柴油發(fā)電機(jī)房火災(zāi)危險性數(shù)值模擬研究

●陳同剛,朱德明

(天津市消防總隊,天津 300090)

1 研究方法簡介

本文的場模擬采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)局(NIST,National Institute of Standardsand Technology)發(fā)展的火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件 FDS5.2,該軟件是目前火災(zāi)危險性分析評估領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的場模擬軟件。它通過數(shù)值方法求解 Navier-Stokes方程以分析燃燒過程中煙氣流動和傳熱的過程。

2 火災(zāi)場景設(shè)置

根據(jù)某典型柴油發(fā)電機(jī)房的建筑設(shè)計特點,設(shè)置火災(zāi)場景如圖 1所示。場景長寬高三個方向尺寸分別為 12m、7m和 4m,劃分為 60×40×40共 96 000個網(wǎng)格,網(wǎng)格密度及大小適應(yīng) FDS的計算要求。假設(shè)柴油發(fā)電機(jī)房某供油系統(tǒng)發(fā)生泄漏,柴油流淌到地面上形成 0.8m×0.8m×0.01m大小的油池火,火源功率大小則參考易亮等實驗測量值選取0.476 MW,設(shè)定為 t2超快型增長火。

在火災(zāi)模擬中,設(shè)定如下監(jiān)測位置或監(jiān)測點：(1)通過火源取一截面(x=10m),觀察該截面上溫度分布情況。(2)在火源附近設(shè)置一溫度監(jiān)測縱軸線 ,對該縱軸線上 0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、3.5m幾個高度的煙氣溫度值進(jìn)行監(jiān)測。(3)按照人體高度考慮,在 1.8m高度處設(shè)立一監(jiān)測面,觀察該面能見度的變化情況。(4)為了分析發(fā)電機(jī)房中的能見度變化情況,在發(fā)電機(jī)房墻角(x=10m,y=1m)及火源附近(x=10,y=6)設(shè)置兩個能見度監(jiān)測縱軸,監(jiān)測該縱軸上 0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、3.5m幾個高度的能見度變化情況。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)房火災(zāi)環(huán)境模擬示意圖

3 柴油發(fā)電機(jī)房火災(zāi)模擬結(jié)果與分析

針對上述設(shè)定的火災(zāi)場景,模擬計算出火災(zāi)熱釋放速率、溫度分布、煙氣運(yùn)動、能見度分布等結(jié)果。

3.1 火災(zāi)熱釋放速率模擬結(jié)果與分析

圖2給出了發(fā)電機(jī)房柴油油池火的火災(zāi)熱釋放速率結(jié)果。由圖中可以看出,火災(zāi)經(jīng)過約 50s的快速增長后,達(dá)到穩(wěn)定燃燒階段。穩(wěn)定燃燒階段具有最大熱釋放速率,其值為 480kW左右,符合典型的油池火特性。

3.2 溫度值模擬結(jié)果與分析

柴油發(fā)電機(jī)房火災(zāi)溫度場的分布對于柴油機(jī)組、發(fā)電機(jī)組等設(shè)備以及建筑結(jié)構(gòu)等有重要影響。此外,在影響人員安全逃生的因素中,溫度是一個非常重要的影響因素。因此,模擬分析火災(zāi)溫度場對于火災(zāi)撲救具有十分重要的意義。根據(jù)經(jīng)驗,如果溫度升高到 60℃以上,將會對人員逃生造成不利影響。因此,需要分析研究該建筑在火災(zāi)情況下溫度發(fā)展規(guī)律。

圖2 火災(zāi)熱釋放速率曲線圖

3.2.1 整體溫度分布圖

如前所述,通過火源設(shè)置一截面(x=10)以觀察該截面的溫度分布情況。圖 3給出了 6個時間點的溫度分布結(jié)果。50s時,火災(zāi)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定燃燒階段,熱釋放速率達(dá)到最大值,這時發(fā)電機(jī)房的環(huán)境溫度最高近 300℃,而周圍溫度則相對較低。此后,到80s時,溫度進(jìn)一步升高,最高溫度達(dá)到 550℃,整個發(fā)電機(jī)房的環(huán)境溫度也達(dá)到 100℃以上。其后,至200s時,火焰一直處于穩(wěn)定燃燒階段,發(fā)電機(jī)房環(huán)境溫度進(jìn)一步升高。由圖 3可以看出,由于發(fā)電機(jī)組的阻隔作用,發(fā)電機(jī)組背離火源的一面溫度較低,而發(fā)電機(jī)房頂棚溫度一直維持在很高的溫度。此時,內(nèi)部溫度超過人體所能承受的極限溫度,這時人員逃生的難度很大,加上屋內(nèi)煙霧彌漫,氧濃度下降快,更增加了人員窒息的危險。所以人員的逃生幾率很小。

圖3 發(fā)電機(jī)房火災(zāi)溫度分布圖

3.2.2 監(jiān)測點溫度值

如前所述,在火源附近設(shè)置一溫度監(jiān)測縱軸線,對該縱軸線上 0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、3.5m幾個高度的煙氣溫度值進(jìn)行監(jiān)測。由圖 4監(jiān)測結(jié)果可知,隨著火災(zāi)的發(fā)生,時間越長,溫度越高,直至后面達(dá)到較穩(wěn)定階段;而且高度越高,煙氣溫度也越高。結(jié)果同時表明,由于靠近火源,煙氣運(yùn)行激烈,因而溫度監(jiān)測值擾動較大。

圖4 不同監(jiān)測點上的溫度值

3.3 煙氣運(yùn)動模擬結(jié)果與分析

大多數(shù)火災(zāi)都產(chǎn)生大量煙氣。由于火災(zāi)煙氣具有遮光性、毒性、高溫等特性,因而對人員的生命威脅最大。統(tǒng)計結(jié)果表明,火災(zāi)中 85%以上的死亡者是死于煙氣的影響。其中大部分是吸入了煙塵及有毒氣體(主要是 CO)昏迷后致死的。圖 5給出了 6個時間點的煙氣運(yùn)動情況。由圖 5可知,隨著時間的延續(xù),發(fā)電機(jī)房上方的煙氣濃度逐漸增大,隨著熱煙氣的不斷產(chǎn)生,熱煙氣將很快充滿整個發(fā)電機(jī)房上層空間。同時受濃度差的影響,垂直方向上的煙氣濃度差異慢慢減少,這也說明了隨著時間的延續(xù),煙氣層厚度在逐漸加大。當(dāng)時間為 50s時,煙氣開始從發(fā)電機(jī)房的門中溢出;當(dāng)時間為 60s時,火災(zāi)煙氣已經(jīng)充滿房間的整個上半部分空間;而至 300s時,煙氣已經(jīng)充滿整個發(fā)電機(jī)房,且有大量濃煙從機(jī)房大門冒出。因此,煙氣運(yùn)動的模擬結(jié)果,不僅可知道僅從經(jīng)驗層次上無法觀察到的詳細(xì)煙氣運(yùn)動情況,同時也可以根據(jù)其運(yùn)動情況,分析其可能的火災(zāi)蔓延情況。

3.4 能見度分布模擬結(jié)果與分析

煙氣能見度也是評價火災(zāi)煙氣危險性的重要參數(shù)。煙氣的能見度可能會影響到人員安全撤出建筑物的能力,而影響能見度的因素包括視線中微粒的量以及對眼睛的生理影響。一般來說,煙氣濃度越高則能見度越低。能見度低時,人員逃生時花費在確定逃生途徑和做出決定上的時間也都將延長,也增加了人員的恐慌心理。

圖5 煙氣運(yùn)動模擬結(jié)果

3.4.1 1.8m高度能見度分布

圖6 1.8m高度截面能見度分布

按照人體高度值及人員疏散的要求,選取 1.8m高度截面的能見度進(jìn)行分析,圖 6為能見度分布結(jié)果。由圖 6可知,40s時,煙氣層已經(jīng)開始下降到1.8m截面處。此后,50s及 55s時,能見度迅速下降。至 75s時,1.8m高度截面處的能見度只有 3～6m。至100s后,則幾乎降至 0m。由此可知,火災(zāi)發(fā)生后,煙氣層迅速下降,導(dǎo)致能見度迅速下降。40s時,煙氣層便降低到 1.8m高度,而后很快增加濃度,降低能見度,直至近乎為 0m。

3.4.2 監(jiān)測點處能見度值

如上所述,為了分析發(fā)電機(jī)房中的能見度變化情況,在發(fā)電機(jī)房墻角(x=10,y=1)及火源附近(x=10,y=6)設(shè)置兩個能見度監(jiān)測縱軸,監(jiān)測該縱軸上 0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、3.5m幾個高度的能見度變化情況。圖 7和圖 8分別為兩個監(jiān)測縱軸處的能見度數(shù)值。由圖可知,兩個監(jiān)測縱軸處,能見度的變化規(guī)律相同。初始能見度均為30m,火災(zāi)發(fā)生后,高度較高的點能見度迅速下降,依高度的下降而能見度依次開始下降,這是由于熱煙氣由房間頂部逐漸向下運(yùn)動的結(jié)果。

圖7 墻角處監(jiān)測點能見度值

圖8 火源附近處監(jiān)測點能見度值