火源位置對(duì)大空間建筑火災(zāi)煙氣蔓延影響研究

張南燕，唐　婕

(1.南通市消防支隊(duì)，江蘇 南通　222300； 2.賀州市消防支隊(duì)，廣西 賀州　542800)

?

火源位置對(duì)大空間建筑火災(zāi)煙氣蔓延影響研究

張南燕1，唐婕2

(1.南通市消防支隊(duì)，江蘇 南通222300； 2.賀州市消防支隊(duì)，廣西 賀州542800)

大空間建筑越來越多的運(yùn)用于商場、體育館、機(jī)場和車站等公共建筑，大空間的火災(zāi)危險(xiǎn)性也隨之增加。由于大空間建筑的特點(diǎn)，火災(zāi)發(fā)生后煙氣蔓延較快，不同火源位置對(duì)煙氣的蔓延有一定影響。為了考察火源位置對(duì)大空間建筑火災(zāi)煙氣的影響，利用FDS軟件，對(duì)三種典型火源位置的大空間火災(zāi)進(jìn)行模擬研究，結(jié)果表明：火源位置的改變，對(duì)火源附近的煙氣溫度有較大影響，但隨著離火源距離的增加，煙氣溫度與火源位置的關(guān)系減弱；火災(zāi)穩(wěn)定后，煙氣層高度與火源位置的相關(guān)性較大。

消防；大空間火災(zāi)；數(shù)值模擬；煙氣

0　引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，各國競相建造了規(guī)模宏大的公共建筑。電影院、劇場、體育館、展覽館和空港航站樓等的建造越來越引起人們的興趣和關(guān)注。但是大空間建筑的不斷增多也為火災(zāi)防治、煙氣控制帶來了一系列新的問題。大空間建筑火災(zāi)的特性與普通建筑有著明顯的差別，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[1]：(1)火災(zāi)不受限制迅速擴(kuò)大；(2)早期探測和初期滅火較難實(shí)現(xiàn)；(3)安全疏散困難；(4)滅火和救援比較困難。

大空間建筑火災(zāi)研究一般有全尺寸實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬。全尺寸實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作較多，費(fèi)用較大，研究受到一定限制。近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多研究者應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬方法研究大空間建筑物火災(zāi)并取得了一定進(jìn)展，尤其是以FDS為代表的場模擬軟件得到越來越廣泛的運(yùn)用。

大空間建筑因自身特點(diǎn)，在防火分區(qū)的劃分方面存在著諸多不便，這給火災(zāi)中煙氣快速蔓延提供了條件。目前我國對(duì)于空間結(jié)構(gòu)尚未制定專門的防火設(shè)計(jì)規(guī)范，工程人員一般參考相關(guān)規(guī)范進(jìn)行防火設(shè)計(jì)。本文利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS，對(duì)三種典型火源位置的某大空間火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，考察大空間火災(zāi)中，火源位置對(duì)煙氣蔓延的影響。

1　火災(zāi)場景設(shè)置

1.1模型尺寸

以建筑面積1 000 m2、室內(nèi)高度6 m，按自然排煙方式建立大空間火場模擬模型。在模型的兩個(gè)長邊上底部居中位置分別設(shè)立大小為3 m×2 m的自然補(bǔ)風(fēng)口。采用自然排煙方式，取自然排煙口的面積為建筑面積的5%，即50 m2，將排煙口設(shè)置在兩個(gè)長邊的上部，每邊設(shè)置5個(gè)，每個(gè)面積為5 m2，暫不考慮外界通風(fēng)對(duì)自然排煙的影響，如圖1所示。

1.2網(wǎng)格劃分

FDS包括流體力學(xué)模型和燃燒模型，通過求解一系列適用于低馬赫數(shù)流動(dòng)熱傳輸形式的N-S方程來實(shí)現(xiàn)其功能，該方程強(qiáng)調(diào)了火災(zāi)中煙和熱的傳播。模型的核心運(yùn)算法是大渦模擬(Large Eddy Simulation)技術(shù)，即通過濾波處理，首先將小于某個(gè)尺度的旋渦從流場中過濾掉，只計(jì)算大渦，然后通過求解附加方程得到小渦的解。過濾尺度一般取為網(wǎng)格尺度。網(wǎng)格的劃分直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)構(gòu)的誤差，甚至影響計(jì)算結(jié)果的正確性。理論上，網(wǎng)格劃分越細(xì)計(jì)算結(jié)果越精確，但出于平衡計(jì)算機(jī)資源和計(jì)算時(shí)間的考慮，針對(duì)大空間建筑的充分細(xì)化難以實(shí)現(xiàn)。本文中網(wǎng)格的大小取火源特征直徑(Characteristic Fire Diameter)的0.1倍。火源特征直徑計(jì)算公式為[2]：

圖1　通風(fēng)口與補(bǔ)風(fēng)口位置示意圖

(1)

式中，D*為火源特征直徑；Q為熱釋放速率，kW；T0為環(huán)境溫度，K；ρ0為空氣密度，kg·m-3；cp為空氣的定壓熱容，一般為1.02 kJ·kg-1·℃-1；g為重力加速度，m·s-2。

數(shù)值模擬中，火災(zāi)最大熱釋放速率取8 MW，計(jì)算得到火源特征直徑D*=2.2，網(wǎng)格大小為0.2 m×0.2 m×0.2 m。

1.3火源模型建立

從目前國內(nèi)外試驗(yàn)和研究來看，多數(shù)火災(zāi)從點(diǎn)燃發(fā)展到充分燃燒階段，火災(zāi)熱釋放速率大體上與時(shí)間的平方成正比關(guān)系增長，本文采用t2火進(jìn)行火災(zāi)模擬(火災(zāi)增長系數(shù)α為0.046 89 kW·s-2)。如圖2所示，對(duì)應(yīng)于無噴淋的公共場所[3]。

本文選取三種典型火源位置進(jìn)行模擬研究，即火源分別位于建筑模型底面居中位置、靠近墻的位置和位于墻角的位置。這三種情況基本上可以代表大空間火災(zāi)發(fā)生的典型位置，如圖3所示。

2　數(shù)值模擬分析

2.1不同火源位置煙氣溫度分布

為了分析不同火源位置對(duì)煙氣溫度分布的影響，溫度測量點(diǎn)布置在距離火源位置右側(cè)方向10 m處，高度均為5.5 m，代號(hào)分別設(shè)為A、B、C。如圖4所示，A、B、C三點(diǎn)煙氣溫度增長規(guī)律基本一致，火災(zāi)初期至300 s的期間內(nèi)煙氣溫度隨時(shí)間發(fā)展而升高，變化趨勢接近于線性增長，升高速率C點(diǎn)最大，B點(diǎn)次之，A點(diǎn)最小。300 s以后煙氣溫度進(jìn)入上下震蕩變化過程。三個(gè)測試點(diǎn)的煙氣溫度大約在50 s以后出現(xiàn)差別，溫度大小基本按照C、B、A的次序由高到低的順序排列。300 s以后A、B、C三點(diǎn)溫度分別在110 ℃、120℃、140℃上下震蕩。從圖4中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，相比于普通建筑火災(zāi)，大空間火災(zāi)的煙氣溫度相對(duì)較低。

圖2　熱釋放速率-時(shí)間曲線

圖3　火源位置示意圖

圖4　火源位置對(duì)溫度場分布的影響(z=5.5 m)

圖5給出了A、B、C三點(diǎn)在火源位置不同時(shí)，處于3 m高度處的煙氣溫度隨時(shí)間變化曲線。從圖中可以看出，A、B、C三點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化趨勢是一樣的，越到后期，各點(diǎn)的離散型均較大，這可能是由于測點(diǎn)受火羽流的影響較大所致。三點(diǎn)的溫度升幅均不是很高，是由于自然排煙，致使在大空間里聚集的煙氣處于一定高度，對(duì)相對(duì)較低的位置溫度影響不是很大。火源位置的變化對(duì)下層煙氣溫度的影響不是很明顯，在模擬圖中，可以看到煙氣分層效果相當(dāng)明顯。

圖5　火源位置對(duì)溫度場分布的影響(z=3 m)

選取圖3中的D點(diǎn)處進(jìn)行分析，D點(diǎn)距離右側(cè)壁面約0.5 m，高度為5.5 m，研究不同火源位置對(duì)同一點(diǎn)煙氣溫度的影響，如圖6所示。從圖中可以看出，在火災(zāi)增長階段，對(duì)于不同火源位置，D點(diǎn)溫度增長趨勢和幅度基本一樣。到達(dá)穩(wěn)定階段后，D點(diǎn)溫度在火源處于1處明顯比火源處于2處和3處高，這是由于D點(diǎn)距離火源1近，煙氣到達(dá)D點(diǎn)時(shí)間短，卷吸的冷空氣較少?；鹪刺幱?和3時(shí)，D點(diǎn)溫度趨于一致。這說明，相對(duì)于火源位置較遠(yuǎn)的區(qū)域，煙氣到達(dá)前，由于卷吸部分冷空氣，溫度有一定程度的降低，但煙氣的密度也隨之增大，造成煙氣沉降，不利于自然排煙和人員疏散。

圖6　不同火源位置下D點(diǎn)溫度變化曲線

2.2不同火源位置煙氣層分布

煙氣層的高度和溫度可以有效的反映大空間火災(zāi)的發(fā)展和煙氣蔓延情況。本文選擇火災(zāi)穩(wěn)定后的大空間模型x軸方向進(jìn)行研究，為避免邊界條件的影響，選擇處于y軸中部的測點(diǎn)，如圖7所示。從圖7可以看出，火源位于1處時(shí)，煙氣層高度分布較為均勻，處在3.5～4.3 m之間，且與火源位置對(duì)稱分布。火源位置處于2處時(shí)，煙氣層高度處在3.7～4.7 m之間，當(dāng)x值處于5～15 m時(shí)，煙氣層高度較大，這是由于當(dāng)x值較小時(shí)，這個(gè)區(qū)域距離火源2很近，又靠近墻壁，煙氣在這里大量聚集，導(dǎo)致煙氣層高度下降；當(dāng)x值較大時(shí)，煙氣到達(dá)另一邊壁面并開始下沉，同樣出現(xiàn)煙氣層高度下降?；鹪次挥?處時(shí)，煙氣層高度大部分處于4～5 m之間，而x值很小的區(qū)域煙氣層高度明顯小于火源位于1和2處時(shí)，這是由于煙氣與壁面的作用比較強(qiáng)烈，煙氣沿著墻壁與頂部的夾角蔓延，并不斷的卷吸冷空氣，出現(xiàn)明顯沉降；同時(shí)，火源位于3處時(shí)，煙氣層高度隨著離火源距離增大，出現(xiàn)震蕩式下降。

圖7　火災(zāi)穩(wěn)定后煙氣層高度分布

圖8給出了火災(zāi)穩(wěn)定后煙氣溫度隨x值變化曲線，與圖7的煙氣層高度變化曲線相對(duì)應(yīng)。從圖中可以看出，火源位于1時(shí)，溫度變化曲線呈現(xiàn)“W”型，這是由于火源處于大空間的中部，煙氣到達(dá)頂部形成頂部射流，分別沿著大空間頂部向四方蔓延，由于距離大空間的壁面距離不是很遠(yuǎn)，熱煙氣在不斷卷吸冷空氣的同時(shí)，還受到來自火源熱輻射和熱對(duì)流的影響，溫度仍處于上升過程中，當(dāng)?shù)竭_(dá)壁面時(shí)，煙氣的熱量在壁面與頂棚的夾角處聚集，溫度還是相對(duì)較高?；鹪次恢锰幱?和3處時(shí)，在x值較小的地方，溫度值偏大，這是由于火源距離該區(qū)域較近，熱對(duì)流和熱輻射都很強(qiáng)烈，煙氣層分層效果不明顯，隨著煙氣卷吸空氣的進(jìn)行以及距離火源越來越遠(yuǎn)，煙氣溫度開始下降。

圖8　火災(zāi)穩(wěn)定后煙氣層溫度分布

3　結(jié)論

大空間由于其自身的特點(diǎn)，火災(zāi)中煙氣的溫度普遍不是太高[4]，但由于防滅火措施的實(shí)施困難，火災(zāi)危險(xiǎn)性仍然很大，加之有的大空間建筑人員密集，這對(duì)火災(zāi)的防治和人員疏散造成了不便。

本文采用FDS數(shù)值模擬的方式對(duì)面積為1 000 m2的大空間建筑火災(zāi)進(jìn)行了研究，通過對(duì)數(shù)據(jù)比較分析可以得出以下結(jié)論：(1)火源位置的改變，對(duì)火源附近的煙氣溫度有較大影響，但隨著離火源距離

增加，煙氣溫度與火源位置的關(guān)系減弱。(2)火災(zāi)穩(wěn)定后，煙氣層高度與火源位置的相關(guān)性較大?；鹪刺幱谥虚g位置時(shí)，煙氣層高度的升降幅度不大，基本上可以認(rèn)為煙氣層高度穩(wěn)定；火源緊挨墻邊或角落時(shí)，煙氣層高度隨著距火源距離的增大而降低。

本文中，僅采用了數(shù)值模擬的方法，沒有考慮外界風(fēng)速對(duì)自然排煙的影響和自然排煙口面積變化對(duì)結(jié)果的影響。同時(shí)，也沒有真實(shí)的考慮邊界條件對(duì)火羽流卷吸作用和熱傳遞對(duì)火源熱釋放速率的相關(guān)影響，相關(guān)的影響研究有待在日后研究中進(jìn)行。

[1] 杜蘭萍.基于性能化的大尺度公共建筑防火策略研究[D].天津:天津大學(xué)，2007.

[2] Fire dynamic simulator: User’s guide [M]. Version 5. NIST Special Publication 1019-5,2009:35.

[3] 薛素鐸，梁勁，李雄彥.排煙方式對(duì)大空間建筑火災(zāi)空氣升溫的影響[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2010，30(5):528-532.

[4] 游宇航，李元洲，孫曉乾，等.夏季大空間內(nèi)火災(zāi)機(jī)械排煙效率的研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2006,6(3):24-27.

(責(zé)任編輯馬龍)

On the Influence of Fire Source Location on the Smoke Movement in a Spacious Building Fire

ZHANG Nanyan1, TANG Jie2

(1.NantongMunicipalFireBrigade,JiangsuProvince222300,China; 2.HezhouMunicipalFireBrigade,GuangxiAutonomousRegion542800,China)

There are more and more large buildings of shopping malls, stadiums, airports and stations and other public buildings, where the fire risk tends to occur easily. Fire smoke propagates quickly in large scale buildings. The position of a fire has an effective on the smoke propagation. To investigate the influence of fire source location on the smoke movement in a large scale building fire, this paper applies the Fire Dynamic Simulation software to simulate the three typical fire positions in a large scale building fire. Results show that changing of the location of a fire source has a great influence on the smoke temperature adjacent a fire, but with the distance increasing from a fire, the smoke temperature variance was less relative to the fire source location. When the fire becomes stable, the correlation of the height of smoke and a fire source location becomes strong.

fire protection; large scale building fire; numerical simulation; smoke

2016-01-16

張南燕(1985—)，女，江西九江人，助理工程師； 唐婕(1976—)，女，廣西梧州人，工程師。

D631.6

A

1008-2077(2016)06-0016-04