計算機(jī)房火災(zāi)危險性與煙氣蔓延的FDS模擬及規(guī)律研究

李景瑞,符 凌

(1. 華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2.中國石油大學(xué)(北京) 安全與海洋工程學(xué)院，北京 102249)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，城鎮(zhèn)化步伐加快，使得建筑物勢必向高層發(fā)展。根據(jù)建筑規(guī)范，我國將10層及以上的居住建筑或高估超過24米的建筑歸為高層建筑。由中國消防網(wǎng)公布的數(shù)據(jù)顯示，截比2018年，我國已有35萬余幢高層建筑。高層建筑具有樓層多、人員密集、內(nèi)部裝飾材料多等特點(diǎn)一旦發(fā)生火災(zāi)將給人們的生命安全和財產(chǎn)帶來巨大的威脅和損失，因此火災(zāi)危險性遠(yuǎn)高于普通建筑。每年我國高層建筑火災(zāi)占了總火災(zāi)的6%，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，給社會安全帶來了較大影響。本文主要論述了高層建筑內(nèi)火災(zāi)危險性較大的計算機(jī)房火災(zāi)危險性,分析了高層建筑火災(zāi)的特性并分析了高層建筑火災(zāi)蔓延和煙氣分布規(guī)律[1，2]。

關(guān)于建筑火災(zāi)煙氣流動與控制的研究主要采用兩種方法:一是開展火災(zāi)煙流試驗(yàn),即通過試驗(yàn)來分析、認(rèn)識、掌握火災(zāi)煙氣流動規(guī)律及其控制原理；二是采用計算機(jī)模擬的研究方法。

隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和模擬軟件的日益成熟，因價格低、使用便捷等優(yōu)勢使得數(shù)值火災(zāi)模擬的方式被廣泛的使用。

國外多位學(xué)者在包括中庭、場館、航站樓等大空間火災(zāi)[3-5]采用實(shí)體試驗(yàn)和計算機(jī)數(shù)值模擬方法取得了很大的科研成就。Shipp等人通過汽車在隧道中的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，研究火災(zāi)的熱釋放速率、車輛附近的溫度和熱流量。Ida Larsson以縮比模型試驗(yàn)研究不同的通風(fēng)模式對火災(zāi)的影響。Chow通過火災(zāi)試驗(yàn)得到煙氣層溫度分布的特點(diǎn)，并與Ingason等人的研究結(jié)果進(jìn)行比較，得到影響煙氣層溫度分布的因素。Candid等人進(jìn)行火災(zāi)大小為1.6 MW的模型試驗(yàn)，并與數(shù)值模擬的對比，得出影響機(jī)械排煙的有效性的因素。Chow基于對已有地鐵火災(zāi)的研究基礎(chǔ)，建立三維火災(zāi)場景模擬不同通風(fēng)條件下的煙氣擴(kuò)散情況。Abu Zaid等人選取某地鐵換乘站建立火災(zāi)模擬模型，研究不同火源位置的溫度場和煙氣速度矢量場。Deng等建立多個火災(zāi)模擬模型，研究了網(wǎng)格劃分形式不同對火災(zāi)模擬結(jié)果的影響。Zhong B借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立火災(zāi)模擬場景，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)，提出現(xiàn)實(shí)火災(zāi)時的疏散建議。

國內(nèi)學(xué)者基于FDS針對公共建筑火災(zāi)的研究也日漸成熟。

魏東，張希瑜[6]在基于FDS數(shù)值模擬的公共建筑首層煙氣蔓延對疏散樓梯間的影響分析中利用計算機(jī)數(shù)值模擬方法，對公共建筑首層發(fā)生火災(zāi)后煙氣流動情況進(jìn)行研究，分析煙氣流場的規(guī)律以及對疏散樓梯間的影響，探索進(jìn)一步改善人員疏散的方法。

金潮，張菁，游國強(qiáng)等在基于FDS的后處理廠有機(jī)溶劑火災(zāi)事故后果研究為計算乏燃料后處理廠有機(jī)溶劑泄漏導(dǎo)致的火災(zāi)事故后果影響，基于FDS火災(zāi)數(shù)值模擬軟件，結(jié)合火災(zāi)過程放射性物質(zhì)釋放量經(jīng)驗(yàn)公式，建立火災(zāi)場景模型，對后處理廠密閉空間內(nèi)因氧含量不足、有機(jī)溶劑泄漏造成的火災(zāi)事故持續(xù)時間和放射性物質(zhì)釋放量進(jìn)行計算。

劉曉，蔡治勇[7]等在基于FDS的高層建筑火災(zāi)數(shù)值模擬研究中利用FDS軟件對一幢高層住宅建筑的房間和走廊設(shè)置火源進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對三個不同測點(diǎn)的煙氣濃度、CO濃度、溫度和能見度進(jìn)行測試得出其結(jié)果，以此來得到最佳的疏散時間。

郝冠宇使用FDS(Fire Dynamics Simulator)軟件進(jìn)行災(zāi)后排煙過程的模擬，重點(diǎn)對排風(fēng)口風(fēng)速、誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)設(shè)置以及通風(fēng)口位置和形狀三個因素對排煙效果的影響進(jìn)行分析。高明旭通過對比數(shù)值模擬結(jié)果，通過防火門狀態(tài)和自然通風(fēng)排煙、機(jī)械負(fù)壓排煙、全面通風(fēng)排煙等狀態(tài)設(shè)置了六種火災(zāi)場景，對火災(zāi)發(fā)展及煙氣蔓延規(guī)律進(jìn)行了研究，確定了火災(zāi)時的最大火災(zāi)規(guī)模約為8～16 MW。

程遠(yuǎn)平、R John在德國火災(zāi)試驗(yàn)大廳對一輛小汽車進(jìn)行實(shí)體試驗(yàn)研究，得到諸如火場內(nèi)溫度、速度、釋熱率及煙氣濃度等一系列火災(zāi)參數(shù)的變化規(guī)律，并總結(jié)出人員逃生和滅火救災(zāi)的最佳時間。鐘委等人研究熱釋放速率的設(shè)定方法。楊立中等人利用小尺度的試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯繜煔鉂舛鹊淖兓攸c(diǎn)，以及完全燃燒對煙氣濃度的影響。程遠(yuǎn)平等利用計算機(jī)仿真技術(shù)研究煙氣與熱排放在消防安全領(lǐng)域的作用，得出排煙口有效面積與地板面積的百分比對煙氣排放體積流量和釋熱率的影響。

本文運(yùn)用FDS模擬軟件對某一高層教學(xué)樓計算機(jī)房進(jìn)行模擬，設(shè)置起火點(diǎn)為機(jī)房后部紙箱，火源功率為1.0 MW，教室兩扇窗戶和前門與外界連通，分析煙氣蔓延速度、溫度以及煙氣層分布變化規(guī)律。為高層建筑火災(zāi)煙氣的有效控制、人員疏散、火災(zāi)撲救提供理論依據(jù)。

1 模型建立

選取某高層教學(xué)樓計算機(jī)房為例進(jìn)行火災(zāi)場景分析。首先根據(jù)可燃物的分布情況分析整棟建筑可能的起火點(diǎn)位置。然后，通過對多個有可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果或者較容易引起火災(zāi)蔓延的部位進(jìn)行對比分析，選擇最嚴(yán)重的火災(zāi)場景，即選取機(jī)房后部起火，房間后端疏散門緊閉不能用于人員疏散和排煙使用。

1.1 幾何模型

本文以典型計算機(jī)房為框架建立模型。機(jī)房高2.749 m，俯視圖如圖1所示。

圖1 機(jī)房俯視圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

本文采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)局建筑與火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的火災(zāi)動態(tài)模擬軟件FDS進(jìn)行模擬。火場的大小及其他一些參數(shù)可以通過熱釋放速率來描述。

FDS(Fire Dynamics Simulator)是美國國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局(NIST:National Institute of Standards and Technology )建筑火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室(Building and Fire Research Laboratory)開發(fā)的基于混合分?jǐn)?shù)燃燒模型和數(shù)值模擬為基礎(chǔ)的三維計算流體動力學(xué)軟件，可以用兩種方式處理火災(zāi)湍流流動過程，大渦模擬(LES)和直接數(shù)值模擬(DNS)。該軟件采用數(shù)值方法求解受火災(zāi)浮力驅(qū)動的低馬赫數(shù)流動的N-S方程，重點(diǎn)計算火災(zāi)中的煙氣和熱傳遞過程。FDS軟件準(zhǔn)確性得到了大量試驗(yàn)的驗(yàn)證，因此在火災(zāi)科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

模擬初始條件設(shè)置北部窗戶與房間前部門口開啟與外界大氣聯(lián)通，外界1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，環(huán)境溫度為20℃。不設(shè)置機(jī)械通風(fēng)和滅火系統(tǒng)。

1.3 火災(zāi)場景構(gòu)建

計算機(jī)房內(nèi)部設(shè)備基本參數(shù)，如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)對象基本參數(shù)

給定一個初始火源以實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)蔓延過程的模擬。以實(shí)驗(yàn)房間和設(shè)備的實(shí)際尺寸建立相應(yīng)的物理模型，火源位置設(shè)置在紙箱的下部，并將箱子2引燃，利用引火源的輻射熱自動引燃其他紙箱，火災(zāi)過程中引火源不撤去。根據(jù)董慧[8]等在標(biāo)準(zhǔn)房間內(nèi)熱釋放率的研究，以及張和平、王蔚、楊昀等室內(nèi)沙發(fā)熱釋放速率全尺寸實(shí)驗(yàn)研究[9]中火源的設(shè)置方法。屋內(nèi)物品的熱釋放速率大約為0.7～2.2 MW，本文中起火點(diǎn)為瓦楞紙箱，取其火源功率為1.0 MW。

物性參數(shù)設(shè)置：初始時刻，環(huán)境溫度設(shè)置為20℃，門外均設(shè)置開口邊界，北1、北2窗定義為通風(fēng)口，Specify Velocity 設(shè)置為2.5 m/s。按照FDS軟件使用手冊中推薦的方法劃分網(wǎng)格，計算得到模型的火災(zāi)特征直徑，為了達(dá)到最佳的模擬精度，取 X、Y、Z 三個坐標(biāo)軸上的網(wǎng)格數(shù)為4.8萬，模擬時間為300 s，火源功率取1.0 MW。圖2為起火面位置的設(shè)置。

圖2 燃燒面位置

2 模擬結(jié)果分析

該模型火源以恒定的熱釋放速率3000 kW/m2，著火面為0.475 m×0.5 m引燃可燃物?？扇嘉餆後尫潘俾嗜鐖D3所示。根據(jù)該HRR變化曲線可知該火災(zāi)場景火災(zāi)熱釋放速率隨著時間以冪指數(shù)形式增加，在700 kW之后熱釋放速率趨于穩(wěn)定，700 kW之后的取平均，得到該火災(zāi)場景熱釋放速率平均值為862.77 kW。

2.1 煙氣層高度模擬結(jié)果及分析

通過Smokeview對模擬的火災(zāi)進(jìn)行分析觀察，得到不同時間煙氣到達(dá)房間各個位置的情況，如圖4～圖8。

圖3 HRR變化圖

圖4 在2 s時機(jī)房的煙氣分布圖

圖5 在4 s時機(jī)房的煙氣分布圖

圖6 在6 s時機(jī)房的煙氣分布圖

圖7 在13 s時機(jī)房的煙氣分布圖

圖8 在100 s時機(jī)房的煙氣分布圖

根據(jù)煙氣分布圖可以得出：

(1) 煙氣在4 s到達(dá)房間中部；機(jī)房中后部未撤離的人群開始受到煙氣威脅。

(2) 煙氣在6 s到達(dá)房間3/4，已蔓延至房間的大部分位置。

(3) 煙氣在13 s時到達(dá)機(jī)房疏散門。之后煙氣層從樓板向下不斷下降，30 s之后煙氣層穩(wěn)定在1.6～2.02 m之間。也就是說從地板算起1.6 m以下較為安全，只存在少量煙氣。

機(jī)房中部煙氣層高度隨時間的變化曲線如圖9所示。

煙氣層在第一次下降到2.35 m處后開始逐漸趨于穩(wěn)定，將該曲線4.51 s之后取煙氣層高度的平均值，得機(jī)房中部煙氣層高度在1.877 m左右。煙氣層高度最小值為1.474 m，疏散人員應(yīng)盡量保持彎腰前行，減少煙氣對人體的傷害[10]。

2.2 溫度場模擬結(jié)果及分析

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，疏散人員需從兩個疏散門逃生，但是由于火災(zāi)的發(fā)展，選擇的逃生出口也不同。如果選擇出口不當(dāng)，由于溫度過高可能無法接近，造成嚴(yán)重后果。應(yīng)根據(jù)不同的火源位置和火災(zāi)時間選擇出口。模擬過程在Y取4.71處設(shè)置了溫度切片，該切片通過火源表面。切片溫度分布變化與時間的關(guān)系如圖10～圖15所示。

圖9 機(jī)房中部煙氣層高度變化

圖10 在1 s時Y=4.71處機(jī)房溫度分布圖

圖11 在2 s時Y=4.71處機(jī)房溫度分布圖

圖12 在10 s時Y=4.71處機(jī)房溫度分布圖

圖13 在100 s時Y=4.71處機(jī)房溫度分布圖

圖14 在200 s時Y=4.71處機(jī)房溫度分布圖

圖15 在300 s時Y=4.71處機(jī)房溫度分布圖

由圖10～圖15可以得出：

(1) 1 s時，火源輻射范圍到達(dá)距離機(jī)房后端墻壁1.471 m位置，機(jī)房最后一排桌椅由于火源影響，開始具有燃燒的可能。

(2) 2 s～7 s隨著高溫?zé)煔庋胤块g頂部向疏散門蔓延，房間頂部溫度升高，范圍快速擴(kuò)大并逐漸向房間前部蔓延。

(3) 10 s后，由于煙氣第一次到達(dá)房間前端，隨著煙氣影響，開始在機(jī)房前端形成一個溫度大于60℃的高溫區(qū)域，該區(qū)域距機(jī)房東墻2 m左右，距離地面小于1 m。形成的原因主要是是煙氣層在機(jī)房頂部流動，遇到機(jī)房前端墻壁后受到阻擋形成較大的渦流，由于煙氣聚集，形成了該高溫區(qū)域。人員疏散時應(yīng)該繞過該區(qū)域[11-13]。

(4) 100 s～300 s中部溫度層緩慢下降，但比較前端溫度升高范圍，溫度層最低點(diǎn)維持在距離地面1.8 m以上；前端由于煙氣聚集，高溫區(qū)域較大，橫向范圍為前端1/5區(qū)域，縱向范圍為距離地面1.5 m左右。

溫度變化情況如圖16、圖17所示，THCP 4最高溫度為70.404℃，THCP 5最高溫度27.924℃。對比熱電偶對應(yīng)位置的椅子材質(zhì)的著火點(diǎn)，300 s內(nèi)火焰并不能蔓延到兩熱電偶所在位置。該火災(zāi)在300 s內(nèi)并不能擴(kuò)散到整個機(jī)房，引燃房間內(nèi)所有設(shè)備。

圖16 THCP 4溫度變化圖

圖17 THCP 5溫度變化圖

3 結(jié)論

本文以高層教學(xué)樓為例給出了此類建筑的火災(zāi)設(shè)定方法，選擇火災(zāi)危險性較大的火災(zāi)場景進(jìn)行分析，并得到了火源熱釋放速率變化曲線，對計算機(jī)房間火災(zāi)蔓延現(xiàn)象進(jìn)行了研究。將計算機(jī)房的火災(zāi)類型設(shè)定為完全發(fā)展型火災(zāi)，同時以最不利情況為原則，設(shè)定該建筑最危險的火災(zāi)場景為計算機(jī)房火災(zāi)；火災(zāi)最大熱釋放速率為947.50 kW，并描述出其火源熱釋放速率的變化曲線作為火災(zāi)場景設(shè)置的輸出參數(shù)；完整地描述了計算機(jī)房火災(zāi)的發(fā)展蔓延過程，分析了室內(nèi)煙氣溫度的變化，結(jié)果可為進(jìn)一步開展教學(xué)建筑火災(zāi)蔓延的研究提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。具體結(jié)論如下：

(1) 根據(jù)該HRR變化曲線可知火焰功率為1.0 MW的計算機(jī)房紙箱起火場景火災(zāi)熱釋放速率在700 kW之后熱釋放速率趨于穩(wěn)定，700 kW之后的取平均，得到該火災(zāi)場景熱釋放速率平均值為862.77 kW，由于起火點(diǎn)引燃其他紙箱導(dǎo)致實(shí)際的熱釋放速率超出初始條件中設(shè)置的700 kW。

(2) 紙箱起火后10 s，煙氣到達(dá)機(jī)房前部后逐漸形成一個大于60℃的高溫區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)煙氣距地面最小高度1.474 m，同時向前部疏散門和機(jī)房后部擴(kuò)散，向后部擴(kuò)散至距前墻2.1 m位置。高溫區(qū)域形成是由于煙氣層在機(jī)房頂部流動，遇到機(jī)房前端墻壁后受到阻擋回流聚集后形成較大的煙氣高密度區(qū)。根據(jù)模擬結(jié)果建議在機(jī)房中部加裝擋煙垂壁，有效阻止煙氣蔓延至機(jī)房前端，增加機(jī)房內(nèi)人員疏散時間。

(3) 煙氣在13 s時到達(dá)機(jī)房前端疏散門。隨后煙氣層從樓板向下不斷下降，30 s之后煙氣層穩(wěn)定在1.6 m～2.02 m之間，即該火災(zāi)功率下1.6 m高度內(nèi)區(qū)域較為安全，僅有少量煙氣。

(4) 在火災(zāi)發(fā)生100 s～300 s后中部煙氣層緩慢下降，100℃的溫度層最低點(diǎn)維持在距離地面1.8 m以上。本文為該場景高層建筑火災(zāi)煙氣的有效控制、人員疏散、火災(zāi)撲救提供了理論依據(jù)。

(5) 煙氣層在第一次下降到2.35 m處后開始逐漸趨于穩(wěn)定， 4.51 s之后取煙氣層高度的平均值，得到機(jī)房中部煙氣層高度穩(wěn)定在1.877 m處。

(4) 根據(jù)溫度場模擬結(jié)果及分析，THCP 4最高溫度為70.404℃，THCP 5最高溫度27.924℃。對比熱電偶對應(yīng)位置的椅子材質(zhì)的著火點(diǎn)，300 s內(nèi)火災(zāi)并不能擴(kuò)散到兩熱點(diǎn)偶所在位置。該火災(zāi)在300 s內(nèi)并不能擴(kuò)散到整個機(jī)房，引燃所有設(shè)備。但由于書本、衣物等可燃物的堆積，勢必會增加機(jī)房的火災(zāi)荷載。一旦遇到火源著火后可能蔓延整個機(jī)房，對整棟教學(xué)樓造成嚴(yán)重的威脅。建議加強(qiáng)計算機(jī)房的管理，禁止堆放易燃物。