室內(nèi)火災(zāi)轟燃噴出火焰的數(shù)值模擬研究

●王婷婷，宋 飛

(上海市消防總隊，上海 200051)

隨著現(xiàn)在建筑結(jié)構(gòu)特點的變化，保溫性能好、安裝簡易的可燃性墻體得到廣泛使用。而建筑室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，特別是轟燃發(fā)生后，火焰通常會通過外墻窗口向外噴出。有時，噴出火焰的規(guī)模之大，延伸距離之長，使其既能破壞外墻墻體，又能使火災(zāi)向上蔓延，甚至對周圍建筑構(gòu)成威脅。此類建筑的結(jié)構(gòu)特點也更加突出了噴出火焰的危害性[1－2]。由于轟燃發(fā)生后測量表征噴出火焰的一些參數(shù)具有一定的難度，因此多年來人們往往疏于這方面的實驗研究。此外，有些估計建筑火災(zāi)噴出火焰熱輻射危害的方法已經(jīng)用了多年，隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，建筑的功能和樣式趨于多樣化，由這些方法得到的結(jié)果與實際情況往往相差較大。近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，利用數(shù)值模擬研究轟燃后噴出火焰問題已成為一大趨勢。

1 研究的條件與場景

1.1 數(shù)值模擬條件與場景

本文計算機(jī)模擬主要采用了FDS軟件，在模擬噴出火焰的輻射熱通量時還采用了MATLAB軟件。其中，F(xiàn)DS采用數(shù)值方法求解一組描述熱驅(qū)動的低速流動的Navier－Stokes方程，重點是計算火災(zāi)中的煙氣流動和熱傳遞過程。CFD模型需要把房間分成很多小的三維矩形控制體或計算單元，模型計算每個單元?dú)怏w的密度、速度、溫度、壓力和組分濃度?；谫|(zhì)量平衡、動量平衡、組分平衡和能量平衡，模型可以追蹤火災(zāi)氣體的產(chǎn)生和移動[3]。FDS可以利用家具、墻壁、地板和頂棚的材料特性來計算火災(zāi)的增長和蔓延。表1列出了模擬中使用的12組火災(zāi)場景條件，這些場景均按照對應(yīng)的實驗條件進(jìn)行設(shè)置。為使模擬結(jié)果代表性更廣泛，這些場景中使用了不同的內(nèi)襯材料、通風(fēng)因子和燃料面積。其中，熱釋放速率是根據(jù)實驗中測得的燃料質(zhì)量損失速率的最大值，結(jié)合燃料的燃燒熱得到的?？紤]到FDS軟件的計算原理以及使用的燃燒模型，對小規(guī)模條件下的火災(zāi)過程進(jìn)行模擬，分別模擬得出箱內(nèi)4個熱電偶處(分別與小規(guī)模實驗箱中位置相同)的溫度、開口上沿(即噴出火焰根部)溫度、箱外0.15或0.2cm處的輻射熱通量的變化情況。

表1 模擬場景條件

1.2 實驗條件與場景

小規(guī)模實驗主要裝置是SNHZ－01實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由火災(zāi)實驗箱、火災(zāi)數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)和上位機(jī)等部分組成。實驗箱外部尺寸為0.68m長、0.42m寬、0.42m高。在面積較小的一側(cè)面上設(shè)有一個開口，高為0.225m，寬度可以在0.285m范圍內(nèi)自由變化。火災(zāi)數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)主要由熱電偶、多路火災(zāi)信號檢測儀、輻射熱流計及電子天平等組成。由著名的MQH法[4]知，影響室內(nèi)火災(zāi)的主要因素包括:燃料面積、通風(fēng)因子、內(nèi)襯材料熱慣性以及室內(nèi)空間尺寸[5]。實驗中通過分別改變?nèi)剂厦娣e、開口大小及內(nèi)襯材料種類來設(shè)置不同的實驗場景。在實驗中采用了礦棉板、硅鈣板等6種熱慣性不同的材料作為內(nèi)襯材料，其中既有一些傳統(tǒng)的常用建筑內(nèi)襯材料，也有一些被現(xiàn)代建筑中廣泛使用的新型材料。選取有機(jī)玻璃和煤油兩種代表性固體和液體物質(zhì)作為燃料，它們的燃燒較為穩(wěn)定，物理及熱參數(shù)易于查找，是小規(guī)模室內(nèi)火災(zāi)實驗常用的材料。

2 模擬結(jié)果及應(yīng)用初探

2.1 根部溫度和平均溫度

由模擬結(jié)果與實驗觀察可知，在無室外風(fēng)條件下，得出的噴出火焰模擬結(jié)果與實驗中觀察到的真實噴出火焰基本相同，模擬效果符合實際情況。在有室外風(fēng)條件下，噴出火焰將向風(fēng)向的反方向傾斜，從而將增加其對風(fēng)向反方向目標(biāo)的威脅。表2列出了無風(fēng)條件下噴出火焰根部溫度和平均溫度的實測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果。表2結(jié)果表明:噴出火焰根部溫度和平均溫度的模擬值與實測值比較一致，相對誤差在絕大多數(shù)情況下沒有超過10%，在工程計算許可的誤差范圍內(nèi)。進(jìn)一步的誤差分析結(jié)果表明，根部溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差和線性相關(guān)系數(shù)分別為91.7K和0.75，而平均溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差和線性相關(guān)系數(shù)分別為45.8K和0.95，即后者模擬值與實測值的一致性比前者的要好。另外，從表2還可看出，無論是根部溫度還是平均溫度，模擬結(jié)果在多數(shù)情況下比實測結(jié)果要高一些，最大高出差值達(dá)到15%。原因可能是模擬場景終究為有限空間，只有箱內(nèi)及噴出火焰所需的那部分箱外空間，而火災(zāi)實驗中的外部空間則十分大，外部空氣的流動性更好，內(nèi)外更大的溫差使得箱內(nèi)熱煙氣與外界冷空氣間的熱對流、熱傳導(dǎo)更為容易，模擬中的邊界條件導(dǎo)致的熱損失速率與實際的失熱過程有一定的偏差。

表2 溫度實測值與數(shù)值模擬結(jié)果

2.2 輻射熱通量

表3列出了轟燃后噴出火焰對外的輻射熱通量的實測結(jié)果和模擬結(jié)果(帶“*”的數(shù)據(jù)為距離實驗箱開口0.2cm遠(yuǎn)，高出地板0.15cm處的值，其余為距離實驗箱開口0.15cm，高出地板0.15cm處的值)。圖1描述了在某種條件下，噴出火焰輻射熱通量的實測結(jié)果和模擬結(jié)果對比的情況。表3所列和圖1所示的結(jié)果都表明:轟燃后噴出火焰對外輻射熱通量的模擬結(jié)果與實測結(jié)果比較一致。與溫度對比的結(jié)論相似，輻射熱通量的模擬值在多數(shù)情況下比實測值要高一些，原因類似。

表3 輻射熱通量峰值的實驗結(jié)果與模擬結(jié)果

2.2 應(yīng)用初探

圖1 噴出火焰輻射熱通量模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比

現(xiàn)以某一會議室為對象，對其中發(fā)生轟燃后噴出火焰的輻射熱通量進(jìn)行模擬計算。假設(shè)該會議室的空間參數(shù)如表4所列。室內(nèi)轟燃后，室內(nèi)火災(zāi)存在于整個室內(nèi)，隨著燃燒速率的增加，室內(nèi)將可能出現(xiàn)高達(dá)1 100℃的高溫，而且有火焰噴出現(xiàn)象。利用FDS軟件，結(jié)合MATLAB軟件，得到不同情況下噴出火焰的輻射熱通量數(shù)值模擬結(jié)果，如表5所列(表中d為室外某點(P)距通風(fēng)口水平距離;h為該點高出室內(nèi)地板面高度)。由表5可知，隨著點P距通風(fēng)口水平距離的增大，高出室內(nèi)地板面高度的增大，受到的熱輻射通量逐漸減少，模擬計算的結(jié)果是合理的，也是符合實際的。

表4 某會議室空間參數(shù)

表5 不同情況下的輻射熱通量值

3 結(jié)論

對于小規(guī)模轟燃后室內(nèi)火災(zāi)而言，噴出火焰根部溫度、平均溫度和對外輻射熱通量的數(shù)值模擬結(jié)果與實驗測得結(jié)果比較一致，誤差在工程誤差允許范圍之內(nèi)。利用FDS等對轟燃后噴出火焰較為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，可用來解決大規(guī)模實際轟燃后室內(nèi)火災(zāi)噴出火焰的有關(guān)問題，某會議室發(fā)生轟燃后噴出火焰輻射熱通量的模擬結(jié)果說明了這一點。

[1]公安部消防局.中國火災(zāi)統(tǒng)計年鑒[M].北京:中國人民公安大學(xué)出版社，2001.

[2]CHOW W K.Preliminary studies of a large in Hong Kong[J].Journal of Applied Fire Science，1997，6(3):243 －268.

[3]范維澄，等.火災(zāi)學(xué)簡明教程[M].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1995:387 －389.

[4]BUDNICK E K，KLEIN D P.Mobile home fire studies:summary and recommendations[R].Natl Bur Stand(U.S.)，NBSIR 79 －1720，1979.

[5]McCaffrey B J，QUINTIERE J G，HARKLEROAD M F.Estimating room fire temperature and the likelihood of flashover using fire test data correlation[J].Fire Technology，1981，17(2):98－119.