊界條件。

3 模擬結果與分析

3. 1 煙氣成分在垂直方向上的分布規律

3.1.1 單向型走廊CO2濃度的垂直分布規律

圖2為該國防工程發生火災時單向型走廊內不同位置處CO2濃度的垂直分布情況。

圖2 單向型走廊內不同位置處CO2濃度的垂直 分布情況Fig.2 Vertical distribution of CO2 concentration in different places of the unidirectional corridor

由圖2可見，單向型走廊上層測點CO2濃度要先于下層測點開始變化，同一位置處CO2濃度隨高度的降低而降低，以穩定階段同一位置處上下相鄰兩測點的CO2濃度差值與兩測點中較高CO2濃度值的比值作為CO2濃度的垂直衰減幅度，計算各測點處濃度的衰減，發現當高度從2.2 m下降到1.8 m時，煙氣中CO2濃度會有較大幅度的下降，從走廊門口由近到遠下降幅度依次是71.4%、62.5%、57.2%，說明CO2濃度在垂直方向上存在明顯的兩個分層，走廊上層的CO2濃度遠大于走廊下層的CO2濃度；此外，隨著距火源距離的增加，走廊上層空間的CO2濃度會下降，而走廊下層空間的CO2濃度變化不大，即走廊垂直截面上CO2濃度的分布隨距火源距離的增加變得更均勻，這主要是由于走廊右端防火門開啟，新鮮空氣會不斷地流向火區，而上層煙氣在擴散的過程中會與壁面和走廊下部的新鮮空氣不斷換熱，導致煙氣溫度不斷下降，煙氣熱浮力隨即下降，煙氣在走廊遠端沉降得更為明顯，因此走廊遠端垂直截面上的CO2濃度分布得更加均勻。

3.1.2 單向型走廊O2濃度的垂直分布規律

圖3為該國防工程發生火災時單向型走廊內不同位置處O2濃度的垂直分布情況。

圖3 單向型走廊內不同位置處O2濃度的垂直分布 情況Fig.3 Vertical distribution of O2 concentration in different places of the unidirectional corridor

由圖3可見，單向型走廊同一位置上層測點O2濃度要先于下層測點發生變化，同一位置處O2濃度隨高度的升高而降低；垂直方向上仍然以穩定階段縱向同一位置處上下相鄰兩測點的O2濃度差值與兩測點中較高O2濃度值的比值作為O2濃度的垂直衰減幅度，可以發現當高度從1.8 m提升到2.2 m時，O2濃度會有一個劇烈的衰減，由近至遠的衰減幅度依次是52.8%、32%、24.5%，說明O2濃度在垂直方向上同樣存在兩個明顯的分層，走廊上層的O2濃度遠小于走廊下層的O2濃度；離火源較近的區域，下層測點的O2濃度變化幅度很小，隨著距火源距離的增加，走廊下層測點的O2濃度下降得越來越明顯，這是因為煙氣在擴散過程中與壁面和下層空氣換熱導致其溫度降低、高度下降，加上右側防火門開啟，新鮮空氣與煙氣在走廊遠端摻混程度較高，部分煙氣在走廊末端下層回流。

3.1.3 全封閉型走廊CO2濃度的垂直分布規律

圖4為該國防工程發生火災時全封閉型走廊不同位置處CO2濃度的垂直分布情況。

圖4 全封閉型走廊內CO2濃度的垂直分布情況Fig.4 Vertical distribution of CO2 concentration in different places of the totally enclosed corridor

由圖4可見，與單向型走廊類似，全封閉型走廊同一位置中最高測點的CO2濃度最先開始發生變化，測點高度越低，CO2濃度發生變化越遲；但是離火源越遠，同一位置處不同高度測點CO2濃度開始變化的時間差越小，在走廊最右端，垂直方向上幾乎是同時發生變化，這主要是由于前期火源燃燒產生的煙氣由走廊上層空間從火區流向走廊右端，而走廊右端封閉，煙氣受到阻礙后迅速沉降之后發生回流，下層空間由走廊右端回流到火區的煙氣填充，因此越靠近火源，下層空間CO2濃度開始發生變化的時間越滯后，不同高度測點的CO2濃度開始發生變化的時間差越大。

與單向型走廊相比，全封閉型走廊出口同一位置處不同高度的CO2濃度在后期將會趨于一致，表明整個走廊最后將會充滿煙氣。此外，由圖4還可以看到，全封閉型走廊上層空間的CO2濃度存在一個最大值，CO2濃度達到峰值之后開始下降，最后保持在一個穩定值。出現這個現象主要是因為：前期O2充足，火源燃燒產生大量的CO2，后期防火分區內O2不足，火源燃燒逐漸變小，直至熄滅，CO2產生量變小；同時全封閉型走廊上層空間的煙氣小部分發生沉降，大部分會向走廊遠端擴散，最終在遠端產生回流，因此全封閉型走廊上層空間的CO2濃度達到峰值后會不斷下降，而下層空間的CO2濃度會繼續上升，最終全封閉型走廊垂直方向上的CO2濃度保持在一個穩定值。

3.1.4 全封閉型走廊O2濃度的垂直分布規律

圖5為該國防工程發生火災時全封閉型走廊內不同位置處O2濃度的垂直分布情況。

圖5 全封閉型走廊內不同位置處O2濃度的垂直 分布情況Fig.5 Vertical distribution of O2 concentration in different places of the totally enclosed corridor

由圖5可見，O2濃度的變化規律與CO2濃度的變化規律類似，同一位置處各測點的O2濃度從高至低依次開始變化；離火源越遠，同一位置處不同高度測點的O2濃度開始變化的時間差就越小，全封閉型走廊端頭處不同高度測點的O2濃度基本是同時發生變化的；除全封閉型走廊最右端外，前期走廊內上層空間的O2濃度要小于下層空間的O2濃度，后期隨著煙氣充滿整個走廊，上下層空間的O2濃度趨于一致。此外，由圖5還可以看到，全封閉型走廊上層空間的O2濃度存在一個最低值，O2濃度先下降到最低值，然后上升，最終保持穩定；與圖4對比發現，同一測點處O2濃度與CO2濃度發生轉折的時刻基本一致。出現這種情況主要是因為火源燃燒前期，全封閉型走廊上層空間不斷聚集高溫煙氣，導致走廊上層空間的O2濃度所占比例不斷減小，到了后期，火源減小直到最后熄滅，產煙量不斷減小，同時煙氣由于沉降和擴散作用，在走廊上層空間所占的比例變小，底部空氣和上層煙氣摻混充滿整個全封閉型走廊，因此上層空間的O2濃度相應地增加，但整個全封閉型走廊總的O2濃度一直下降，直到火源熄滅不再耗氧。

3. 2 煙氣成分在水平方向上的分布規律

3.2.1 單向型走廊CO2濃度的水平分布規律

圖6為該國防工程發生火災時單向型走廊內不同高度處CO2濃度的水平分布情況。

圖6 單向型走廊內不同高度處CO2濃度的水平 分布情況Fig.6 Horizontal distribution of CO2 concentration at different heights of the unidirectional corridor

由圖6可見，總體上來看，單向型走廊內，測點的高度越低，水平面上的CO2濃度越小，危害性越小；在單向型走廊的上層空間(h=2.6 m)，越靠近火源，CO2濃度越高，即沿著單向型走廊縱向正方向，CO2濃度不斷下降，走廊末端CO2濃度最小；在h=1.8 m水平面上，CO2濃度沿走廊縱向幾乎一致，并且測點波動幅度較大；在h=1 m水平面上，越靠近火源，CO2濃度越低，即沿著單向型走廊縱向正方向，CO2濃度不斷升高，單向型走廊末端CO2濃度最大，并且走廊最右端測點的CO2濃度波動幅度較大。不同高度水平面上CO2濃度呈現不同的變化規律主要是因為單向型走廊上層空間煙氣的流動方向是由著火房間流向右端開口，而下層空間煙氣主要來源于右端開口處產生的煙氣回流，即上下層空間的煙氣流動方向相反，因此上下層空間的CO2濃度水平分布規律相仿，但衰減方向相反；而h=1.8 m水平面處于上下層空間的過渡區域內，靠近火源處煙氣沉降少但上層空間煙氣濃度大，遠離火源處煙氣沉降多但上層空間煙氣濃度小，同時上層空間煙氣與下層空間新鮮空氣摻混劇烈，所以整個水平面煙氣濃度基本一致，并且波動幅度大。

3.2.2 單向型走廊O2濃度的水平分布規律

圖7為該國防工程發生火災時單向型走廊內不同高度處O2濃度的水平分布情況。

圖7 單向型走廊內不同高度處O2濃度的水平 分布情況Fig.7 Horizontal distribution of O2 concentration at different heights of the unidirectional corridor

由圖7可見，單向型走廊內O2濃度的水平分布規律與CO2濃度的水平分布規律相似，不同高度的水平面上O2濃度呈現不同的分布規律，沿走廊縱向正方向上層空間O2濃度不斷升高，下層空間O2濃度不斷下降；在過渡層O2濃度幾乎一致，且波動較大。O2濃度水平分布呈現如此規律也是由于上下層空間煙氣流動方向相反，且與過渡層內煙氣與空氣的摻混有關，在此不再贅述。

3.2.3 全封閉型走廊CO2濃度的水平分布規律

圖8為該國防工程發生火災時全封閉型走廊內不同高度處CO2濃度的水平分布情況。

圖8 全封閉型走廊內不同高度處CO2濃度的水平 分布情況Fig.8 Horizontal distribution of CO2 concentration at different heights of the totally enclosed corridor

由圖8可見，在火源燃燒前期，全封閉型走廊與單向型走廊的上下層空間CO2濃度的水平分布規律類似，即距火源越遠，上層空間的CO2濃度越低，而下層空間的CO2濃度越高；但到了后期，全封閉型走廊與單向型走廊的CO2濃度分布不同，上層空間(h=2.6 m)的CO2濃度會下降，最終保持穩定；全封閉型走廊內不同高度的水平面上CO2濃度會呈現相同的分布規律，即距火源越遠，CO2濃度越高，這主要是因為后期火源熄滅，產煙量減小，但靠近火源處煙氣溫度仍然較高，熱擴散能力大，繼續向遠端擴散，而在全封閉型走廊末端，煙氣溫度相對較低，熱擴散能力弱，造成煙氣大量堆積。

此外，由圖8還可以看出，由于煙氣無法向外排出，水平面上沿全封閉型走廊縱向方向CO2濃度變化幅度較單向型走廊更小，也就是水平面上的CO2濃度分布得更均勻；在全封閉型走廊中層空間(h=1.8 m處)水平面上，由于沒有新鮮空氣補充，煙氣與空氣的摻混程度較小，CO2濃度波動幅度小，即全封閉型走廊不存在過渡層。

3.2.4 全封閉型走廊O2濃度的水平分布規律

圖9為該國防工程發生火災時全封閉型走廊內不同高度處O2濃度的水平分布情況。

圖9 全封閉型走廊內不同高度處O2濃度的水平 分布情況Fig.9 Horizontal distribution of O2 concentration at different heights of the totally enclosed corridor

由圖9可見，該國防工程發生火災后，全封閉型走廊內O2濃度會不斷下降；前期，全封閉型走廊上層水平面上的測點距火源越近，O2濃度越低，隨著火源燃燒狀態的轉變，O2濃度下降到一個最低值后開始上升直到穩定；后期，距火源越近，O2濃度越高[見圖9(a)]；全封閉型走廊中下層空間則一直保持距火源越近、O2濃度越高的分布規律[見圖9(b)、9(c)]。O2濃度水平分布出現這種規律的原因是前期火源正常燃燒不斷消耗O2產生CO2，全封閉型走廊上層空間為流向末端的煙氣，而中下層空間為流向火源的空氣；后期O2不足導致火源熄滅，大量煙氣在走廊末端堆積。

4 結 論

本文基于南京某國防工程中的一個防火分區，設計了火災場景，選取合適的網格尺寸對防火分區內走廊在不同狀態下煙氣成分在垂直和水平方向上的分布規律進行了研究，得到以下主要結論：

(1) 單向型走廊上層空間測點CO2濃度和O2濃度要先于下層空間發生變化，下層空間變化幅度很小；煙氣濃度分布在垂直方向上存在明顯的分層，上層空間的CO2濃度要遠大于下層空間，而O2濃度則正好相反。煙氣在單向型走廊末端的沉降導致距火源越遠，垂直方向上的CO2濃度分布越均勻，走廊下層空間的O2濃度下降得越明顯，說明單向型走廊遠端人員危險性越高。

(2) 單向型走廊內CO2濃度和O2濃度的水平分布與高度及距火源的距離有較大關系。單向型走廊上層空間煙氣與下層空間空氣的流動方向相反，CO2濃度和O2濃度在上下層水平面上的衰減方向也就相反：距火源越遠，單向型走廊上層空間的CO2濃度越低，下層空間的CO2濃度越高，O2濃度的變化則正好相反。過渡層CO2濃度和O2濃度水平分布較為均勻。

(3) 全封閉型走廊上層空間測點CO2濃度和O2濃度要先于下層空間發生變化，但由于上下層空間煙氣流動方向相反，同一位置處不同高度測點開始變化的時間差隨距火源距離的增加變得越來越小；全封閉型走廊垂直方向上煙氣濃度分布不存在分層現象，火源燃燒狀態的轉變導致CO2濃度和O2濃度在全封閉型走廊的上層空間分別有一個最大值和最小值，達到極值后再分別下降和上升，最終保持穩定。

(4) 全封閉型走廊內CO2濃度和O2濃度的水平分布在火源燃燒前期與單向型走廊相同：距火源越遠，走廊上層空間的CO2濃度越低，下層空間的CO2濃度越高；O2濃度的變化則正好相反。但后期由于氧氣不足，火源燃燒強度逐漸下降最終熄滅，上層空間煙氣由于浮力繼續向遠端擴散，導致全封閉型走廊末端堆積大量煙氣，走廊上層空間的CO2濃度和O2濃度分布與前期不同，即距火源越遠，全封閉型走廊上層空間的CO2濃度越高、O2濃度越低。由于全封閉型走廊端口封閉，CO2濃度和O2濃度在水平面上的分布較單向型走廊更為均勻。