基于Pyrosim的航站樓火災(zāi)差異化噴淋系統(tǒng)仿真

宋 洋，姜紅肖

(1.中國民航大學(xué)公共管理學(xué)院，天津 300300；2.中國民航大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，天津 300300)

《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》提出，到2035年，國家民用運(yùn)輸機(jī)場達(dá)到400個左右，“十四五”新增民用運(yùn)輸機(jī)場30個以上[1]。民用機(jī)場航站樓作為集各種功能為一體的現(xiàn)代化旅客運(yùn)輸載體，消防安全問題成為日益關(guān)注的重點。

航站樓若發(fā)生火災(zāi)，空間縱向深，豎直高度長，將會造成一氧化碳(CO)等有毒有害氣體的迅速累積和大量輻射熱的釋放，將會直接危及航站樓內(nèi)人員的生命財產(chǎn)安全。如果能夠模擬火災(zāi)演化過程，了解火災(zāi)發(fā)展變化規(guī)律，將對后續(xù)采取有效措施預(yù)防控制航站樓火災(zāi)尤為重要。

張立茂等[2]利用火災(zāi)動力學(xué)模擬器(fire dynamics simulator，F(xiàn)DS)建立火災(zāi)仿真模型，通過對煙氣濃度、CO濃度和能見度分析確定安全疏散時間臨界值，基于Pathfinder進(jìn)行人員疏散。梅甫定等[3]通過FDS+EVAC模擬隧道在有無安裝自動噴水滅火系統(tǒng)下的火災(zāi)發(fā)展變化情況。梁永健等[4]通過FDS+EVAC軟件建立宿舍起火優(yōu)先疏散方案。張青松等[5]通過FDS+Pathfinder軟件建立飛機(jī)客艙火災(zāi)模型，來仿真評估各型飛機(jī)防火性能。劉芳等[6]使用FDS軟件，模擬古建筑在不同情況下的火災(zāi)蔓延過程，分析不同位置熱釋放速率、熱電偶溫度、煙氣流動蔓延情況，研究古建筑的火災(zāi)蔓延規(guī)律。Tsukahara等[7]以地鐵車站建立火災(zāi)FDS模型，評估煙霧、溫度和有毒氣體對地鐵車站疏散樓梯的影響情況，并提出新的與煙流方向相反的經(jīng)驗證更安全的下行疏散路線。Bystr?m等[8]利用FDS軟件對假設(shè)的環(huán)境溫度進(jìn)行火災(zāi)數(shù)值模擬，研究環(huán)境溫度對火災(zāi)的影響，探討火災(zāi)的發(fā)展變化和溫度分布，對仿真模擬結(jié)果與實際情況進(jìn)行差異化分析。Arunnvinthan等[9]針對事故場景范圍的火災(zāi)風(fēng)險建模，用兩種不同的火災(zāi)模擬方法，固體火焰模型和計算流體動力學(xué)模型評價火災(zāi)場景，比較兩種方法的結(jié)果，確定火災(zāi)風(fēng)險建模的準(zhǔn)確性。

以上研究多是利用火災(zāi)仿真軟件進(jìn)行人員疏散和仿真之后部分指標(biāo)分析，對于火災(zāi)模型的精細(xì)化建立、仿真分析以及有無噴淋對各項指標(biāo)的影響研究很少。現(xiàn)提出航站樓火災(zāi)場景下的有無噴淋系統(tǒng)的火災(zāi)仿真，結(jié)合排煙設(shè)施運(yùn)行等綜合因素對火災(zāi)發(fā)展變化中的煙氣層高度、能見度、熱輻射溫度進(jìn)行全面綜合分析，實現(xiàn)航站樓有噴淋與無噴淋的差異化方案，評估不同火災(zāi)仿真方式的影響。

1 火災(zāi)模擬軟件介紹

1.1 FDS及其應(yīng)用

由場模型為理論基礎(chǔ)編制的專用火災(zāi)模型軟件 FDS是以火災(zāi)中煙氣運(yùn)動為主要模擬對象開發(fā)設(shè)計的計算流體力學(xué)軟件，主要用于火災(zāi)中煙氣流動和熱傳遞過程的數(shù)值模擬，例如，煙氣控制設(shè)計、探測器啟動時間研究和火災(zāi)重構(gòu)。

FDS軟件是火災(zāi)模擬領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的軟件，火災(zāi)模擬功能豐富，包括消防工程常用的火源設(shè)置、熱解模型、燃燒模型、水噴淋系統(tǒng)、報警器模擬和邏輯控制，同時豐富的后處理軟件Smokeview能計算輸出許多和火災(zāi)有關(guān)的計算結(jié)果。

1.2 Pyrosim簡介

Pyrosim是專門為FDS開發(fā)的建模軟件，以流體動力學(xué)為依據(jù)，可以快速準(zhǔn)確地建立復(fù)雜火災(zāi)模型，預(yù)測煙霧濃度、煙氣層高度、熱輻射量和其他物質(zhì)在火災(zāi)過程中的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，可以調(diào)用FDS進(jìn)行模擬計算，并可以采用Smokeview或Pyrosim results查看火災(zāi)模擬結(jié)果。

1.3 候機(jī)廳模型建立

以中國東部地區(qū)某大型機(jī)場航站樓為原型，建立航站樓東南指廊候機(jī)廳的三維模型。如圖1所示，該區(qū)域建筑長160 m，寬30 m，高8 m，面積為38 400 m2。由于空間較大，想要仿真效果更真實精確，把模型空間劃分為3個區(qū)域，采用多重網(wǎng)格設(shè)置，火源附近采用0.25 m×0.25 m×0.25 m大小的網(wǎng)格，兩側(cè)依次采用0.5 m×0.5 m×0.5 m，1.0 m×1.0 m×1.0 m大小的網(wǎng)格過渡，并進(jìn)行敏感性驗證，最終共100 224個大小合適的網(wǎng)格。

該區(qū)域設(shè)有7個寬1.6 m、高2.5 m的登機(jī)口，其中西側(cè)3個、東側(cè)4個都與廊橋相連，廊橋外側(cè)是停機(jī)坪。候機(jī)廳內(nèi)部東西兩側(cè)有書店、服裝店、化妝品店、候機(jī)座椅等，北側(cè)與航站樓中央大廳相連，南側(cè)封閉。

1.4 火災(zāi)煙氣流體力學(xué)控制方程

質(zhì)量守恒方程[10]為

(1)

動量守恒方程[11]為

(2)

熱輻射量傳遞[11]為

σS(X,λ)Iλ(X,S)+B(X,λ)+

(3)

能量守恒方程[12]為

(4)

在火災(zāi)發(fā)展變化過程中，反應(yīng)物遵循燃燒發(fā)展變化規(guī)律[12]。

2 航站樓候機(jī)廳FDS火災(zāi)模型構(gòu)建

2.1 起火場景假設(shè)

火源熱釋放速率方程[13]為

Q=α(t-t0)2

(5)

式(5)中：Q為火源熱釋放速率，kW；α為火災(zāi)增長系數(shù)，kW/m2；t0為開始有效燃燒所需的時間。通常不考慮火災(zāi)的前期醞釀，則火源熱釋放速率方程[13]簡化為

Q=αt2

(6)

依據(jù)火災(zāi)“中庭”和最不利原則，假設(shè)模擬候機(jī)廳書店內(nèi)書籍著火，火勢從陰燃到明火再到劇烈燃燒，產(chǎn)生大量高溫濃煙向頂棚聚集并向四周蔓延，同時由于航站樓防火分區(qū)的設(shè)定和自然排煙與機(jī)械排煙的運(yùn)行，煙氣累積緩慢。由表1可得，書籍起火以t2快速火的形式燃燒，α為0.046 89 kW/m2。由表2可得，假設(shè)書店設(shè)有噴淋，則最大熱釋放速率選取3.0 MW[13]，由式(8)可計算出達(dá)到3.0 MW所需時間為253 s，假設(shè)書店沒有設(shè)置噴淋，則最大熱釋放速率為10 MW，則達(dá)到最大熱釋放速率時間為461.8 s。

(7)

(8)

表1 對應(yīng)于t2火災(zāi)的各類可燃物Table 1 Various combustibles corresponding to t2 fire

表2 火災(zāi)穩(wěn)態(tài)熱釋放速率Table 2 Fire steady state heat release rate

2.2 自動噴淋系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)《自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(GB50084—2017)的要求，當(dāng)民用建筑或工業(yè)廠房中最大凈空高度不超過8 m的高大空間場所，屬于中危險Ⅱ級的候機(jī)廳可選擇噴水強(qiáng)度為8 L/(min·m2)的自動噴水滅火系統(tǒng)，噴頭間距為1.8～3.0 m[14]，但綜合考慮經(jīng)濟(jì)性與實用性指廊候機(jī)廳安裝噴頭間距3 m×3 m，距頂部高度也是3 m，同時設(shè)置消防聯(lián)動控制系統(tǒng)，達(dá)到觸發(fā)溫度68.33 ℃，噴淋系統(tǒng)自動開啟工作。

2.3 防煙分區(qū)劃分

依據(jù)工業(yè)建筑防煙分區(qū)的要求，表3對于航站樓凈空高度大于6 m，則指廊將候機(jī)廳劃分為3個防煙分區(qū)即3個區(qū)域，從南向北設(shè)定長邊依次為0～50 m(第一防煙分區(qū))，50～110 m(第二防煙分區(qū))，110～160 m(第三防煙分區(qū))。

表3 工業(yè)建筑防煙分區(qū)的最大允許面積及長邊最大允許長度Table 3 The maximum allowable area and the maximum allowable length of the long side of the smoke-proof zone of industrial buildings

2.4 排煙系統(tǒng)設(shè)計

依據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB50016—2014)的要求，建筑面積大于300 m2且經(jīng)常有人停留或者可燃物較多的地上房間應(yīng)設(shè)置自然排煙和機(jī)械排煙[15]，同時根據(jù)航站樓高大空間自然排煙系統(tǒng)主要設(shè)計原則和控制指標(biāo)，自然排煙窗口面積約占自然排煙區(qū)水平投影面積的2%[16]，假定每個防煙分區(qū)4個自然排煙窗口，則每個排煙窗口面積依次約為7、9、7 m2。

對于機(jī)械排煙，使用聯(lián)動控制系統(tǒng)，當(dāng)感煙探測器探測煙氣，排煙機(jī)將開始工作，通常機(jī)械排煙量應(yīng)按建筑中最大的防煙分區(qū)面積設(shè)計排煙量，故以≥120 m3/hm2排煙量為例進(jìn)行計算[17]，由于候機(jī)廳最大防煙分區(qū)(第二防煙分區(qū))面積為1 800 m2，排煙管道內(nèi)排煙總量計算為：1 800×120=216 000 m3/h。

根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》，假設(shè)一個防煙分區(qū)兩個機(jī)械排煙口的排煙量：216 000 m3/h/2=108 000 m3/h計算，由于排煙口的風(fēng)速應(yīng)小于等于10 m/s，那么排煙口面積為108 000/(2×3 600×10)=1.5 m2，同理可得第一，第三防煙分區(qū)的排煙口面積為1.25 m2。候機(jī)廳頂部采用自然排煙，側(cè)面采用機(jī)械排煙的方式，同時合理布置自然排煙窗口與機(jī)械排煙窗口之間的距離。

2.5 FDS火災(zāi)模型建立

如圖2所示，在東西兩側(cè)登機(jī)口以及3個防煙分區(qū)和書店外側(cè)附近2.5 m處布置能見度探測裝置；在同樣位置從2.5 m處開始垂直間隔每1.2 m設(shè)置熱電偶探測裝置，用于檢測煙氣溫度隨時間變化情況；在東西兩側(cè)登機(jī)口和3個防煙分區(qū)以及書店外側(cè)設(shè)置垂直0～8 m高度煙氣層高度探測設(shè)置；在3個防煙分區(qū)從2.5 m開始垂直間隔1.2 m布置測量熱輻射溫度變化的感溫探測器；與感溫探測器同樣位置高2.5 m處設(shè)置感煙探測器用于測量煙氣濃度變化。

圖2 指廊候機(jī)廳各區(qū)域探測設(shè)備布置Fig.2 Layout of detection equipment in each area of the corridor terminal

3 航站樓候機(jī)廳差異化FDS火災(zāi)模型仿真

對FDS火災(zāi)場景在Pyrosim軟件下針對兩種場景進(jìn)行仿真，假設(shè)火災(zāi)仿真模擬運(yùn)行時間均為1 200 s[18]，場景一仿真是在沒有噴淋系統(tǒng)的條件下，場景二仿真是在噴淋系統(tǒng)正常工作的條件下；機(jī)械排煙，自然排煙在兩種仿真下都能正常工作，各區(qū)域布置的感煙探測器、感溫探測器、熱電偶、溫度切片、煙氣層高度和能見度均正常工作。Pyrosim軟件模擬運(yùn)行得到兩種不同的火源熱釋放速率變化情況、煙氣濃度變化情況、能見度變化情況以及自動噴淋運(yùn)行情況等，后期通過Smokeview來查看火源燃燒過程、溫度場、煙氣蔓延情況。

3.1 噴淋系統(tǒng)運(yùn)行情況分析

圖3顯示了在場景二下的噴淋系統(tǒng)的運(yùn)行情況。由分析可得，在火勢發(fā)展初期大約220 s右邊東側(cè)的E1噴淋就達(dá)到觸發(fā)溫度，開始啟動工作，隨后右邊西側(cè)W1也開始工作，這是因為起火點右側(cè)距離自然排煙口較近，空氣及時流通，火勢變大溫度升高較快同時火焰向右側(cè)偏離，則距離自然排煙口較近的噴淋E1首先開始噴水降溫，周圍環(huán)境促使火勢逐漸變大噴淋W1緊隨其后也達(dá)到溫度開始噴水，由于噴淋頭開始工作并且伴隨高溫?zé)釤煹木徛懦?，噴淋頭附近溫度便出現(xiàn)波動，另外兩個噴頭也由于機(jī)械排煙、自然排煙和噴淋E1、W1的工作，溫度出現(xiàn)下降，始終沒能達(dá)到觸發(fā)溫度。

圖3 場景二噴淋系統(tǒng)運(yùn)行與溫度變化Fig.3 Scenario 2 sprinkler system operation and temperature changes

3.2 火源熱釋放速率分析

由圖4可知，場景一、場景二的熱釋放速率曲線和前面計算好的時間高度吻合。火源前期，由于書店中紙質(zhì)、木質(zhì)等材料極易燃燒，同時空氣中的大量氧氣以及可燃物為火勢快速發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，所以熱釋放速率曲線快速增長；隨著火勢逐漸變大，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定觸發(fā)溫度，場景二中由于噴淋系統(tǒng)前后的開啟和空氣流動，部分煙氣會從自然排煙口和機(jī)械排煙口排出，中期減緩了火災(zāi)的穩(wěn)定燃燒，所以熱釋放速率曲線出現(xiàn)下降；場景一中由于沒有噴淋系統(tǒng)的運(yùn)行，熱輻射溫度不能得到快速降溫周圍煙氣的熱量也只能依靠機(jī)械排煙和自然排煙，所以中后期熱釋放速率一直維持在10.0 MW/s。

3.3 煙氣層高度變化分析

當(dāng)航站樓發(fā)生火災(zāi)時，煙氣層高度是影響人員能否安全疏散和消防救援的重要因素。表達(dá)式[19]為

Hc=1.7+0.1Hb

(9)

式(9)中：Hc為對人員構(gòu)成危險的臨界高度，m；Hb

圖4 指廊候機(jī)廳熱釋放速率曲線Fig.4 Heat release rate curve of corridor terminal

為建筑物頂棚高度，m。由式(9)可得對人員構(gòu)成危險的臨界高度Hc=2.5 m。

圖5是對FDS運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行的有代表性的場景一、場景二下的煙氣層高度變化曲線圖。通過式(9)計算出的理論危險值為2.5 m。圖5(a)中，靠近南側(cè)封閉處，又在兩個自然排煙口差不多中間位置，相比較場景一中由于沒有噴淋系統(tǒng)降溫和抑制煙氣作用，煙氣快速聚集并蔓延迅速下降，之后并一直處于波動狀態(tài)，但都沒有達(dá)到臨界值，而場景二中煙氣高度在中期開始下降，下降高度距離危險臨界值也相差很多，后期也一直處于頂部；圖5(b)中，在場景二下的煙氣一直在頂部蔓延，沒有下降所以構(gòu)不成威脅，而在場景一下由于熱釋放速率和噴淋運(yùn)行的不同，在中后期煙氣下降并一直徘徊在3～5 m；圖5(c)中，由于靠近入口處，為煙氣蔓延提供了條件，場景一在仿真中期煙氣急劇下降到危險臨界高度，之后又一直在危險臨界高度波動，一直在后期由于排煙系統(tǒng)煙氣在臨界值以上，而在場景二的情況下由于火源熱釋放速率本身比較小同時噴淋系統(tǒng)的及時開啟和排煙系統(tǒng)的工作使得煙氣累積緩慢并且煙氣并沒有蔓延到入口處。

3.4 能見度變化分析

美國《消防工程手冊》對能見度的安全疏散臨界判別定為13 m[20]。而澳大利亞《消防工程師指南》對空間不同大小的能見度進(jìn)行了更細(xì)致的研究，如表4所示，本文模擬的指廊候機(jī)廳高度在8 m，建筑面積38 400 m2，屬于大空間，人員較多且消防救援人員大多不熟悉建筑環(huán)境。因此，現(xiàn)將能見度臨界值設(shè)定為10 m。

表4 大、小空間人員熟悉情況能見度臨界值Table 4 Critical value of visibility for personnel familiar with large and small spaces

圖6中，選取了3種差異性較大的在不同場景下的能見度變化情況。對于圖6(a)，在場景一的情況下，在600 s之后能見度都在臨界值以下，且能見度越來越低，而在場景二中，即使在中期能見度也開始下降，但是只有在少數(shù)時間點低于臨界值，除卻排煙情況使得懸浮顆粒物以及煙氣的排出，還有噴淋開啟對于燃燒過程中化學(xué)產(chǎn)物的抑制；對于圖6(b)，場景一中400 s之后能見度就一直處于危險之中，相反場景二的能見度就一直在危險臨界值之上；對于圖6(c)，場景二中能見度一直沒有變化，處于安全范圍之內(nèi)，是由于煙氣蔓延較緩，在仿真時間中，有毒有害氣體未能到達(dá)中央大廳連接處的門口，有賴于排煙系統(tǒng)的和消防噴淋系統(tǒng)的及時運(yùn)行。綜上，場景一中能見度對于人員疏散有較大影響，不符合安全條件。

3.5 煙氣溫度變化分析

通過熱電偶以及溫度探測器和溫度切片，圖7(a)、圖7(b)是在區(qū)域一、三、書店西門外側(cè)和中央大廳門口探測到溫度，無論在場景一還是場景二，探測得到的2.5 m處的空氣溫度都在27 ℃以下，不會對人員疏散產(chǎn)生影響。而其他探測到的溫度也都低于危險臨界值。

圖5 煙氣層變化曲線Fig.5 Smoke layer change curve

圖6 能見度變化曲線Fig.6 Visibility change curve

圖7 煙氣溫度時間變化Fig.7 Time change of flue gas temperature

4 結(jié)論

(1)基于Pyrosim的民用機(jī)場航站樓FDS模型，通過對火源熱釋放速率，能見度、煙氣層高度、熱電偶、感溫感煙探測器，排煙系統(tǒng)運(yùn)行以及有無噴淋系統(tǒng)的設(shè)計，較準(zhǔn)確地模擬了考慮噴淋系統(tǒng)及不考慮噴淋系統(tǒng)不同情況的航站樓候機(jī)廳書店起火運(yùn)行場景，實現(xiàn)了火災(zāi)的精細(xì)化仿真。

(2)通過對比不同的火災(zāi)仿真運(yùn)行場景，對兩種場景運(yùn)行出的數(shù)據(jù)進(jìn)行了直觀的圖片展示以及深入的比較分析，模擬了噴淋系統(tǒng)的降溫以及對煙氣蔓延的抑制作用，與不考慮噴淋系統(tǒng)工作相比較，火災(zāi)場景中的能見度、煙氣層高度等要素均有明顯改變。更真實地反映了現(xiàn)實中航站樓的火災(zāi)發(fā)展變化規(guī)律。

(3)通過此次航站樓火災(zāi)仿真，得出了高大空間建筑內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，通過噴淋系統(tǒng)的運(yùn)行可以很好地遏制火災(zāi)發(fā)展。

(4)基于本研究成果，可為后續(xù)深入研究人員疏散以及應(yīng)急救援提供更可靠的理論依據(jù)。