基于FDS的高層建筑火災數值模擬問題探討

王亞升

（陜西交通職業技術學院， 西安 710018）

現代高層建筑應用了大量易燃、可燃的材料，以此使火災發生的可能性出現大幅增加，同時可燃物燃燒過程中會產生毒害氣體，并釋放大量的火災煙氣，以此也會使建筑內部可見度降低[1]。綜合而言，高層建筑火場高溫使人員在行動能力上受到較大限制，不利因素集合使火災發生中的傷亡率極大。基于此，對于高層建筑火災內部溫度分布的規律、煙氣可見度、煙氣蔓延規律、毒害氣體濃度等火災特點進行分析，以此為高層建筑火災煙氣防排煙、建筑疏散通道設計、消防撲救工作提供基礎。在大量實踐中表明，FDS軟件能夠對建筑結構火災場景進行數值模擬，以此可作為火災特點、建筑防火災安全性能等的評價數據。

1 FDS概述

FDS是美國開發的一項模擬程序，是將火災流體運動為對象進行流動動力學計算的軟件[2]。這一軟件使用的求解方程為低馬赫數流動N-S方程，方程主要受火災浮力驅動影響，重點是進行火災熱傳遞及煙氣的傳遞過程。FDS是開放性的程序，在實踐中其準確性得到大量實證檢驗，在火災領域中的應用極為廣泛。FDS擁有大渦模擬及直接數值模擬兩種模擬模式，其中的數值是以湍流控制方程為基礎，對火災中的流場、濃度場、溫度場時間尺寸及空間尺寸精確的進行描述。數值模擬方法在結果上是極為精確的，但是計算量也較大。大渦模擬是將湍流瞬時運動分解成為小尺度、大尺度兩種運動部分，大尺度則可通過微分方程來直接進行計算，小尺度可通過亞格子模型建設來實現模擬，以此使計算量得到極大簡化。所以通常條件下，運用大渦模擬較為多。FDS理論基礎為力學內容，進行數值的計算中主要運用到的幾個方程為質量守恒方程、組分守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程。

2 高層建筑火災危險性分析

根據實踐研究表明，在實際生活中，造成人員疏散最大影響的是在火災煙氣方面。火災煙氣內部含有二氧化碳，同時二氧化碳存在的量是極為大的，在空氣中二氧化碳濃度達到5000ppm以上時，回使人體出現嚴重缺氧的情況，甚至會使得人員腦損傷情況出現，最為嚴重的會直接導致死亡。一氧化碳在800ppm以上時就有可能導致處于火災中的人員死亡，就算不會直接死亡，但是也會出現頭痛、惡心、痙攣等情況，嚴重阻滯了人員的自救行為。煙氣溫度也是煙氣危害性之一，在火災發生的過程中，火場溫度甚至能夠在幾百攝氏度之上，要知道人體在65℃到120℃中只有15分鐘的存活時間，隨著溫度不斷趨近于120℃平均存活時間還會持續降低，在120℃的情況人體耐受時間不會在1分鐘以上。最后則是可見度，對于火災中自救的人員而言，能見度是自救行為的重要影響因素，火災中的煙氣有減光效果（如圖1），以此使建筑中能見度急劇下降，使人員疏散受到影響，能見度定量標準則是根據建筑物面積及空間大小進行確認。若是一般建筑最小能見度在5m左右，減光率為0.2，大空間建筑則最小能見度為10m左右，減光率則為0.1。

圖1

3 高層建筑FDS火災模型構建

在FDS中，最小的計算單位為網格，其大小也成為模型中最關鍵的參數之一，主要是對模型內部偏微分方程時間及空間精度進行規定。FDS于各個離散時間步內進行網格化學成分、溫度、壓力、密度、溫度、速度等計算，所以網格劃分保證計算結果精確的關鍵。從理論上來說，網格在劃分時越是精細，計算所得到的結果就越是精確，在火災場景中，往往一幕就擁有十萬甚至百萬計的網格，同時具有數千上萬的實踐不。所以，在兼顧計算時間及計算機性能控制的基礎上，精細劃分網格也僅是理論中而言，現實實現難度較大。網格實施一次二分的情況下，能夠使方程離散精度得到保證，使差誤減少。但方程并非為線性，將離散差誤減小，可能對于結果差誤降低并無較大影響。同時對于網格的一次二分，會使計算時間增長24，即16倍。所以進行模型精度的設計要與計算機性能相契合，于此才能實現一定時間內得到精確度適用的結果。在本次研究中，以某高層建筑為例，建筑層數達到了20層，層高是3m。FDS火災模型在進行起火模擬時，將地點設置在第八層客廳位置，火災的模擬計算時間是1800s，火源進行熱能釋放中速率達到了3000kw/m2。火災模型進行網格劃分的過程中，考慮到模擬時間以及計算精度的條件，為了使計算得到優化，將網格劃分成379080個單元。為了使高層建筑火災模型在溫度上的變化規律得到明確，起火點1.7m高度處進行了二氧化碳、一氧化碳、可見度切片、溫度的探測器，另于高度1.7m，水平距離1.5m處、門的內側0.5m、門外側及過道內1m處分別進行進行可見度、溫度、一氧化氮、二氧化碳濃度的測點設計，同時標注有相應的測點序號，即1～4號。此外，火災伊始設置有開門時間，具體為30s，以此使人員逃生開門行為得到切實考慮。

4 FDS的高層建筑火災數值模擬問題探討

4.1 火災煙氣蔓延的規律性

根據模擬結果反映，建筑于外部風壓下，火災煙氣沿結構外墻向上迅速蔓延。火災在初始20s以內，煙氣的蔓延區域小，對于其他區域影響較小；60s時煙氣開始向上迅速蔓延到火層之上的樓層。煙氣于高層建筑中的運動規律，揭示了火災煙氣豎向的蔓延速度極快。

4.2 可見度情況

火災在發生的過程中，煙氣首先在起火房間蔓延，之后向著室外電梯井與樓梯蔓延，以此使電梯井、樓梯、起火房間在能見度上迅速降低。火災發生1分鐘時，因為煙氣會向著建筑外墻迅速向上蔓延至頂樓，以此使起火與起火層以上建筑內部可見度降低。此間電梯井與樓梯煙氣較少，因此電梯井內、樓梯中可見度較為良好。6分鐘以后，煙氣則會在起火層及以上樓層、電梯井內、樓梯中蔓延。尤其是樓梯及電梯井中可見度低，對于人員疏散造成較大威脅。

4.3 水平面釋放情況

在高度為1.7m的水平面中，火源熱能的釋放達到3Mw/m2，起火點的準確位置是八層某房間的沙發上，可燃物迅速進行燃燒，然后釋放了大量的一氧化碳與二氧化碳氣體，燃燒一分鐘之后，這兩種毒害氣體已經能夠使人體生命受到威脅，主要在通風不良區域，如拐角、過道中分布。火災發生60s之后，起火點溫度已經超過了300℃，可燃物未完全燃燒結束時，溫度保持在一個較高的范圍內。在6分鐘以后，火災煙氣蔓延到電梯井內和樓梯中，使得電梯井內、樓梯可見度較低。

5 結論

在高層建筑發生火災的情況下，火災發生1分鐘時，煙氣會迅速的通過建筑外墻結構向上蔓延，使起火層及以上樓層中迅速充斥煙氣，但是電梯井內及樓梯在可見度上相對該較為高，因此可以進行人員疏散。但是在6分鐘之后，火災中的煙氣會蔓延到電梯及樓梯井內，煙氣的濃度較高，不適合人員進行疏散和逃生。同時樓層的天臺在煙氣濃度上也較為高，不能夠作為避難點。火災發生1分鐘以后，會有大量威脅建筑內部生命健康的氣體，主要在大的孔家與過道中分布，這也造成了人員逃生受到阻礙。因此，在發生火災時，首先需要將起火房間門、樓層的電梯與樓梯井門進行關閉，以此阻斷火災煙氣的蔓延，為人員逃生爭取時間。