基于FDS的室內(nèi)火災(zāi)回燃現(xiàn)象數(shù)值模擬分析

張 超

(太原市消防救援支隊(duì)特勤大隊(duì),山西 太原 030024)

1 概述

回燃現(xiàn)象作為一種特殊的火行為，對滅火救援過程中消防員的自身安全造成很大的威脅。雖然針對回燃現(xiàn)象的研究很多，但住宅建筑回燃特性、回燃可能性的判斷、傷害的防范及消防員常見行為對回燃現(xiàn)象的影響方面研究較少。因此，筆者對某起造成消防員傷亡的火災(zāi)中的建筑物進(jìn)行建模，通過采用FDS軟件對回燃現(xiàn)象進(jìn)行分類數(shù)值模擬和對比討論，以探索室內(nèi)火災(zāi)中回燃的通性，造成其的原因及影響程度。

2 住宅建筑建模

模擬住宅建筑面積為88.65 m2，層高2.8 m。整個(gè)房間為南北向，房間布局為2間臥室、1間餐廳、1間客廳、1間廚房、1間衛(wèi)生間。其中餐廳、廚房、臥室二位于房間北部，客廳、臥室位于房間南部，進(jìn)門通道和衛(wèi)生間在房間中部。為簡化模擬程序，清除無關(guān)因素干擾，假設(shè)所有房間門全部為打開狀態(tài)，房間內(nèi)部僅設(shè)置固定功率的火源，無其他可燃物。在密閉室內(nèi)持續(xù)燃燒經(jīng)過17 min(1 020 s)后房間門打開，發(fā)生回燃現(xiàn)象(見圖1)。

3 不同工況的模擬

3.1 同一位置不同火源功率的模擬

在房間中的客廳位置設(shè)置點(diǎn)火源，分別將火源功率設(shè)置為500 kW，700 kW，900 kW，1 100 kW(見圖2)。

可以看出，開門通風(fēng)前，室內(nèi)的燃燒受氧含量控制。火源功率越大，室內(nèi)溫度越高，氧氣消耗越快；在氧氣耗盡后，火源無法保持燃燒，室內(nèi)溫度迅速下降，由于燃燒不充分，在開門通風(fēng)前室內(nèi)熱煙氣中將會(huì)存在較高濃度的可燃?xì)怏w。在開門通風(fēng)后，氧氣與可燃?xì)怏w混合后遇點(diǎn)火源被點(diǎn)燃，短時(shí)間內(nèi)溫度上升至一個(gè)峰值，由于通風(fēng)量有限，燃燒受通風(fēng)控制很快下降。

樓道的溫度變化是在通風(fēng)后短時(shí)間內(nèi)上升至一個(gè)峰值，隨后很快下降。這是由于開門通風(fēng)后，部分熱煙氣將會(huì)流出室外與空氣混合發(fā)生燃燒，室外空氣充足，燃燒受燃料控制，室外溫度曲線差異不大(見圖3)。

3.2 不同位置同一火源功率的模擬

采用固定的火源功率，分別在餐廳、客廳、臥室和臥室二4處設(shè)置火源。

火源在餐廳時(shí)回燃的發(fā)展程度最快，其次是火源在客廳和臥室，發(fā)展程度最慢的是火源在臥室二。火源在餐廳時(shí)回燃發(fā)展程度最快是由于餐廳處在房間中央，同時(shí)非常靠近通風(fēng)口，發(fā)生回燃時(shí)，不論氧氣還是可燃?xì)怏w都能很快流動(dòng)到火源位置；火源在客廳與臥室時(shí)雖然建筑結(jié)構(gòu)上存在差異，但氣體流動(dòng)在途徑和距離上基本近似；而火源在臥室二時(shí)，臥室、衛(wèi)生間、臥室二、儲(chǔ)物間形成的拐角結(jié)構(gòu)會(huì)對氣體的流動(dòng)過程造成一定的減緩和阻礙，影響燃燒的發(fā)展。

3.3 同一位置同一火源功率設(shè)置排煙的模擬

在客廳設(shè)置點(diǎn)火源(經(jīng)過與其他位置設(shè)置點(diǎn)火源對比，排煙送風(fēng)對相同點(diǎn)火源條件下回燃現(xiàn)象的影響相似，故僅分析客廳點(diǎn)火源一組)，以固定功率燃燒，在開門通風(fēng)的同時(shí)分別加入高、中、低3個(gè)位置的排煙工況(如圖4所示)。

從3種排煙工況的模擬結(jié)果來看，高位和低位排煙會(huì)降低回燃造成的危害甚至推遲回燃的發(fā)生時(shí)間，低位排煙的作用尤為明顯；但高位和低位排煙還會(huì)增加通風(fēng)處回燃的劇烈程度；而中位排煙則會(huì)增加回燃的危險(xiǎn)性。

3.4 同一位置同一火源功率設(shè)置送風(fēng)的模擬

上述工況下，在開門通風(fēng)的同時(shí)分別加入高、中、低3個(gè)位置的送風(fēng)工況(見圖5)。

在回燃現(xiàn)象的發(fā)生過程中，室內(nèi)的燃燒是由通風(fēng)控制的。而送風(fēng)工況首先需要打開一個(gè)通風(fēng)口，這就增加了新鮮空氣的涌入量；隨后的送風(fēng)過程不僅會(huì)進(jìn)一步增加新鮮空氣的進(jìn)入，還會(huì)加快空氣流速，促進(jìn)可燃組分與氧氣的混合。因此，不論采用哪種送風(fēng)位置都會(huì)使回燃提前，還會(huì)大幅度增加室內(nèi)燃燒的劇烈程度。

4 基于模擬的建議

結(jié)合對回燃現(xiàn)象的調(diào)查研究、數(shù)值模擬和總結(jié)分析，本文對消防員滅火救援中減少和避免其造成傷害提出如下四點(diǎn)建議。

4.1 全面掌握火場情況

消防員在到達(dá)火場后，切忌死搬教條，機(jī)械化的按照規(guī)程開展滅火救援工作。而是首先要沉著、冷靜，對著火建筑進(jìn)行充分的火情偵察，了解掌握建筑結(jié)構(gòu)、室內(nèi)設(shè)置、著火部位、燃燒時(shí)間、內(nèi)部房門開關(guān)和可燃物情況，隨后進(jìn)行細(xì)致的外部觀察，掌握房門、窗戶的完好和開關(guān)情況，如果整個(gè)房間沒有敞開的通風(fēng)口或存在密閉房間，則必須考慮回燃的可能性。

4.2 不可盲目破拆通風(fēng)

遇到住宅建筑密閉的情況，不得急于組織打開通風(fēng)口，可以一些小孔、洞等檢測內(nèi)部煙氣中可燃組分的濃度。如急需進(jìn)入現(xiàn)場，首先需要做好防高溫的充分準(zhǔn)備，做好全面的防高溫措施，可以利用防止轟燃的方法，小心謹(jǐn)慎、做好掩護(hù)、緩慢通風(fēng)，此過程中一定要降低重心、互相倚靠，防止被風(fēng)壓推動(dòng)，但仍存在一定的危險(xiǎn)性；過于緊急的情況下甚至可以考慮將建筑周圍人員疏散，通過拋投等方法在遠(yuǎn)處打碎窗戶等通風(fēng)口，以促進(jìn)通風(fēng)誘發(fā)回燃現(xiàn)象。

4.3 杜絕現(xiàn)場一切火源

可燃?xì)怏w與氧氣的混合物要經(jīng)過點(diǎn)燃才會(huì)產(chǎn)生回燃現(xiàn)象，而點(diǎn)燃方式一般分為兩種：一種是可燃?xì)怏w本身溫度很高，與氧氣混合后直接燃燒。這在居住建筑火災(zāi)中基本不可能。另一種就是點(diǎn)燃，可燃?xì)怏w與氧氣混合后向室內(nèi)流動(dòng)，被點(diǎn)火源點(diǎn)燃后發(fā)生爆炸燃燒，這是多數(shù)住宅建筑內(nèi)部回燃的著火方式。而在回燃過程中，爆炸沖擊波和火焰陣面都是從點(diǎn)火源處開始擴(kuò)散，也就是說火源是危險(xiǎn)性最大的部位。因此，一定要杜絕現(xiàn)場一切火源，尤其是不能用金屬切割機(jī)等機(jī)動(dòng)裝備或可能產(chǎn)生火花的工具，以防止引燃可燃?xì)怏w導(dǎo)致爆燃。

4.4 謹(jǐn)慎排煙，勿用送風(fēng)

從分析中可知，中位排煙、火場送風(fēng)都會(huì)加劇室內(nèi)回燃的發(fā)展程度，高位排煙對回燃影響不明顯，只有靠近地面的排煙會(huì)降低和延遲回燃現(xiàn)象的危害，因此，萬不得已的情況下可以考慮使用。但低位排煙同時(shí)還會(huì)增加通風(fēng)口處的煙氣與空氣的混合程度，也存在一定的危險(xiǎn)性。

本文基于FDS數(shù)值模擬得出的一些結(jié)論，雖然可能存在一定的局限性和謬誤，但應(yīng)該對滅火救援中消防人員的安全操作有一定的幫助和指導(dǎo)作用。