基于FDS的加油站便利店火災模擬*

肖國清，姚澤勝，鄧洪波，王中翊

(1.西南石油大學 化學化工學院，四川 成都 610500；2.油氣消防四川省重點實驗室，四川 成都 610500)

0　引言

加油站具有火災荷載大，發(fā)生火災破壞性強的特點，研究加油站火災發(fā)展時的煙氣蔓延規(guī)律及溫度特征,對于可靠預測這類設施的火災、增強防火設計的合理性、減少火災中人員的傷亡具有重要意義。同時，火災實驗是破壞性的,加之加油站全尺寸實驗成本高，耗時長，危險性大。因此，用計算機對火災的過程進行數(shù)值模擬已經(jīng)成為了一種較好的研究方法。許多學者將數(shù)值模擬應用于研究加油站安全問題，曹彬等[1]通過FDS和Fluent模擬了無風環(huán)境下原油儲罐池火災，并將結果與經(jīng)驗模型比較，分析了2種模型的優(yōu)缺點；李慶功等[2]針對加油站儲罐區(qū)進行了爆炸事故傷害模擬，提出了計算較嚴重傷害的傷害半徑的方法；黨宏斌等[3]研究了加油站儲罐的爆炸和池火災的定量分析。但大部分研究關注點都在加油站儲罐，少有針對加油站內便利店火災進行的研究。目前，在加油站內開設便利店的情況較為普遍，加油站內便利店的火災危險需受到重視。對加油站便利店進行火災模擬可得到不同時間下溫度、煙氣濃度等參數(shù)，以此為依據(jù)可研究其火災發(fā)展規(guī)律，選擇更好的火災應對措施,為性能化評估提供依據(jù)。

FDS 是由美國火災科研機構 NIST 開發(fā)的適用于求解火災驅動流體流動問題的程序，其主要功能是利用場模擬求解火災過程中各狀態(tài)參數(shù)在空間上的分布及其隨時間的變化。FDS主要運用質量守恒、動量守恒、能量守恒、組分守恒方程、狀態(tài)方程以及相關化學反應的定律來預測各種氣體和煙霧的生成，模擬各種火災形式，廣泛應用于火災科學研究等領域[4]。本文采用FDS 數(shù)值模擬研究了加油站便利店火災引起的溫度、煙氣層高度變化、能見度變化規(guī)律及對人員安全疏散的影響，通過煙氣擴散模擬觀察煙氣蔓延順序，得到無火災報警設備情況下人員識別火災信號的時間；通過在主要疏散路線上設置的溫度、煙氣層高度和能見度測點數(shù)據(jù)比較不同條件的疏散路徑達到安全疏散危險臨界條件的時間，給出選擇更優(yōu)疏散路徑的建議；針對安全問題提出改進措施。

1　火災數(shù)值模擬

1.1　加油站便利店火災模型構建

根據(jù)某加油站便利店的平面設計圖，利用 Pyrosim軟件建立加油站物理模型，如圖1、圖2所示。加油站便利店總建筑面積為22.5 m×8.7 m，高度為3.5 m，包含便利店主體、站長辦公區(qū)、公用洗手間、儲藏間、配電間與發(fā)電間。其中，站長辦公區(qū)、公用洗手間和儲藏間都與便利店主體聯(lián)通并共用大門，配電間與發(fā)電間不與其余區(qū)域聯(lián)通。大門高度為2.5 m，其余門高度為2.2 m。為簡化模型，所有窗戶設為關閉，所有門設為完全敞開。

圖1　某加油站便利店平面設計Fig.1　Level arrange of a gas station convenient store

圖2　某加油站便利店模型Fig.2　Simplified model of a gas station convenient store

1.2　計算網(wǎng)格劃分

在應用 FDS 進行火災模擬計算時，首先要設定一個計算區(qū)域，對計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，然后在這個設定的區(qū)域內設置火災場景。在FDS中，網(wǎng)格劃分需要遵循一定的規(guī)則，在每個方向上劃分的網(wǎng)格數(shù)應該滿足2U×3V×5W,U，V和W均為整數(shù)。例如,12=22×3，60=22×3×5,12和60是能使模擬穩(wěn)定運行的網(wǎng)格數(shù)；而 13和17這種數(shù)字不可拆分成此種形式，故以此為劃分的網(wǎng)格數(shù)進行模擬時，會導致模擬運算的不穩(wěn)定[5]。

對于網(wǎng)格尺寸，美國核管理委員會(NRC)驗證了火災特征直徑D應該與網(wǎng)格尺寸d的比值應該在4～16之間?；馂奶卣髦睆紻由式(1)表示[4-6]：

(1)

式中：Q為熱釋放率，kW；ρ∞為環(huán)境空氣密度，kg/m3，常溫常壓下取值1.29；T∞為環(huán)境溫度，K，取常溫293 K；g取9.81m/s2；Cp為空氣定壓比熱，kJ/kg·℃，取值1.005。

對于熱釋放速率Q，美國NFPA92B中建議零售商店火災單位面積熱釋放速率為500 kW/m2[7]，本文火源面積為2 m×0.5 m，因此最大熱釋放速率QMax=500 kW。其熱量釋放速率由式(2)表示[7-9]:

(2)

式中：t1為達到最大熱釋放速率的時間，s。非阻燃泡沫塑料、包裝材料、垂直堆放的紙板或塑料箱的火災增長類型為超快速，商店柜臺為中速。綜合考慮，將貨架起火設定為快速火,α=0.046 89[9],熱釋放速率Q于t1=103.26 s達到穩(wěn)定峰值QMax。由公式(1)計算可知，火災特征直徑D=0.727 m。綜合考慮模擬精度與計算難度，便利店模型在x，y，z方向網(wǎng)格劃分數(shù)分別為192，75，30，共計432 000個單元格。每個單元格尺寸為0.12 m×0.13 m×0.12 m。

1.3　火災場景設置

1.3.1火源設置

便利店火災主要為貨架起火，對人員傷害主要是火災引起的高溫和煙氣傷害。便利店內存在多個貨架，在非人為縱火情況下多貨架同時起火的概率不大，不同地點貨架起火導致的區(qū)域溫度和煙氣濃度升高情況各不相同。如圖1所示，店內有編號a～j共7個貨架。通過分析，a點發(fā)生火災對于便利店大門左側人員疏散影響較大?；谛阅芑u估考慮最糟糕情況的原則，將a點設為火源。貨架長1.6 m，寬0.8 m，第1層高度0.4 m，第2層位于高度1.0～1.5 m之間，a點貨架與相鄰貨架b，e分別相距2.3，2.1 m，在第1層有2 m×0.5 m的燃燒區(qū)域，貨架模型如圖3所示。

圖3　貨架簡化模型Fig.3　Simplified model of shelf

1.3.2模擬火災時間

考慮到便利店疏散路線長度在幾十米內，人員疏散速度在1.4 m/s左右，為節(jié)約模擬時間，本次模擬火災時間設為400 s。

1.3.3測點設置

由可視化煙氣擴散模擬結果可以直觀地觀察煙氣地產生和蔓延情況，而要得到精確的結果則要在便利店內設置熱電偶、煙氣層高度測量裝置和能見度測量器材，在疏散路線A和B上以1 m為間隔設立A1～A6，B1～B7等探測點(見圖1)。在探測點上設置溫度、煙氣層高度和能見度測量裝置。

2　模擬結果與分析

2.1　煙氣擴散模擬

圖4是煙氣擴散模擬情況。通過煙氣擴散模擬可以觀察煙氣蔓延順序，在無火災報警設備情況下，認為人員獲得火災信息的時間為觀察到明顯煙氣和火光的時間。從圖4可以看出，第10.2 s開始可以觀察到a點貨架有較明顯的煙氣生成，煙氣在浮力作用下積聚于便利店頂端；第64.8 s開始可以觀察到基本布滿頂端的煙氣進入相鄰的儲物間、辦公室和衛(wèi)生間前的洗手間；第107.4 s開始可以觀察到有明顯的煙氣進入衛(wèi)生間?？梢杂^察到衛(wèi)生間最晚受到貨架火災產生的煙氣影響，但同時這也意味著位于衛(wèi)生間的人員在未收到外部信號的情況下最晚識別到火災信息。如果僅憑視覺觀察，在起火后107.4s才能在衛(wèi)生間內觀察到煙氣進入。此時在衛(wèi)生間與便利店出口間的疏散路徑已經(jīng)被煙氣籠罩，影響到人員疏散，因此這部分人員能否安全疏散成為本次研究的重點。

圖4　店內煙氣擴散情況Fig.4　Smoke spread in the store

2.2　動態(tài)升溫過程模擬

此次模擬選用的a點火源主要影響到圖1中A，B這2條疏散路徑。為觀察火災場景中溫度動態(tài)變化過程，在模型x1=6.5 m，x2=8 m，y1=2.2 m，y2=4.8 m，z=2 m處采集切面溫度變化,切面位置如圖5所示。

圖5　切面位置Fig.5　Slice distribution

縱向溫度切面模擬結果如圖6～7所示。高溫對人員健康危害受個體差異影響，一般推薦的短時間臉部暴露的安全溫度極限范圍為65～100℃[10]，取65℃為危險臨界溫度，圖6中黑線部分為65℃等溫線。從圖6可以看出，縱向上在火源作用下生成高溫煙氣并形成火羽流上升，上升至天花板后形成頂棚射流，沿頂棚運動；頂部靠墻位置高溫層較厚，說明高溫煙氣由火源上升至頂棚后向四周擴散，遇到墻壁阻隔后在墻角積聚。這一結果與文獻研究結果相符[11]。切片x1，y1中火源鄰近區(qū)域65℃等溫線高度明顯較低，說明該區(qū)域受到火源的影響，溫度提升較快；切片x2，y2上溫度升高較為均勻緩慢，說明遠離火源區(qū)域溫度的提升主要由高溫煙氣在頂部的穩(wěn)定積聚引起。

圖6　縱向溫度切片F(xiàn)ig.6　Longitudinal temperature slice

從動態(tài)升溫過程模擬來看，火災造成便利店內溫度升高的規(guī)律為：火源附近首先形成高溫區(qū)域；高溫煙氣在上方積聚，因此溫度隨高度升高；同等高度下四周靠近墻壁區(qū)域溫度高于中央?yún)^(qū)域。疏散路線A由于靠近火源且靠近墻壁，溫度上升較快。從溫度切片觀察火源對相鄰貨架的影響，在130 s時相鄰貨架溫度在65℃左右，低于大部分貨物燃點，因此不會引燃鄰近貨架的貨物。取路線A，B上采樣點溫度，溫度變化如圖8所示。

圖7　z=2 m處溫度切片F(xiàn)ig.7　Temperature slice when z=2 m

圖8　2 m高度溫度變化Fig.8　Variation of temperature on 2 m

疏散路線A在82 s后即有區(qū)域的溫度達到危險溫度；疏散路線B遠離火源與墻壁,則溫度上升相對較慢且均勻?？梢钥吹皆诨馂陌l(fā)生121 s時在2 m的高度下溫度低于65℃。從溫度影響來考慮，選擇了疏散路線B的人員需要在121 s內完成疏散。

2.3　煙氣層高度變化模擬

火災發(fā)生時會產生大量的煙氣，積聚在火災場景上方并形成煙氣層影響人員疏散。研究表明[12-13]，煙氣層高度低于2.5 m時，人員疏散受到影響；高度低于1.5 m時，人員基本無法疏散。根據(jù)模擬采樣得到煙氣層高度如圖9所示。

圖9　煙氣層高度變化Fig.9　Variation of smoke layer height

可以看出在路線A上離火源較近的A2點在20 s左右即有煙氣層高度在1.5 m左右波動，38 s以后，大部分煙氣層高度低于1.5 m，未疏散人員安全得不到保障。路線B由于遠離火源和墻壁，煙氣層發(fā)展較慢且穩(wěn)定，到86 s以后煙氣層高度低于1.5 m，未疏散人員安全得不到保障。

2.4　環(huán)境能見度變化模擬

環(huán)境能見度也是影響人員安全疏散的重要指標?？紤]到加油站便利店人員流動性大的特點，人員基本是在陌生環(huán)境中疏散，環(huán)境能見度過低會影響人員尋找疏散路徑，降低行走速度；煙氣中刺激性氣體也會對人身體產生影響，延緩甚至阻止人員疏散?，F(xiàn)有的一些研究[14-15]認為對于大多數(shù)完全燃燒產生混合煙氣刺激物的濃度換算為煙氣光學密度后低于ρOD=0.2 m-1，基于對火災煙氣刺激性的考慮，推薦將它作為短距離疏散煙氣光學密度的耐受極限，換算成能見度為5 m，低于此能見度會有一定比例的人員選擇折返。根據(jù)模擬采樣得到能見度變化如圖10所示。第43 s路線A能見度下降到5 m，下降過程伴隨著明顯的數(shù)據(jù)波動。路線B上能見度變化較為穩(wěn)定，85s以后路線B的能見度低于5 m。

圖10　能見度變化Fig.10　Variation of visibility

觀察對比靠近火源的路線A上與遠離火源的路線B上溫度、煙氣層厚度和能見度的變化，可以發(fā)現(xiàn)路線A上相關指標變化速度快于路線B，且相關指標有劇烈的波動，路線B則變化地更加緩慢穩(wěn)定。這種現(xiàn)象是由于路線A靠近火源和墻體區(qū)域，高溫煙氣濃度上升速度較周圍快，更快地導致溫度、煙氣層厚度和能見度的變化；同時煙氣濃度、溫度與周圍差距較大，煙氣擴散到周圍的速度和與周圍環(huán)境熱交換的速度快，該區(qū)域擴散的熱量與煙氣多于補充，造成數(shù)據(jù)變化波動的現(xiàn)象。而路線B處于開闊地帶，有更穩(wěn)定的煙氣積累過程，所以該區(qū)域相關數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定。

2.5　人員安全撤離時間

將以上以“安全撤離”為目標的性能化判定指標匯總，如表1所示。表1表明，選擇了靠近火源和墻壁的疏散路線A的人員需在38 s內完成撤離；而選擇了疏散路徑B的人員在85 s內可以安全撤離。

表1　安全撤離性能化指標

由煙氣擴散結果，最內側人員能觀察到煙氣的時間為107.4 s，這表示無論選擇路線A還是路線B，所需的最晚安全完成撤離時間都小于最內側人員獨立收到火災信號的時間，因此，等到他們能獨立意識到發(fā)生火災需要撤離時已不能保證安全撤離。

為保證安全疏散，可以從以下方面進行改進：改變設計，將衛(wèi)生間出口設在店外；在不改變設計的前提下，可以通過加裝火災報警設備來縮短人員從火災開始到開始疏散的時間。

3　結論

1)在沒有安裝火災報警系統(tǒng)的情況下，被隔斷的設施會造成設施內人員在便利店發(fā)生火災后獨立接收火災信號的時間增長，不利于及時疏散。建議在設計時將衛(wèi)生間等被隔斷的設施出口設在便利店外；如果在不改變設計的前提下可以安裝火災報警系統(tǒng)，縮短從火災發(fā)生到人員接收火災信息時間。

2)火源附近溫度上升，煙氣層增加和能見度下降速度都明顯高于其他遠離火源區(qū)域；高溫煙氣在上方積聚，溫度隨高度升高，能見度隨高度升高而減小；相同高度下靠墻位置溫度升高速度與能見度減小速度快于開闊區(qū)域。因此，疏散時判斷火情，選擇合理疏散路線可以顯著延長安全疏散時間。

[1]曹彬,張禮敬,張村峰,等.比較FDS和FLUENT在池火災模擬中的應用[J]. 中國安全生產科學技術, 2011, 7(9):45-49.

CAO Bin，ZHANG Lijing, ZHANG Cunfeng, et al. Comparison of FDS and FLUENT applied in pool fire simulation[J].Journal of Safety Science and Technology,2011, 7(9):45-49.

[2]李慶功, 宋文華, 謝飛，等.加油站油品存儲罐區(qū)火災爆炸事故傷害范圍的數(shù)學模擬[J].南開大學學報(自然科學版)，2011(5):7-13.

LI Qinggong，SONG Wenhua, XIE Fei，et al. The mathematical simulation of fire and explosion accident son damage scope in the gas station' s Oil storage tank Area[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Nankaiensis, 2011(5):7-13.

[3]黨宏斌,宣曉燕,楊麗麗.加油站儲油罐火災、爆炸危險性定量分析[J]. 商品儲運與養(yǎng)護, 2007, 29(3):122-123.

DANG Hongbin, XUAN Xiaoyan, YANG Lili. Fatalness of fire or blast assessment quantificationally in Oil tank of gas station[J].Storage Transportation &Preservation of Commodities, 2007, 29(3):122-123.

[4]孫承華, 付強.基于FDS模擬的屋頂停車場汽車火災火場特性研究[J]. 武漢理工大學學報(信息與管理工程版), 2016, 38(4):415-421.

SUN Chenghua, FU Qiang. Research on fire characteristics of roof parking bus fire based on FDS simulation[J].Journal of Wuhan University of Technology(Information & Management Engineering),2016,8(4):415-421.

[5]徐文強，劉芳，董龍洋，等. 基于FDS的地下停車場火災數(shù)值模擬分析[J]. 安全與環(huán)境工程，2012，19(1):73-76.

XU Wenqiang, LIU Fang，DONG Longyang，et al. Analysis on the fire of underground parking based on FDS numerical simulation[J]. Safety and Envir-onmental Engineering, 2012, 19(1):73-76.

[6]Kevin M, Randoll M,et al. Fire Dynamics Simulator user’s guide[M]. Washington：National Institute of Standards and Technology, 2007.

[7]美國國家防火協(xié)會.購物中心、中庭和大面積建筑的煙氣管理系統(tǒng)指南: NFPA 92B-2000 [M].佛羅里達州丹佛市：美國國家防火協(xié)會出版社，2000.

[8]韓小娟.大型商場火場模擬及結構危險性分析方法研究[D]. 上海：同濟大學, 2008.

[9]IHS. Life-threatening components of fire—Guidelines for the estimation of time available for escape using fire data:ISO13571-2007[S]. Hangzhou: Zhejiang Institute of Standardization,2015

[10]霍然，胡源，李元洲.建筑火災安全工程導論[M].合肥:中國科學技術大學出版社, 1999.

[11]楊愉. 會展中心火災煙氣控制的數(shù)值模擬研究[D].重慶：重慶大學,2006.

[12]Xingfeng LONG,Xueqin ZHANG,Bo LOU.Numerical simulation of dormitory building fire and personnel escape based on pyrosimand pathfinder [J].Journal of the Chinese Institute of Engineers, 2017, 40(3):262-263.

[13]The standard policy and strategy committee. Human factors: Life safety strategies-Occupant evacuation, behaviour and condition: BSIPD7974-6-2004[S]. London：London South Bank University，2007.

[14]ISO Technical Committees.Fire Safety Engineering-Selection of Design Fire Scenarios and Design Fires :ISO 16733-2015. [S].Hangzhou:Zhejiang InstituteofStandardization,2015.

[15]建筑消防安全工程分技術委員會.人員疏散評估指南:GB/T 31593.9-2015[S].北京：中國標準出版社,2015.