基于FDS 的室內(nèi)火災(zāi)蔓延特性研究

劉子建

1.概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑物越來(lái)越向高、密型結(jié)構(gòu)發(fā)展，一旦發(fā)生火災(zāi)，將對(duì)生命、財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)重大的危害。各類火災(zāi)的統(tǒng)計(jì)資料表明其中85%以上的死亡是由于受到煙氣影響，受困人員吸入大量的煙氣或有毒氣體窒息導(dǎo)致[1-2]。消防指戰(zhàn)員在進(jìn)入正在燃燒或燃燒后的建筑物內(nèi)開(kāi)展火情偵察、滅火救援、火災(zāi)調(diào)查等作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)也不得不承受吸入煙塵的風(fēng)險(xiǎn)。室內(nèi)火災(zāi)的發(fā)展最終導(dǎo)致建筑物火災(zāi)的形成。因此，探討室內(nèi)火災(zāi)發(fā)生的規(guī)律，煙氣擴(kuò)散與火源、排氣口等位置及大小的相關(guān)性，具有重要的意義。同時(shí)，研究火災(zāi)發(fā)生時(shí)室內(nèi)煙氣的流動(dòng)擴(kuò)散規(guī)律，對(duì)減少火災(zāi)危害具有很好的指導(dǎo)作用。針對(duì)室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展過(guò)程，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)用不同的研究方法進(jìn)行了不同層次的研究[3-4]。室內(nèi)火災(zāi)時(shí)火災(zāi)增長(zhǎng)變化主要有三個(gè)階段，即火災(zāi)初期階段、火災(zāi)充分發(fā)展階段及火災(zāi)減弱階段[5]。

2.室內(nèi)火災(zāi)模型的建立

本文選取單間休息室為研究對(duì)象，利用建模軟件Pyrosim 進(jìn)行模擬，基于實(shí)際情況，對(duì)建筑物的單室進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化和設(shè)計(jì)。通過(guò)軟件模擬室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙氣的擴(kuò)散與火源位置、排氣口位置及大小的相關(guān)性，也能較好地反映發(fā)生火災(zāi)從發(fā)生到增長(zhǎng)的幾個(gè)階段。著火房間尺寸取為5.2m×4.6m×2.4m，門開(kāi)口尺寸為0.9m×2.0m。火源的形式采用的是軟件自帶的矩形柴油油池火源形式，尺寸為0.2m×0.3m。計(jì)算時(shí)網(wǎng)格大小取為0.1m，模型圖如圖1 所示，其中火源位置見(jiàn)圖1 所示編號(hào)1-6，便于表述，將火源Fire Source 簡(jiǎn)寫為FS。通風(fēng)口面積的設(shè)定主要依據(jù)調(diào)節(jié)門的大小。設(shè)定4 種工況，將門洞尺寸Door Size簡(jiǎn)寫為DS，各工況依次記為DS-1（關(guān)門情況）；DS-2（開(kāi)一扇門，尺寸為0.9m×2.0m）；DS-3（開(kāi)一扇門，尺寸為1.2m×2.1m）；DS-4（開(kāi)兩扇門，尺寸為0.9m×2.0m）。

3.模擬結(jié)果分析

3.1 煙氣隨時(shí)間蔓延情況分析

煙氣在著火房間內(nèi)蔓延的過(guò)程中遇到任何障礙物都會(huì)進(jìn)行流動(dòng)擴(kuò)散。其中最大的障礙物即頂棚與墻體，當(dāng)煙氣擴(kuò)散至頂棚時(shí)，后向四周水平擴(kuò)散并受到周圍墻體的阻擋，有沿墻向下流動(dòng)的趨勢(shì)，煙氣不斷增加增厚，到達(dá)門窗洞口以下時(shí)才會(huì)擴(kuò)散出去。但是，室內(nèi)火災(zāi)中煙氣層下降到一定高度后就基本不再發(fā)生變化，達(dá)到一個(gè)煙氣的穩(wěn)定高度。由本文的研究可知，在 5s～10s 時(shí)煙氣的產(chǎn)生還較少較薄，在60s 時(shí)已經(jīng)慢慢形成了煙氣層，600.0s 時(shí)煙氣量已大大增加至幾乎充滿室內(nèi)。見(jiàn)圖2 所示。

圖1 FDS 模型及網(wǎng)格圖

圖2 煙霧擴(kuò)散圖

圖3 不同火源位置工況下熱釋放率隨時(shí)間變化

3.2 火源位置對(duì)熱釋放速率的影響

本文設(shè)置了六組對(duì)比模型，分別位于房間中部、邊墻及墻角處。在其他條件不變的情況下，圖3 為各工況下火災(zāi)熱釋放速率曲線。由圖可知火源位置靠近可燃物時(shí)火災(zāi)熱釋放速率增長(zhǎng)到1500kW 的時(shí)間約為 250s，而遠(yuǎn)離可燃物時(shí)火災(zāi)熱釋放速率增長(zhǎng)到1500kW 的時(shí)間卻需500s 以上，圖3（b）組相對(duì)（a）組熱釋放率達(dá)到較高值的時(shí)間明顯滯后，這是由于（b）組中火源位置離可燃物較遠(yuǎn)，其中FS6 工況中火源位置附近一周均無(wú)可燃物，短時(shí)間內(nèi)火災(zāi)熱釋放率較小且較穩(wěn)定。因此，在實(shí)際的火災(zāi)預(yù)防中，火災(zāi)危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)盡可能少堆放可燃物。另外，根據(jù)各火源位置下室內(nèi)正中豎向布置的5 個(gè)電熱偶的溫度情況可知，火源位置類似的工況電熱偶變化隨時(shí)間的變化趨勢(shì)也類似。火源在迎風(fēng)口位置時(shí)的電熱偶溫度明顯比火源在背風(fēng)口位置時(shí)低。

3.3 通風(fēng)口尺寸對(duì)室內(nèi)火災(zāi)變化的影響

當(dāng)火源位置固定時(shí)，火災(zāi)發(fā)展趨勢(shì)受通風(fēng)口的尺寸影響很大。圖4 為不同通風(fēng)口（門）尺寸情況下火災(zāi)熱釋放速率對(duì)比圖。由圖可知：無(wú)通風(fēng)口時(shí)，在接近200s 時(shí)火災(zāi)熄滅而工況DS-4下，350s 之前，火災(zāi)熱釋放率微大于DS-2、DS-3 工 況，但 在350s 后，DS-4 明顯比前兩者的熱釋放率大，最后的火勢(shì)最嚴(yán)重。因?yàn)榭諝獾拇罅窟M(jìn)入，所以起到了助燃的作用。火災(zāi)熱釋放率會(huì)隨著通風(fēng)口尺寸的變大而變大，初始階段該影響不是很明顯（350s 之前），到一定階段會(huì)明顯受到通風(fēng)口大小的影響。另外，分析5 個(gè)熱電偶情況可知：全封閉環(huán)境中，火災(zāi)發(fā)生時(shí)溫度達(dá)到某一峰值后迅速下降，燃燒消耗氧氣后，燃燒逐漸終止；電熱偶溫度達(dá)到300℃左右后就迅速下降，直至常溫。隨著通風(fēng)口面積的增大，同一位置的電熱偶溫度峰值會(huì)相應(yīng)增大。

圖4 不同通風(fēng)口（門）尺寸下火災(zāi)熱釋放速率

4.結(jié)論

本文利用FDS （Fire Dynamics Simulator）軟件對(duì)室內(nèi)火災(zāi)進(jìn)行了模擬，得到以下結(jié)論：

（1）火源位置對(duì)室內(nèi)火災(zāi)的發(fā)展有著重要影響，當(dāng)火源位置附著或非常接近可燃物時(shí)，火災(zāi)熱釋放率較大，溫度較高，火勢(shì)猛烈；而當(dāng)火源位置遠(yuǎn)離周圍可燃物時(shí)，短時(shí)間內(nèi)火災(zāi)熱釋放率較小且較穩(wěn)定，因此，在實(shí)際的火災(zāi)預(yù)防中，火災(zāi)危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)盡可能少地堆放可燃物。

（2）當(dāng)火源處于通風(fēng)有利位置時(shí)，溫度增加速度減緩，熱釋放率較快，煙霧蔓延遲緩，而火源處于通風(fēng)不利位置時(shí)，熱釋放率明顯較前者小。

（3）通風(fēng)口尺寸變化在火災(zāi)剛開(kāi)始時(shí)影響不大，但當(dāng)火災(zāi)發(fā)展到一定階段，則其大小會(huì)對(duì)煙霧的擴(kuò)散蔓延趨勢(shì)產(chǎn)生重要影響。一般情況下，通風(fēng)口面積越大，熱釋放率增大，煙氣擴(kuò)散速率增加，而室內(nèi)溫度峰值有所下降。