基于FDS的火災(zāi)調(diào)查及場景重構(gòu)研究

■ 邰鋒 深圳市消防救援支隊(duì)

引發(fā)火災(zāi)的原因有多種，比如人為或自然因素等，而火災(zāi)具有不可預(yù)測性、多變性、隨時(shí)性等特點(diǎn)，并且其發(fā)生過程是一個(gè)非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程?；馂?zāi)是生活中較常見的安全隱患，不僅會(huì)造成一定數(shù)量的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)威脅人的生命安全，因此火災(zāi)是一個(gè)不容忽視的問題[1]。世界各地每年都會(huì)發(fā)生火災(zāi)事故，造成的經(jīng)濟(jì)損失比較大，人員傷亡數(shù)量也較多，由此可以看出火災(zāi)給人類社會(huì)帶來了不安定因素[2]。為了降低火災(zāi)對人類的危害，每次火災(zāi)發(fā)生后都會(huì)由消防安全人員對火災(zāi)進(jìn)行調(diào)查，分析火災(zāi)發(fā)生的原因，并且重構(gòu)火災(zāi)發(fā)生的場景，為消防安全人員控制火災(zāi)、預(yù)防火災(zāi)以及制定合理的消防安全措施提供指導(dǎo)。但是，目前現(xiàn)有的火災(zāi)調(diào)查及場景重構(gòu)方法在實(shí)際應(yīng)用中重構(gòu)場景與實(shí)際場景存在較大的差距，重構(gòu)場景與實(shí)際場景相關(guān)系數(shù)較低，為此提出基于FDS的火災(zāi)調(diào)查及場景重構(gòu)。

一、FDS概述

FDS是一種數(shù)據(jù)模擬分析軟件，由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院研發(fā)，主要用于火災(zāi)場景數(shù)值模擬分析。FDS軟件將原本的三維空間計(jì)算區(qū)域劃分成多個(gè)大小相同的正方體網(wǎng)格，通過三維空間模型搭建分析出火災(zāi)發(fā)生場景，并依靠計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)，對搭建的火災(zāi)三維空間場景模型的燃燒、傳熱以及傳質(zhì)的守恒方程進(jìn)行計(jì)算。由于FDS軟件具有計(jì)算精度高、效率快等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域中，包括用于火災(zāi)科學(xué)的研究。目前該軟件已經(jīng)更新到IJH61．0+SDV5．6．2版本，在功能上和性能上都優(yōu)于以前的版本，可以對火災(zāi)場景中的通風(fēng)條件、熱源以及建筑物邊界條件做出詳細(xì)的描述。

二、基于FDS的火災(zāi)調(diào)查及場景重構(gòu)方法

（一）火災(zāi)調(diào)查

火災(zāi)調(diào)查共分為兩部分，一是對火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行勘察，二是利用模型對火災(zāi)進(jìn)行深度調(diào)查分析。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行記錄和勘查，其中包括火災(zāi)現(xiàn)場的面積、發(fā)生時(shí)間、起火原因、起火點(diǎn)、現(xiàn)場可燃物體種類及數(shù)量等?；馂?zāi)現(xiàn)場勘查只是獲取到一些火災(zāi)基礎(chǔ)調(diào)查信息，根據(jù)這些基礎(chǔ)信息對火災(zāi)進(jìn)行深入調(diào)查[3]。為了提高火災(zāi)調(diào)查效率以及為后續(xù)火災(zāi)場景重構(gòu)提供精度較高的調(diào)查數(shù)據(jù)，本文采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯馂?zāi)進(jìn)行深入調(diào)查，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵袁F(xiàn)場勘查數(shù)據(jù)以及經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入到熱物性參數(shù)編織成的數(shù)學(xué)模型中，計(jì)算出火災(zāi)煙氣濃度、溫度、熱流密度等數(shù)據(jù)信息[4]。在火災(zāi)發(fā)生過程中，由于受到空間限制，物體在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生一種熱氣流，熱氣流會(huì)帶動(dòng)物體燃燒產(chǎn)生的煙氣做向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)受到物體阻擋后會(huì)沿著四周做向下運(yùn)動(dòng)，從而在火災(zāi)空間形成熱煙氣層，其用公式表示如下：

公式（1）中，T表示火災(zāi)空間頂棚處的煙氣溫度；H表示火災(zāi)現(xiàn)場環(huán)境溫度；q表示火災(zāi)現(xiàn)場熱釋放速率；r表示地面距煙羽流中心軸的徑向距離；L表示火源到火災(zāi)空間頂棚的垂直高度。將火災(zāi)現(xiàn)場勘查數(shù)據(jù)帶入到上述公式中，利用上述公式可以計(jì)算出火災(zāi)現(xiàn)場熱釋放速率，根據(jù)該數(shù)值再計(jì)算出火災(zāi)火焰高度，其計(jì)算公式如下：

公式（2）中，X表示火災(zāi)火焰高度；Y表示無量綱熱流密度；D表示火源直徑。通過以上計(jì)算分析，基本可以了解到火災(zāi)數(shù)據(jù)信息，以此完成火災(zāi)調(diào)查。

（二）基于FDS的火災(zāi)場景重構(gòu)

在火災(zāi)調(diào)查的基礎(chǔ)上，利用調(diào)查信息對火災(zāi)場景進(jìn)行重構(gòu)，本文考慮到場景重構(gòu)精度、火源面積以及房間尺寸變化對火災(zāi)燃燒模擬的影響，采用FDS軟件對火災(zāi)場景進(jìn)行重構(gòu)，過程如下：

在FDS軟件中建立一個(gè)直角坐標(biāo)系，根據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場長、寬、高確定直角坐標(biāo)系的計(jì)算區(qū)域。將建立的計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化處理，令計(jì)算區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格均勻分布，單個(gè)網(wǎng)格大小設(shè)定為0．5×0．5×0．5，根據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場面積大小確定網(wǎng)格總數(shù)量。在該直角坐標(biāo)系中對計(jì)算區(qū)域邊界與外部空間邊界進(jìn)行自由邊界設(shè)定，這樣可以不會(huì)限制火焰動(dòng)向以及火災(zāi)煙氣流動(dòng)。設(shè)定完火災(zāi)場景重構(gòu)區(qū)域后，在FDS軟件中設(shè)定火源為油池火反應(yīng)，也就是燃料先受熱蒸發(fā)再進(jìn)入氣相反應(yīng)，這是常見火源反應(yīng)，也可以根據(jù)實(shí)際情況對其進(jìn)行設(shè)定。然后在FDS軟件中對火災(zāi)場景重構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，參數(shù)設(shè)置關(guān)系到火災(zāi)場景重構(gòu)精度，需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置，其中包括火災(zāi)現(xiàn)場尺寸、火災(zāi)材料熱物性等，尤其是火災(zāi)材料參數(shù)設(shè)置，不同火災(zāi)材料的熱物性是不同的。

將火災(zāi)調(diào)查數(shù)據(jù)輸入到FDS軟件火災(zāi)場景中，此時(shí)FDS軟件會(huì)對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，從而形成一個(gè)火災(zāi)現(xiàn)場三維空間模型，在該模型中可以了解到所有火災(zāi)場景信息，將真實(shí)火災(zāi)場景進(jìn)行還原，以此完成火災(zāi)場景重構(gòu)，進(jìn)而完成了基于DFS的火災(zāi)調(diào)查及場景重構(gòu)。

三、實(shí)驗(yàn)論證分析

實(shí)驗(yàn)以某酒店火災(zāi)事故為實(shí)驗(yàn)對象，火災(zāi)發(fā)生原因?yàn)槿藶榭v火，火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)為一座15層高層建筑，樓層高度4．5m，起火樓層位于5樓，單層建筑物面積約1656m2?；馂?zāi)發(fā)生后，酒店工作人員立即向市消防隊(duì)報(bào)警，市消防隊(duì)接到報(bào)警后調(diào)集14名消防隊(duì)員和4輛消防車趕往火災(zāi)現(xiàn)場，經(jīng)過3小時(shí)的火災(zāi)救援，火災(zāi)被撲滅，造成人員傷亡9人，實(shí)驗(yàn)利用此次設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法對該火災(zāi)進(jìn)行調(diào)查與場景重構(gòu)。實(shí)驗(yàn)調(diào)查結(jié)果：火災(zāi)燒毀面積約566．25m2，主要集中在第5層，包括16間客房。

利用FDS軟件對火災(zāi)場景進(jìn)行重構(gòu)，根據(jù)火災(zāi)面積將火災(zāi)劃分成五個(gè)場景，表1為該五個(gè)火災(zāi)場景工況表。

表1 火災(zāi)場景工況表

實(shí)驗(yàn)利用FDS軟件對五個(gè)火災(zāi)場景進(jìn)行重構(gòu)，包括溫度、熱釋放率、時(shí)間等，其中五個(gè)火災(zāi)場景熱釋放率分別為1520kW、1300kW、1450kW、1650kW、1760kW，將火災(zāi)重構(gòu)場景與實(shí)際情況進(jìn)行對比分析，利用BHJU軟件計(jì)算出重構(gòu)場景與實(shí)際場景的相關(guān)系數(shù)，實(shí)驗(yàn)將其作為兩種方法對比分析指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 兩種方法相關(guān)系數(shù)對比

從表2可以看出，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)方法對火災(zāi)重構(gòu)的場景與實(shí)際場景基本相同，相關(guān)系數(shù)值較大，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法，這說明本文設(shè)計(jì)方法可以真實(shí)地反映出火災(zāi)當(dāng)時(shí)場景，更適用于火災(zāi)調(diào)查及場景重構(gòu)。

四、結(jié)語

FDS作為一個(gè)精度較高的火災(zāi)數(shù)值模擬軟件，對火災(zāi)調(diào)查與場景重構(gòu)具有重要的應(yīng)用價(jià)值，本文結(jié)合該軟件優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套新的火災(zāi)調(diào)查及場景重構(gòu)方法，并且利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性和適用性，可以為消防安全人員制定消防措施提供數(shù)據(jù)依據(jù)，同時(shí)也可以為消防部門確定火災(zāi)滅火方案提供基礎(chǔ)。