半圓筒狀充氣膜不同火災場景下溫度場分布特性

申躍奎 王張萍 彭成波

（西安建筑科技大學土木工程學院，西安710055）

半圓筒狀充氣膜不同火災場景下溫度場分布特性

申躍奎 王張萍*彭成波

（西安建筑科技大學土木工程學院，西安710055）

利用計算流體動力學FDS軟件分析不同火災場景下充氣膜結構的火災特性，重點分析了單一火源在不同位置、風扇進氣量、內壓及排煙口時的膜面溫度場分布。結果表明：離膜面較遠的火源，其縱向溫度分布較均勻，環(huán)向溫度分布梯度懸殊；離膜面較近的火源，縱、環(huán)向溫度分布梯度都較小，溫度較為均勻。風扇打開只會顯著降低風扇口處的膜面溫度，對膜面整體降溫效果不明顯。內壓對膜面溫度場分布基本無影響。采用自然排煙系統時，膜面整體降溫效果不佳，需采取合理的機械排煙方法。

充氣膜結構，FDS，數值模擬，溫度場分布

1 引 言

充氣膜結構作為一種特殊的大跨空間結構，其火災特性與傳統建筑相比有著明顯的區(qū)別：充氣膜結構屬于富氧空間，發(fā)生火災的安全隱患多；結構屬于封閉式的，排煙口少而小，自然排煙受到很大限制，且為防止內壓泄露，出入口處一般都采用氣鎖門，門洞尺寸較小，不利人員疏散；內部空間大，煙氣縱橫向蔓延速率快，空間中任一點離出口距離遠，疏散時間長；僅靠空氣支承，內部無梁柱支撐物，一般建筑中的防煙劃分方式不再適用；消防人員對該類建筑接觸不多，經驗不足，火災撲救難度大等，因而我國現行的防火規(guī)范已不再適用。國內外近年來多數采用性能化防火設計方法［1，2］，針對不同的結構建立不同的火災模型，探索空間及結構構件的溫度場在時空上的分布，進而考慮材料屬性，分析火災中結構整體受力性能，其中準確計算溫度場的分布是問題的關鍵。

雖然膜材多數是難燃或不燃材料，能夠有效阻止火焰擴散，但一旦發(fā)生火災后，當環(huán)境溫度達到膜材熱分解溫度時，膜材不但被燒融燒穿，而且會生成大量有毒氣體。此外，為了滿足外觀和承載力需求，一般膜面有鋼索加固，高溫下鋼索預應力的損失、材料力學性能的改變等均會對結構承載力產生嚴重影響，因而對火災作用下結構溫度場分布特性進行深入研究至關重要。國內外在充氣膜結構火災性能方面的研究甚少：德國建筑材料研究所及魏瑪探礦安全研究所對直徑為25 m、有防火聚氯乙烯涂層的聚酰胺織物制造的半球體薄膜進行過一些火災試驗［3］，利用4種不同火源測試了火焰的發(fā)展、煙氣的流動、著火的洞口尺寸及房屋坍陷等情況，并得出相關結論。瑞典研究實驗室也進行了類似試驗［4］，研究了不同涂層、不同風速的氣承式充氣膜結構在同一火源作用下的火災發(fā)展情況。美國馬里蘭大學的Custer教授［5］對不規(guī)則的聚乙烯涂層充氣索膜結構進行火災試驗，通過觀察膜材的燃燒性能、對比膜材內外表面溫度及結構失效過程，探討了火災作用下充氣膜結構的失效模式，得出如下結論：膜材外表面溫度較室內溫度低，隨著火災的發(fā)展，膜材撕裂出現破洞，煙氣和內壓不斷外泄，結構逐漸坍塌；風扇開啟后，內壓得到及時補充，煙氣的上浮力可延緩結構倒塌；實際工程中為避免膜材破損及結構破壞，應選用熔點高性能好的材料等。國內對充氣膜結構的抗火性能研究還處于起步階段，可供參考的文獻不多。中國礦業(yè)大學的朱國慶教授［6］利用FDS軟件對一充氣膜煤棚進行數值模擬，以性能化防火設計為基礎，從人員安全疏散角度出發(fā)，分析了不同火源位置時結構內部的煙氣流動特性，包括煙氣層溫度、CO濃度及煙氣能見度，并對人員能否安全撤離作出判斷。

傳統的結構抗火研究主要是進行結構受真實火災的試驗研究。由于進行整體結構火災試驗費用大、耗時長［7］，本文基于FDS數值模擬軟件，以半圓筒狀充氣膜結構為研究對象，分析不同火災場景下膜面溫度場分布特性，為相關工程提供參考。

2 軟件模擬的實驗驗證

2.1 FDS軟件簡介

FDS軟件是美國NIST建筑與火災研究實驗室開發(fā)的基于場模擬的一種火災模擬程序。場模擬的基本原理是［8］：將著火空間離散化，劃分為許多三維小單元，然后運用計算流體動力學（CFD）和計算燃燒學理論對每一個小單元建立質量、能量、動量守恒方程和氣體狀態(tài)平衡微分方程，并進行數值求解，得出火災中各物理參數在時空上的變化。

FDS模型簡述：

（1）流體動力學模型：一般包含兩種數值模擬方法，即直接數值模擬（DNS）和大渦模擬（LES），由于DNS自身的缺陷，FDS計算時一般都采用大渦模擬［9］。

（2）燃燒模型：LES采用混合分數模型，DNS采用有限反應模型。

（3）熱輻射模型：FDS一般采用有限容分法（FVM），該法所得離散方程組的物理意義明確，且可以保證整個區(qū)域的守恒特性，優(yōu)勢明顯［10］。

（4）邊界條件：FDS中所有固體介質表面均需定義相應的材料燃燒特性和熱邊界條件，建模時可從軟件數據庫中直接調用；對于壁面熱交換，LES模擬時一般采用經驗公式計算，DNS則直接利用理論方法求解。

FDS建模步驟：確定目標物的詳細資料→建立FDS數據庫（包括模型的建立和詳細的熱邊界條件等）→執(zhí)行FDS→查看smokeview，校核結果，提取結果文件。

2.2 實驗驗證

1972年美國Hopkinson教授對半筒狀充氣膜結構做了大量火災實驗［11］，包括7個煙氣實驗和3個火災破壞實驗，本文以此為參考，以便驗證FDS分析充氣膜結構的可行性。實驗內容如下：實驗模型水平投影長×寬＝19 m×9 m，高4 m，初始環(huán)境溫度為37℃，內壓130 Pa，風扇打開通風，排煙口關閉，觀察員在室內全程記錄，4 min時打開門，觀察員出來，結構內部共設有10個熱電偶（分別位于1.8 m高處和膜頂面），燃料為1 L汽油，置于結構中央，燃燒時間10 min。

軟件模擬時，利用PYROSIM軟件建模，導入FDS，并定義材料燃燒特性、熱邊界條件及相應的燃燒反應，取均勻網格0.05 m×0.05 m×0.05 m，測點布置同實驗?；鹪礋後尫潘俾是€如圖1所示，實驗所得溫度變化曲線與FDS模擬結果對比如圖2所示。

圖1 火源熱釋放速率曲線Fig.1 HRRPUA curve

由圖1可知，火源熱釋放速率于240 s左右降為0，說明此刻材料已燃燒完。圖2中屋頂及1.8 m處溫度首先隨著火源熱釋放率的增大而不斷上升，當材料燃盡后，溫度開始下降。可見，室內溫度的變化與火源熱釋放速率密切相關，曲線變化趨勢相一致。比較圖2中不同測點的溫度分布可知，FDS模擬結果與實驗所得數據吻合較好，實際中汽油燃燒過程復雜，質量損失、燃燒速率、輻射熱等是隨機變量，軟件模擬只能在一定簡化的基礎上進行，所以二者曲線不能完全重合，有一定差別，但整體而言，FDS軟件可以較好地用來模擬充氣膜結構的溫度場分布。

3 不同火災場景下膜面溫度場分布特性

圖2 屋頂及1.8 m處溫度變化曲線Fig.2 Temperature on the roof and at 1.8 m

本文以30 m×15 m×7.5 m的半圓筒狀充氣膜結構作為研究對象，綜合考慮計算結果的準確性和運行總時間，選用0.25 m×0.25 m×0.25 m的網格，單元總數為230 400。以1.5 m×1.5 m ×0.005 m的PMMA熱塑性材料作為燃料，燃燒功率參考文獻［12］的實驗數據，以邊長0.25 m的立方塊作為穩(wěn)定火源，熱釋放速率為500 kW／m2，忽略火源的影響。設環(huán)境溫度為20℃，燃燒時間為800 s，熱電偶緊靠膜面布置，分析不同火災場景下膜面溫度場分布規(guī)律。具體模型及測點布置如圖3所示。

圖3 模型幾何尺寸及測點布置（單位：m）Fig.3 Model size and arrangement ofmeasuring points（Unit：m）

3.1 不同火源位置

設充氣膜內壓為250 Pa，門、風扇及排煙口均不打開，分析火源位于結構中央（火源1）、離墻面1 m（火源2）和主軸1／4（火源3）處的燃燒情況。

選取各情況下的典型測點，不同火源位置時膜面溫度場分布及切片Y＝0處煙氣溫度云圖分別見圖4、圖5。

圖4反映了膜面溫度場變化規(guī)律：同一情況不同測點膜面溫度分布很不均勻，溫度梯度懸殊，火源正上方煙羽流影響區(qū)域內溫度較高，最高達到150℃，遠離火源處溫度梯度逐漸減小。溫度曲線于600～700 s出現下降段，說明此時材料燃盡，熱釋放速率減小，煙氣溫度下降。火源正上方火焰發(fā)展不穩(wěn)定，上下波動大，因而其測點溫度曲線較不光滑；而遠離火源處曲線較為平緩、光滑。圖4（a）、圖4（c）可知，遠離膜面的火源1，3，膜面溫度場分布規(guī)律較相似：對于縱向，離火源越遠，沿縱向布置的測溫度越低（如1，5，6點）；對于環(huán)向，距地面越近或Z值越小，溫度越低（如1，2，3，4點）；沿縱向布置的測點，除火源正上方外，溫度梯度相差不大，溫度分布較均勻，而沿環(huán)向布置的測點，溫度梯度相差明顯，溫度分布不均勻，且高溫區(qū)集中于膜頂面，這與煙氣流動規(guī)律相適應：火源1，3正上方膜面位于結構最高處，熱煙羽流沿著火源中心迅速向上運動，到達頂面后形成頂棚射流，向四周拓展，同時由上至下蔓延，蔓延過程熱量不斷損失，因而以火源正上方為中心，溫度沿膜環(huán)向從上至下逐級降低。從圖4（b）可看出，離膜面較近的火源2，膜面溫度場分布規(guī)律是：溫度沿橫軸對稱分布；無論縱向或環(huán)向，離火源越遠，溫度越低（如3，10，11，7點或3，2，1，12點）；除火源正上方外，縱向布置的測點有一定溫差，但最大溫差不超過10℃，環(huán)向布置的測點溫度梯度甚小，即火源2膜面溫度分布在縱、環(huán)兩方向都比較均勻?？梢姡鹪?環(huán)向膜面溫度分布規(guī)律與火源1，3存在較大差異，這是因為火源2位于橫截面端部，離墻面較近，其正上方膜面高度距地面較小，熱煙氣沿環(huán)向流動規(guī)律不同于火源1，3。對于火源1，3，膜頂面煙氣縱向流動迅速，沿環(huán)面向下運動緩慢，不同高度煙氣層溫度梯度較大。對于火源2，煙羽流到達火源正上方膜面后，沿縱向迅速蔓延的同時，由于熱煙氣層溫度較高、密度較小，上浮力推動作用下煙氣沿火源一側環(huán)向膜面不斷向上運動，且運動速度較快，熱量損失較小，溫度梯度相差不大，直至煙氣到達頂棚運動受阻后，則沿著另一側環(huán)向膜面逐漸向下運動，熱量局部損失，存在部分溫度梯度，但整體而言，火源2膜面沿環(huán)向溫度分布較均勻。

圖4 不同火源位置時測點溫度分布圖Fig.4 Temperature distribution under different fire source positions

圖5 不同火源位置Y＝0處溫度切片云圖Fig.5 Temperature field at Y＝0 under different fire source positions

圖5反映了結構內部溫度在豎向空間的變化及煙羽流運動情況：溫度在豎向呈層狀分布，相鄰兩層溫度梯度約6℃，上層溫度高，底層溫度低。同一火源不同時刻，800 s時頂面第二煙氣層厚度較400 s明顯增加，整體煙氣層下沉。火源1，2溫度在縱向切面沿羽流中心呈對稱分布；火源1，3在整個垂直平面內溫度數值基本相同；火源2中上層溫度較火源1，3低9℃左右，下層煙氣溫度基本相同，這是因為火源2離縱軸較遠，熱煙氣沿火源正上方較低膜面向頂面蔓延時熱量損失所致。

3.2 不同風扇進氣量

選用火源1，初始內壓250 Pa，門于200 s時打開，排煙口關閉，風扇全程打開并吹入20℃的空氣，分析不同氣流量2.5 m3／s（情況一）、3.5 m3／s（情況二）、4.5 m3／s（情況三）的溫度場變化情況。選取測點1，7，8，9，膜面溫度場分布見圖6，切面Y＝0處煙氣溫度云圖見圖7。

圖6 不同氣流量時測點溫度分布圖Fig.6 Temperature distribution under different air inflows

圖7 不同情況Y＝0處溫度切片云圖Fig.7 Temperature field at Y＝0 under different situations

由圖6可知：風扇和氣鎖門打開后，冷氣流的進入及熱煙氣的流出可適當降低膜面溫度。1點位于火源正上方，情況二和情況三由于氣流量較大，風扇口附近氣體對流現象明顯；而情況一氣流量小，影響相對較小，曲線變化趨勢與風扇關閉時基本接近；但氣流量越大，膜面溫度不一定降低越多，這與火焰發(fā)展趨勢有關。7點離風扇口較近，受冷空氣影響較大，情況一、二、三分別在100 s、 250 s和350 s時開始升溫，說明風扇影響區(qū)域內，氣流量越大，煙氣持續(xù)室溫的時間越長，膜面受溫度應力影響時長越短，對結構較有利。8點遠離風扇，情況三較情況一、情況二影響稍大，溫度降低10℃左右。9點靠近風扇口，受冷氣流影響最為明顯，降溫效果顯著，膜面溫度偏低，接近室溫，與風扇關閉時相比，溫度梯度明顯，相差20℃左右。

選取溫度較高t＝640 s時的切片云圖進行分析比較，由圖7可知：溫度在豎向呈層狀分布，風扇打開左側煙氣形成一定漩渦，溫度層分界面不規(guī)則，漩渦部分溫度相對周邊稍低，氣流量越大，漩渦部分越明顯。與風扇關閉時相比，情況三中上部煙氣溫度降低約10℃，情況一、二溫度基本無變化。從左側門洞處云圖可看出，氣流量越大，煙氣泄漏量越多。

可見，氣流量越大，火源功率越不穩(wěn)定；風扇打開只對風扇口處膜面起到降溫作用，其余區(qū)域降溫效果不明顯；風扇氣流量的大小對縱向膜面降溫有一定影響，氣流量大，膜面溫度降低較多（火源正上方除外）；氣流量越大，門洞處煙氣泄漏量越多。

3.3 不同內壓

選用火源1，設充氣膜內部全封閉，分析不同內壓150 Pa（情況一）、250 Pa（情況二）和350 Pa（情況三）時的燃燒情況，溫度場分布見圖8。

圖8 不同內壓時測點溫度分布圖Fig.8 Temperature distribution under different internal pressures

氣承式充氣膜結構屬于低壓結構體系，正常使用狀態(tài)下，室內氣壓一般為室外的1.001～1.003倍，所以本文分析的內壓符合實際要求。由圖8可知，圖中1點處溫度變化曲率稍有不同，其余各點溫度曲線基本重合，這說明內壓對膜面溫度場分布及材料燃燒功率基本無影響，與文獻［13］中Hietaniemi所提出的熱釋放速率修正公式的計算結果相吻合。1點處的誤差主要是因為該點位于火源正上方，火源熱釋放速率自身很不穩(wěn)定，波動幅度較大，內壓作用下火焰發(fā)展受一定影響，達到極值點的時間不同。

3.4 不同排煙口

選用火源1，內壓250 Pa，采用自然排煙，200 s時打開排煙口，由于充氣膜結構氣密性要求高，所以開口尺寸不宜過大，假設排煙口面積為0.1 m×0.1 m，模擬過程門、風扇均關閉，分析不同開口位置：側排開或頂排開時的燃燒情況，并與全封閉時做比較，選擇測點1，2，3，6，膜面溫度場分布見圖9，切面Y＝0處煙氣溫度云圖見圖10。

圖9 不同開口位置時測點溫度分布圖Fig.9 Temperature distribution under different open positions

圖10 不同開口位置時測點溫度分布云圖Fig.10 Temperature field under different open positions

由圖9可知：火源正上方1點三種情況下膜面溫度場分布規(guī)律基本相同，這是因為火源正上方受強熱輻射影響，膜面是否開口對其溫度無影響。遠離火源的縱向或環(huán)向測點，有著相似的分布規(guī)律：側排打開時，膜面溫度與封閉狀態(tài)下相比稍有降低，約3℃；頂排打開時，膜面溫度降低相對前者而言較為明顯。可見，火災發(fā)生時頂排打開較側排打開對膜面溫度降低更有利。但由于受到洞口尺寸限制，整體而言自然排煙法對膜面降溫效果較差，應采取合理的機械排煙方式。

選取溫度較高t＝640 s時的切片云圖進行分析比較，由圖10可知：自然排煙口打開對煙氣垂直平面內的層狀分布特性基本無影響；頂排開啟時中上層煙氣溫度較側排打開時低5℃左右，下層煙氣溫度無明顯變化；排煙口附近熱煙氣由于受到室外冷空氣對流影響，膜面溫度較其余位置低5℃～10℃。

4 結 論

（1）豎向煙氣溫度呈層狀分布，溫度由上至下逐層降低；隨著時間的增加，熱煙氣層會不斷下降，熱煙氣層厚度增加。

（2）離膜面較遠的火源，縱向膜面溫度較均勻，溫度梯度小，而環(huán)向膜面溫度均勻性差，溫度梯度相差懸殊；離膜面較近的火源，縱、環(huán)向膜面溫度分布都比較均勻，溫度梯度相差較小。

（3）風扇打開，風扇口附近煙氣呈旋渦狀，豎向溫度層分界面不規(guī)則；冷空氣進入僅對風扇口處膜面起到明顯降溫作用，其余區(qū)域降溫效果不明顯；風扇氣流量的大小對縱向膜面降溫有一定影響，氣流量大，膜面溫度降低較多（火源正上方除外），門洞處煙氣泄漏量越多。

（4）若采用自然排煙，頂排打開時膜面降溫效果較側排好，但由于開口尺寸較小，整體降溫效果不佳，應采取合理的機械排煙系統。

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Tem perature Field Distribution Characteristics of Half Cylinder Pneumatic M embrane Structure under Different Fire Scenarios

SHEN Yuekui WANG Zhangping*PENG Chengbo
（School of Civil Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China）

A CFD soft ware package，FDS，was used to simulate burning characteristics of air-supported structures under different types of fire scenarios.Temperature distributions onmembrane surfacewere analyzed with factors including a single fire source located at divergent location，air supply，internal pressure and smoke vent.The results show thatwhen the fire source is far from membrane surface，the temperature along the longitude direction is uniform；butwhen the fire source is close tomembrane surface，the temperature gradient is small along both the longitude and transverse directions.When the fan is open，temperature just near the fan drops off，while the cooling effect is not prominenton allmembrane surface.Internal pressure has no effect on temperature.Additionally，when the natural smoke extraction system is open，the cooling effect is poor.Mechanical smoke exhaust systems should be used in practical engineering projects.

air-supported structure，FDS，numerical simulation，temperature distribution

2013－11－08

*聯系作者，Email：869130645＠qq.com