不同通風(fēng)條件下賓館客房火災(zāi)場景設(shè)計的數(shù)值模擬

徐豐煜，吳立志

(1.三明市消防支隊，福建 三明 360000； 2.武警學(xué)院 消防指揮系，河北 廊坊 065000)

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不同通風(fēng)條件下賓館客房火災(zāi)場景設(shè)計的數(shù)值模擬

徐豐煜1，吳立志2

(1.三明市消防支隊，福建 三明 360000； 2.武警學(xué)院 消防指揮系，河北 廊坊 065000)

在對北京145家中檔賓館進行火災(zāi)荷載調(diào)查的基礎(chǔ)上，得到了火災(zāi)荷載密度、可燃物組分比例、通風(fēng)開口等影響火災(zāi)場景設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)計了具有代表性的賓館客房燃料包。為了選擇合適的火災(zāi)場景進行全尺寸房間火試驗，采用FDS模擬來觀察賓館客房燃料包的燃燒規(guī)律，并改變通風(fēng)條件以及燃料包的擺放位置，研究不同火災(zāi)場景下熱釋放速率、溫度以及煙氣濃度的變化情況，為確定實體房間火試驗的火災(zāi)場景提供參考。

賓館客房；燃料包；火災(zāi)場景；設(shè)計火

0 引言

確定合適的設(shè)計火災(zāi)場景是火災(zāi)風(fēng)險評估中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。設(shè)計火災(zāi)場景是對特定場景下火災(zāi)隨時間變化的定性描述，確定表征火災(zāi)的關(guān)鍵事件，如點燃、火災(zāi)增長、轟燃、全面發(fā)展和衰減階段?；馂?zāi)荷載、房間尺寸和通風(fēng)條件都會影響到火災(zāi)的發(fā)展。隨著性能化防火設(shè)計的發(fā)展以及建筑結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜，運用計算機模型模擬建筑內(nèi)火災(zāi)發(fā)展過程和煙氣運動規(guī)律，已經(jīng)成為認(rèn)識火災(zāi)特點和開展有關(guān)消防安全水平分析的重要手段[1]。全尺寸燃燒試驗成本高，而數(shù)值模型可根據(jù)設(shè)計者需要，進行不同火災(zāi)場景下的建筑構(gòu)件和材料燃燒性能的評估。FDS是一種簡化預(yù)測在給定環(huán)境中物體燃燒行為的工程方法，能夠研究起火房間尺寸、燃料類型等參數(shù)對室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展的影響。近年來，國內(nèi)外學(xué)者就FDS模擬室內(nèi)火災(zāi)的可靠性進行了大量試驗對比和分析，發(fā)現(xiàn)FDS預(yù)測室內(nèi)火災(zāi)熱環(huán)境變化的誤差在5%～20%之間[2]。朱五八[3]通過試驗和FDS模擬對比分析，指出FDS對軟墊家具在敞開和受限空間內(nèi)燃燒過程的模擬具有一定合理性，且FDS能夠很好地模擬受限空間內(nèi)熱反饋作用。楊曉菡[4]在ISO 9705試驗房間內(nèi)進行一定荷載的木垛火試驗，并用FDS進行模擬計算，結(jié)果表明Multi-block格點配置模擬得到的木垛火熱釋放速率變化、煙氣溫度變化、CO2體積分?jǐn)?shù)變化的結(jié)果與實測值吻合較好。

筆者首先對北京145家中檔賓館客房進行了火災(zāi)荷載調(diào)查，得到了火災(zāi)荷載密度、可燃物組分比例、通風(fēng)開口等影響火災(zāi)場景設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)計了具有代表性的賓館客房燃料包[5]。為了驗證燃料包的設(shè)計思想，為下一步進行全尺寸房間火試驗選擇合適的火災(zāi)場景，筆者采用FDS數(shù)值模擬對不同通風(fēng)條件下的賓館客房燃料包燃燒規(guī)律進行研究。

1 模型建立

為了較為準(zhǔn)確地模擬室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展，需要選取合適的網(wǎng)格尺寸。相關(guān)研究表明火災(zāi)最小長度尺寸可以用火源特征直徑D*表示[6]，如式(1)：

(1)

其中，Q為熱釋放速率，W；ρ0為環(huán)境空氣密度，kg·m-3;c0為空氣比熱，J·kg·K-1；T0為環(huán)境溫度，K；g為重力加速度，m·s-2。

當(dāng)網(wǎng)格尺度小于0.1D*時，F(xiàn)DS可以很好地模擬建筑物發(fā)生火災(zāi)時的煙氣沉積與流動，當(dāng)網(wǎng)格尺度小于0.05D*時，可以精確計算火焰區(qū)域中的化學(xué)反應(yīng)及湍流效應(yīng)。因此，為了很好地模擬室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展，網(wǎng)格尺度應(yīng)取0.05D*，但對計算機性能以及運算時間要求甚高。綜合考慮計算時間和準(zhǔn)確度，將燃料包堆放面積上的網(wǎng)格取為0.1D*≈0.05 m，其他區(qū)域采用0.2D*≈0.1 m，總網(wǎng)格數(shù)為267 750。網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 FDS模擬的網(wǎng)格劃分圖

FDS模擬的房間尺寸采用四川消防科研所的實驗室尺寸6 m×4 m×3 m，共有門和窗戶兩個通風(fēng)開口。為精確模擬出氣流的流動情況，將計算區(qū)域向室外擴展，包括了燃燒室和部分環(huán)境空氣。同時，考慮到實際情況下門不可能完全密閉，設(shè)置了寬度為0.1 m的門縫。

為了使模擬結(jié)果盡可能接近于實際情況，燃料包中PUF和木垛的質(zhì)量、尺寸依照荷載調(diào)查的數(shù)據(jù)確定。PUF的坐墊尺寸為1 800 mm×800 mm×100 mm，靠背尺寸為1 800 mm×600 mm×150 mm，密度設(shè)為30 kg·m-3，質(zhì)量為9.1 kg。木材的密度取376 kg·m-3，單根木條尺寸為50 mm×100 mm×800 mm，木垛總質(zhì)量為190 kg。引火源為功率20 kW的丙烷，尺寸為0.1 m×0.2 m，放置在PUF坐墊和靠背的交界處，持續(xù)時間為80 s。燃料包模型圖如2所示。

2 火災(zāi)場景設(shè)計

根據(jù)不同通風(fēng)情況以及燃料包擺放位置，共設(shè)計了9個火災(zāi)場景，詳見表1。通過模擬發(fā)現(xiàn)，由于PUF燃燒迅速，窗戶附近的測點在20～30 s之內(nèi)就達到了300 ℃，因此，窗戶開啟與300 ℃開啟得到的熱釋放速率(HRR)曲線和溫度曲線幾乎相同。FDS模擬過程中的燃料包燃燒情況如圖3～圖8所示。

圖2 FDS模擬燃料包的模型圖

表1 FDS模擬試驗的不同火災(zāi)場景

圖3 燃料包位于中心

圖4 燃料包位于墻角

圖5 PUF引燃大木垛

圖6 燃料包燃燒過程

圖7 PUF燃盡、剩余木垛燃燒

圖8 燃燒結(jié)束后

3 模擬結(jié)果分析

3.1 考察門狀態(tài)相同的情況下，窗戶尺寸對室內(nèi)燃燒的影響。在門狀態(tài)相同的條件下，不同的窗戶尺寸對火災(zāi)發(fā)展的HRR峰值和火災(zāi)持續(xù)時間影響較大，窗戶開口面積越大，PUF燃燒引起的第一個HRR峰值越大，由PUF燃燒過渡到木垛完全燃燒的時間越短，通過對流和熱輻射的熱損失越大，反饋到燃料表面的熱輻射越小，火災(zāi)持續(xù)時間越短。如圖9、圖10所示。

圖9 門關(guān)閉時不同窗戶尺寸的熱釋放速率曲線對比

圖10 門開啟時不同窗戶尺寸的熱釋放速率曲線對比

3.2 窗戶尺寸相同的情況下，考察門啟閉對室內(nèi)火災(zāi)的影響，如圖11所示。由PUF燃燒引起的火災(zāi)初期增長速率基本一致，SC3中門始終關(guān)閉，通風(fēng)條件沒有發(fā)生改變，PUF引燃木垛燃燒后逐漸進入衰減期，第二個HRR峰值最大；SC4門窗都開啟，PUF燃燒猛烈，引起的第一個HRR峰值最大，當(dāng)PUF進入衰減期，木垛剩余量最少，第二個HRR峰值最?。籗C5門180 s開啟，改善了通風(fēng)條件，促進了木垛的燃燒，第二個HRR峰值介于SC4和SC3之間。

圖11 門不同狀態(tài)的熱釋放速率曲線對比圖

3.3 考察燃料包位于房間中心和墻角對室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展的影響。從圖12～圖14中可以看出，通風(fēng)條件相同的情況下，兩種堆放方式的HRR曲線形狀相差不大，火災(zāi)初期階段的HRR峰值相差較小，但隨著木垛被引燃，位于墻角的燃料包燃燒更為充分，HRR峰值大，火災(zāi)持續(xù)時間短。

圖12 窗戶開啟、門關(guān)閉狀態(tài)下不同位置燃料包的熱釋放速率曲線對比

圖13 窗戶開啟、門開啟狀態(tài)下不同位置燃料包的熱釋放速率曲線對比

表2給出了各火災(zāi)場景中的HRR峰值和達到時間、2.3 m處最高溫度和達到時間的比較情況，可以看出，HRR峰值達到時間和最高溫度達到時間比較接近，只有SC6場景受通風(fēng)控制導(dǎo)致兩者相差較大。燃料包位于墻角時，HRR峰值較大，達到時間較短；2.3 m處溫度也較高，在300 s之前都超過了800 ℃；當(dāng)燃料包位于房間中心處，SC4門窗始終開啟，火勢發(fā)展迅速，燃燒持續(xù)時間最短，HRR峰值最大6 030 kW，最高溫度為783 ℃。

圖14 窗戶300 ℃開啟、門180 s開啟狀態(tài)下不同位置燃料包的熱釋放速率曲線對比

表2 各火災(zāi)場景中HRR峰值和

4 結(jié)論

通過對各場景熱釋放速率和溫度曲線的比較分析，可以得到以下結(jié)論：(1)所有火災(zāi)場景中，由于PUF作為第一引燃物，對火災(zāi)初始發(fā)展起決定性作用，導(dǎo)致火災(zāi)初始增長速率幾乎相同。待PUF進入衰減期，開始由通風(fēng)因素影響火災(zāi)發(fā)展趨勢。(2)通風(fēng)開口對室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展具有重要影響作用。通風(fēng)開口面積越大，HRR峰值越大，燃燒越充分，燃燒持續(xù)時間越短。通風(fēng)狀態(tài)的改變也會導(dǎo)致室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展?fàn)顟B(tài)的改變。如在室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展過程中，窗戶玻璃受熱破碎、人員疏散時開啟門將導(dǎo)致大量新鮮空氣進入，發(fā)生轟燃，使得HRR和溫度在很短時間內(nèi)達到峰值。(3)在通風(fēng)條件良好的情況下，室內(nèi)4個墻角2.3 m處溫度在較短時間內(nèi)超過600 ℃，最高溫度可達808 ℃，會發(fā)生轟燃。(4)根據(jù)熱釋放速率和溫度曲線圖，驗證了燃料包的設(shè)計思想。PUF作為第一引燃物，在很短時間內(nèi)達到HRR第一個峰值，并逐漸引燃下方小木垛和旁邊大木垛。待PUF燃燒進入衰減期，下方小木垛已經(jīng)完全燃燒，有足夠的能量來繼續(xù)引燃大木垛，木垛完全燃燒達到第二個HRR峰值，維持室內(nèi)火災(zāi)的發(fā)展。

雖然沒有合適的試驗數(shù)據(jù)來驗證FDS模擬的可靠性，但是FDS模擬結(jié)果能夠反映出一些火災(zāi)發(fā)展和煙氣運動的規(guī)律，幫助選擇和確定合適的火災(zāi)場景以及試驗設(shè)備的位置。下一步，將參考數(shù)值模擬，綜合考慮試驗設(shè)備的承受能力以及實際火災(zāi)中人員疏散可能出現(xiàn)的情況，選擇SC5和SC6兩種場景作為不利情況下的火災(zāi)場景，進行全尺寸房間火試驗，為研究賓館客房火災(zāi)發(fā)展規(guī)律提供一定參考依據(jù)。

[1] BILGER R.Computational field model in fire research and engineering[C].Proceduers Forth Internal Symposium,Fire Safety Science,1994.

[2] Piotr Smardz.Validation of fire dynamics simulator(FDS)for forced and natural convection flows[D].University of Ulster,2006.

[3] 朱五八.不同通風(fēng)狀況下典型軟墊家具火災(zāi)特性研究[D].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2007.

[4] 楊曉菡.基于ISO 9705房間木垛火試驗的FDS模擬預(yù)測研究[J].消防科學(xué)與技術(shù),2009,28(3):151-155.

[5] 郭子?xùn)|,徐豐煜,吳立志,等.賓館客房的火災(zāi)荷載調(diào)查與統(tǒng)計分析[J].安全與環(huán)境學(xué)報,2011,11(5):149-153.

[6] MA T G, QUINTIERE J G.Numerical simulation of axi-symmetric fire plumes:accuracy and limitations[J].Fire Safety Journal,2003,38:467-492.

(責(zé)任編輯 馬 龍)

The CFD Simulations of Fire Scenarios Design for a Hotel Room under Different Ventilation Conditions

XU Fengyu1, WU Lizhi2

(1.SanmingMunicipalFireBrigade,FujianProvince360000,China; 2.DepartmentofFireCommanding,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

A fire load survey was conducted in 145 mid-ranged hotels’ rooms in Beijing to collect typical data such as fire load density, type of combustibles, ventilation openings. Based on the analysis of the survey data, a typical fuel package was designed to be used in a hotel room. In order to choose a proper fire scenario for a full-scale room fire test, a FDS simulation was carried out to investigate the impact on a room fire in terms of different ventilation conditions and fuel package locations. The simulated results like HRR, temperature and gas concentration obtained in this study are conducive to the design and instrumentation of a room fire test.

hotel room; fuel package; fire scenario; design fire

2016-05-12

徐豐煜(1985— )，女，福建泉州人，助理工程師； 吳立志(1968— )，男，浙江東陽人，教授，博士。

X932; TU998.1

A

1008-2077(2016)10-0009-05