高層建筑外立面U型結(jié)構(gòu)火蔓延特性數(shù)值模擬研究

李建濤，閆維綱，朱紅亞，王青松，孫金華＊

（1 天津市消防總隊(duì)重點(diǎn)保衛(wèi)處，天津，300090；2 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥，230026）

0 引言

我國(guó)高層建筑始于上世紀(jì)初并在上世紀(jì)末得到了發(fā)展，隨著城市化進(jìn)程的加快，城市高層及超高層建筑日益涌現(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)大約有20多萬(wàn)棟高層建筑，3000多棟超高層建筑。但是高層及超高層建筑的興起也伴隨著嚴(yán)峻的火災(zāi)安全問(wèn)題。近年來(lái)由于可燃和易燃外墻保溫材料的大量使用，使得由建筑外立面火蔓延誘發(fā)的重特大火災(zāi)事故頻繁發(fā)生，如2009年元宵節(jié)北京央視新樓配樓火災(zāi)、2010年上?！?115”靜安區(qū)高層住宅大火、2011年春節(jié)沈陽(yáng)第一高樓火災(zāi)等。高層建筑一旦發(fā)生火災(zāi)，不僅起火源多，而且火與煙氣蔓延非常迅速，可通過(guò)外立面燃燒形成內(nèi)－外交互蔓延的大規(guī)模立體火災(zāi)，撲救十分困難，易造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，社會(huì)影響嚴(yán)重。

正是基于對(duì)城市高層建筑火災(zāi)安全的重大需求，我國(guó)今年立項(xiàng)啟動(dòng)了973計(jì)劃“城市高層建筑重大火災(zāi)防控關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題研究”，從降低火災(zāi)發(fā)生、控制火災(zāi)蔓延和減少災(zāi)害損失三個(gè)方面全面提升高層建筑自身火災(zāi)防御能力。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)影響火蔓延特性的因素做過(guò)諸多研究，如材料組分、尺寸、初始溫度、粗糙度、放置角度、外界壓力、氧濃度、空氣濕度、風(fēng)速、火蔓延方向、外加條件等。然而對(duì)U型結(jié)構(gòu)的外立面火蔓延的研究較少。因此本文針對(duì)現(xiàn)代高層建筑新穎獨(dú)特的外觀設(shè)計(jì)，多樣化的外立面結(jié)構(gòu)，就高層公寓大量采用的U型外立面結(jié)構(gòu)對(duì)火蔓延特性的影響開(kāi)展了數(shù)值模擬研究。模擬了小尺度下豎直方向順流火蔓延的過(guò)程，給出了火蔓延速度、熱釋放速率、火蔓延溫度特性等參數(shù)，并分析給出了高層建筑外立面U型結(jié)構(gòu)火蔓延區(qū)別于普通平面結(jié)構(gòu)火蔓延的特點(diǎn)。

1 模擬方法

1.1 材料

鑒于硬質(zhì)聚氨酯泡沫（PU）［1－3］優(yōu)異的各項(xiàng)性能及在工程實(shí)際中的廣泛應(yīng)用，本文采用它作為模擬高層建筑火災(zāi)的外保溫材料。

PU是由多異氰酸酯和聚醚多元醇或聚酯多元醇或／及小分子多元醇、多元胺或水等擴(kuò)鏈劑或交聯(lián)劑等原料制成的聚合物泡沫塑料。表1給出了PU與傳統(tǒng)保溫材料的綜合性能，通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)它具有導(dǎo)熱系數(shù)低，使用壽命長(zhǎng)，溫度適用范圍廣，防火阻燃性能優(yōu)異，防水性能良好，尺寸穩(wěn)定性高，自粘接性能、耐老化性能、環(huán)保性能優(yōu)越等特點(diǎn)，因此PU得到大量使用。

表1 PU與傳統(tǒng)保溫材料的性能綜合對(duì)比Table 1 The properties comparison of PU with other insulation materials

1.2 火蔓延模型

本文模擬了高層建筑豎直方向順流火蔓延的特性。順流火蔓延即為火焰?zhèn)鞑シ较蚺c外界風(fēng)方向一致或者火焰由浮力誘導(dǎo)火焰貼壁向上蔓延，在順流火蔓延下，火焰、燃燒生成的混合氣體、燃燒產(chǎn)物作用于未燃材料從而促進(jìn)了火蔓延，通常為加速行為?；鹧娴臒崃總鬟f在初期即氣體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為層流時(shí)主要為對(duì)流傳熱，隨火焰的發(fā)展氣體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為湍流，火焰?zhèn)鳠嵋仓饕獮闊彷椛鋫鳠?。順流火蔓延的物理模型?－6］為圖1所示。

順流火蔓延速度方程：

其中，計(jì)算點(diǎn)火時(shí)間的表達(dá)式為：

假設(shè)火蔓延過(guò)程中火焰高度、熱解長(zhǎng)度近似不變，將式（2）代入（1），最后火蔓延速度的關(guān)系式可以表示為：

式中，xf為火焰高度，xp為熱解長(zhǎng)度，tig為點(diǎn)火時(shí)間，λ為材料的熱導(dǎo)率，v為氣流的速度，c為材料的比熱，Tig與T∞分別為材料的點(diǎn)燃溫度和環(huán)境溫度，˙q″為火焰通過(guò)材料表面的熱流量。

圖1 順流火蔓延的物理模型Fig.1 Upward flame spread model

1.3 模擬場(chǎng)景設(shè)置

FDS是美國(guó)NIST開(kāi)發(fā)的一種模擬火災(zāi)中流體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件［7－8］，通過(guò)數(shù)值方法求解受火災(zāi)浮力驅(qū)動(dòng)的低馬赫數(shù)流動(dòng)的N—S方程，同時(shí)用Smokeview軟件動(dòng)態(tài)顯示FDS的模擬結(jié)果，其準(zhǔn)確性得到了大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。正因FDS在火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)方面存在顯著優(yōu)勢(shì)，并且它的正確性和有效性也已得到了實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用的驗(yàn)證，本文采用FDS模擬計(jì)算高層建筑外立面U型結(jié)構(gòu)對(duì)典型保溫材料火蔓延行為的研究是可行的，可以得到真實(shí)合理的計(jì)算結(jié)果。

在本文的模擬中，將建筑的U型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為如圖2所示的模型，該模型在高度方向上有無(wú)限長(zhǎng)度，背面寬度為A，側(cè)面寬度為B，背面和側(cè)面覆蓋有熱厚型保溫材料。定義U型結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)因子α＝B／A，該結(jié)構(gòu)因子反映了U型結(jié)構(gòu)形成的凹槽的進(jìn)深程度。模擬中結(jié)構(gòu)參數(shù)α取值從0.4開(kāi)始，間隔0.2，遞增至 1.6。計(jì)算區(qū)域?yàn)?0.2m×0.3m×1.15m（X×Y×Z，下同），網(wǎng)格大小為0.005m×0.005m×0.005m，網(wǎng)格數(shù)量為552，000。在緊貼 U型材料底部處設(shè)置一個(gè)0.08m×0.03m×0.01m、溫度為1500℃的高溫物體，用于點(diǎn)燃保溫材料。網(wǎng)格的頂部和底部設(shè)置自由開(kāi)口，防止煙氣積累影響燃燒時(shí)候的煙氣流動(dòng)。其物性參數(shù)以及反映參數(shù)均為FDS數(shù)據(jù)庫(kù)中的參數(shù)。具體模型示例見(jiàn)圖3。

圖2 U型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型圖Fig.2 Simplified U shaped model

圖3 模型設(shè)置示意圖Fig.3 The model setting sketch

2 結(jié)果與討論

2.1 火蔓延速度

在不同結(jié)構(gòu)因子的影響下，火焰前鋒從底部0cm處蔓延至頂部100cm處所用的時(shí)間如圖4所示。根據(jù)圖可知，隨著結(jié)構(gòu)因子的增大，火焰從底端蔓延到頂端所用時(shí)間逐漸減小。這同樣說(shuō)明，結(jié)構(gòu)因子越大，火蔓延的速度也越快。這同樣是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)因子越大導(dǎo)致產(chǎn)生的煙囪效應(yīng)越明顯，進(jìn)而對(duì)火蔓延的加速作用越大，導(dǎo)致火蔓延速度越大。同時(shí)也可以從圖4中看出，火焰蔓延的加速隨結(jié)構(gòu)因子的增大存在一個(gè)減速的趨勢(shì)，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果類(lèi)似，是因?yàn)闊焽栊?yīng)對(duì)火焰蔓延的加速作用存在一定的極限。

圖4 各工況下火焰前鋒蔓延至100cm處所用時(shí)間Fig.4 Time used when flame spreads to 100cm

圖5 不同工況實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果的對(duì)比Fig.5 Comparison between experimental and simulation results

同時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如圖5所示。從中可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果在趨勢(shì)上非常吻合，均顯示出火蔓延速度隨結(jié)構(gòu)因子增大而增大的特性，而且均能夠反映出煙囪效應(yīng)的加速作用存在一定的極限。但是從具體數(shù)值上看，模擬結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果整體偏大，用時(shí)大約長(zhǎng)1s～2s，存在誤差的原因主要有兩方面，第一是由于計(jì)算資源不足導(dǎo)致計(jì)算區(qū)域不能足夠大，這會(huì)使得卷吸受到細(xì)微的影響，最終導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)偏差；第二是由于使用高溫物體引燃可燃物，0s時(shí)刻并不能立即引燃材料，材料的引燃存在一個(gè)較小的延遲，而處理實(shí)驗(yàn)視頻的時(shí)候則是直接從引燃可燃物的時(shí)刻開(kāi)始，導(dǎo)致模擬結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏大。

2.2 熱釋放速率

不同工況下熱釋放速率隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖6所示。對(duì)于同一種工況，隨著時(shí)間的增大，熱釋放速率成加速增加趨勢(shì)，這是由于火蔓延速度在加速增大，導(dǎo)致熱解區(qū)域不斷加速增大，進(jìn)而導(dǎo)致參與反應(yīng)的熱解氣的析出量加速增大，最終導(dǎo)致熱釋放速率加速增大。對(duì)于不同的工況而言，隨著結(jié)構(gòu)因子的增大，熱釋放速率的加速度逐漸增大，這是由于結(jié)構(gòu)因子增大有利于煙囪效應(yīng)的增大，進(jìn)而使熱釋放速率增大的加速度增大。同時(shí)，對(duì)于不同的工況，火焰蔓延到頂端時(shí)刻的熱釋放速率基本一致，這是因?yàn)槿紵巾敳繒r(shí)各個(gè)工況的總的熱解區(qū)域面積基本一致，最終導(dǎo)致熱釋放速率基本相同。

圖6 3種工況下熱釋放速率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.6 The heat release rate varying with time in 3cases

2.3 火蔓延溫度特性

為了研究火蔓延溫度特性，本文模擬了火焰區(qū)域切片的溫度場(chǎng)分布，首先以結(jié)構(gòu)因子為1.0的工況為例，不同典型時(shí)刻距離背板1.0cm處溫度場(chǎng)分布情況如圖7所示。從圖中可以看出，隨著火焰的逐漸蔓延，燃燒的狀態(tài)經(jīng)歷了兩個(gè)不同的階段。

第一個(gè)階段是燃燒剛剛發(fā)生的階段，如圖7（a）所示，在此階段中燃燒剛剛進(jìn)行不久，此時(shí)火焰形態(tài)成對(duì)稱(chēng)分布，在兩側(cè)側(cè)壁與背板夾角位置溫度較高，而靠近中心的位置則溫度比較低。

第二個(gè)階段是火焰逐漸加速的階段，如圖7（b）和（c）所示，在此階段中燃燒經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的發(fā)展，煙囪效應(yīng)的作用逐漸出現(xiàn)，導(dǎo)致火焰蔓延速度明顯加快，在t＝5s時(shí)750℃以上高溫區(qū)的位置大約在0.3m處，蔓延了約0.1m，而在t＝10s時(shí)，750℃以上高溫區(qū)的位置大約在0.7m處，蔓延了約0.6m，這也與前邊實(shí)驗(yàn)中得到的該工況下的火焰前鋒隨時(shí)間的變化的數(shù)據(jù)基本吻合。在此階段中，靠近中部的溫度場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性逐漸被破壞，這暗示著該階段中開(kāi)始出現(xiàn)一定強(qiáng)度的湍流并且湍流強(qiáng)度在逐漸增強(qiáng)。

這兩個(gè)階段的存在是有其內(nèi)在的原因的，首先，在第一個(gè)階段，火焰剛剛開(kāi)始蔓延，此時(shí)，煙囪效應(yīng)的作用還不太明顯，火勢(shì)還不太大，正如前邊實(shí)驗(yàn)部分所述，這個(gè)階段對(duì)應(yīng)于剛剛點(diǎn)火的初始階段，這個(gè)階段中熱煙氣的速度比較小，其向上運(yùn)動(dòng)引起的煙囪效應(yīng)比較小，致使這一階段中火蔓延速率比較?。煌瑫r(shí)，這個(gè)階段的的湍流強(qiáng)度比較小，火焰更加近似于層流火焰，因此這個(gè)階段的火焰的溫度場(chǎng)呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)性質(zhì)。而且靠近中心的溫度比較低并不能說(shuō)明背板上沒(méi)有著火，由于這個(gè)階段的火焰更近似于層流火焰，形態(tài)比較穩(wěn)定，再加上是貼壁燃燒，而此溫度截面距離背板1cm，因此此溫度截面上的靠近中心的溫度是比較低的。

其次，對(duì)于第二個(gè)階段而言，這個(gè)階段對(duì)應(yīng)于在煙囪效應(yīng)作用下的豎直火蔓延。經(jīng)過(guò)第一階段的發(fā)展，火焰強(qiáng)度逐漸增大，煙囪效應(yīng)強(qiáng)度逐漸增大，導(dǎo)致火蔓延速度逐漸加快，同時(shí)也導(dǎo)致U型結(jié)構(gòu)中的氣流速度逐漸增大，最終導(dǎo)致產(chǎn)生了較大的湍流，因此從溫度場(chǎng)截面圖上顯示，火焰形態(tài)的對(duì)稱(chēng)性被破壞。同時(shí)，由于火焰功率不斷增大以及湍流的混合作用，中心區(qū)域的溫度開(kāi)始明顯增高。

對(duì)于不同工況下某一時(shí)刻距離背板1cm處溫度場(chǎng)的分布情況圖8所示，以t＝10s時(shí)為例。從圖中可以看出，隨著結(jié)構(gòu)因子的增大，t＝10s時(shí)火焰蔓延到的高度在不斷增大，但是差異不大。而且各個(gè)工況此時(shí)均處于第二階段中，由于煙囪效應(yīng)的影響，導(dǎo)致各工況溫度場(chǎng)靠近中心部分都失去了對(duì)稱(chēng)性，這說(shuō)明在各個(gè)工況中都存在較強(qiáng)的湍流。

圖7 結(jié)構(gòu)因子1.0的工況下不同典型時(shí)刻距離背板1cm處溫度場(chǎng)分布Fig.7 The temperature distribution whenα＝1.0at the 1cm location

圖8 不同工況下t＝10s時(shí)距離背板1cm處溫度場(chǎng)分布Fig.8 The temperature distribution when t＝10sat the 1cm location

2.4 煙囪效應(yīng)對(duì)U型結(jié)構(gòu)豎直火蔓延行為的影響

根據(jù)模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)煙囪效應(yīng)在U型結(jié)構(gòu)豎直火蔓延中有著重要的影響作用。如圖9所示，火焰燃燒的時(shí)候會(huì)卷吸大量的新鮮空氣，在平面結(jié)構(gòu)中，由于火焰兩側(cè)不受限制，火焰可以很容易地從正面、兩側(cè)以及下方卷吸空氣，從正面以及兩側(cè)卷吸的空氣沒(méi)有豎直方向的速度，對(duì)火蔓延的影響比較小。但是對(duì)于U型結(jié)構(gòu)而言，由于火焰從兩側(cè)卷吸空氣受到側(cè)墻的限制，導(dǎo)致火焰只能從正面和下面卷吸空氣，U型結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)因子越大，火焰從正面卷吸空氣越困難。當(dāng)火焰從下面卷吸空氣的時(shí)候，卷吸進(jìn)來(lái)的空氣會(huì)帶有一個(gè)豎直方向的速度，這會(huì)加速熱煙氣的上升以及加速空氣與火焰的混合，與此同時(shí)，加速上升的熱煙氣會(huì)導(dǎo)致U型空間內(nèi)的氣體加速向上流出，這會(huì)反過(guò)來(lái)增強(qiáng)火焰的卷吸強(qiáng)度，增大從下方卷吸進(jìn)來(lái)的空氣的流速；而且由于U型結(jié)構(gòu)內(nèi)有較強(qiáng)的豎直方向的速度，導(dǎo)致加速上升的熱煙氣不容易與U型結(jié)構(gòu)之外的空氣混合，這些熱煙氣會(huì)沿著U型結(jié)構(gòu)凹槽上升，導(dǎo)致熱量更容易向未燃區(qū)域傳導(dǎo)，使未燃區(qū)更快地達(dá)到熱解溫度，最終起到加速火蔓延的作用。

根據(jù)速度場(chǎng)可以佐證煙囪效應(yīng)的存在，如圖10所示的是結(jié)構(gòu)因子為1.6時(shí)距離背板2cm處在15s時(shí)刻的速度場(chǎng)，從圖中可以清楚地看出，由于煙囪效應(yīng)的存在，火焰從下部卷吸上來(lái)的空氣已經(jīng)有了一定的初始速度。

圖9 煙囪效應(yīng)對(duì)U型結(jié)構(gòu)火蔓延的影響示意圖Fig.9 The chimney effect on fire spread in U shaped structure

圖10 結(jié)構(gòu)因子1.6工況下距離背板2cm處速度場(chǎng)在t＝15s時(shí)刻矢量圖Fig.10 The spread rate vector when t＝15s underα＝1.6at 2cm location

3 結(jié)論

本文針對(duì)高層建筑中常見(jiàn)的U型外立面結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際情況將建筑的U型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為模型，以硬質(zhì)聚氨酯泡沫（PU）為外保溫材料，對(duì)U型結(jié)構(gòu)豎直火蔓延行為進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到如下結(jié)論：

（1）U型結(jié)構(gòu)豎直方向的火蔓延是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)加速蔓延的過(guò)程，火蔓延速度會(huì)隨著時(shí)間的推進(jìn)逐漸加速。

（2）U型結(jié)構(gòu)在著火的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生煙囪效應(yīng)，煙囪效應(yīng)對(duì)火蔓延有促進(jìn)作用。熱釋放速率隨著結(jié)構(gòu)因子的增大而增大，同時(shí)，由于火焰蔓延至頂端時(shí)候的燃燒面積大小相似，導(dǎo)致其熱釋放速率基本相同。

（3）通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果溫度場(chǎng)的分析，發(fā)現(xiàn)燃燒可以分為兩個(gè)階段：其中第一個(gè)階段中火蔓延速率比較小，溫度場(chǎng)近似呈對(duì)稱(chēng)分布，這表明第一階段中流場(chǎng)比較平緩，湍流很??；而第二階段火蔓延速率明顯加速，溫度場(chǎng)不再稱(chēng)分布，說(shuō)明這一階段流場(chǎng)中出現(xiàn)較強(qiáng)的湍流，煙囪效應(yīng)影響明顯。

［1］趙治安，魯廣斌，魯健.聚氨酯泡沫塑料火災(zāi)危險(xiǎn)性分析及其防火措施［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2002，16：143－147.

［2］祁曉霞，王寧，李方敏.聚氨酯泡沫塑料的火災(zāi)危險(xiǎn)特性及安全對(duì)策［J］.消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2000（10）：16－17.

［3］盛恩善，俞有湛.聚氨酯硬泡技術(shù)在建筑節(jié)能領(lǐng)域中的應(yīng)用［J］.住宅科技，2008（1）：15－17.

［4］Dineno PJ.SFPE handbook of fire protection engineering［M］，National Fire Protection Association，2002.

［5］Bar－llan A，Putzeys OM，Rein G，F(xiàn)ernande－Pello AC，Urban DL.Transition from forward smoldering to flaming in small polyurethane foam samples［J］，Proceedings of the Combustion Institute，2005，30（2）：2295－2302.

［6］Bar－llan A，Rein G，Walther DC，F(xiàn)ernandez AC，Tovero JL，Urban DL.The effect of buoyancy on opposed smoldering［J］，Combustion Science and Technology，2004，176（12）：2027－2055.

［7］楊光.地下大空間建筑火災(zāi)煙氣運(yùn)移的計(jì)算機(jī)模擬［D］.沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院，2006.

［8］連振興.細(xì)水霧滅火數(shù)值模擬研究［D］.中北大學(xué)，2008.