基于FDS的住宅火災(zāi)數(shù)值重構(gòu)

摘要：火災(zāi)調(diào)查是火災(zāi)事故責(zé)任認(rèn)定的重要依據(jù)，傳統(tǒng)火災(zāi)調(diào)查方法大多僅對(duì)火災(zāi)發(fā)展進(jìn)行定性分析，難以定量再現(xiàn)火災(zāi)蔓延過(guò)程。為了驗(yàn)證某住宅火災(zāi)事故的起火原因和人員傷亡的原因，調(diào)查人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)資料，采用FDS內(nèi)置的混合控制燃燒模型，對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬重構(gòu)，得到火災(zāi)的熱釋放速率最大值為670kW。雖然火災(zāi)規(guī)模較小，但煙氣擴(kuò)散速度和下降速度較快，導(dǎo)致人員傷亡。通過(guò)定量分析煙氣溫度、熱輻射和起火點(diǎn)位置，與火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果基本一致。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)調(diào)查；火災(zāi)重構(gòu)；FDS；熱釋放速率

中圖分類號(hào)：D631.6" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " "文章編號(hào)：2096-1227（2025）07-0114-04

0 引言

FDS是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）開(kāi)發(fā)的火災(zāi)模擬軟件，基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬煙氣和熱量的傳播過(guò)程，同時(shí)，可以根據(jù)設(shè)定的燃料熱解參數(shù)，模擬其熱解過(guò)程，可用于火災(zāi)重構(gòu)[1-2]。通常來(lái)說(shuō)，火災(zāi)重構(gòu)包括兩個(gè)相互耦合的問(wèn)題：第一是可燃物的熱解過(guò)程，即固體燃料熱降解為揮發(fā)性氣體，第二是揮發(fā)性燃料的燃燒，產(chǎn)生熱量并反饋熱輻射給固體，促使可燃物熱解更多的揮發(fā)性氣體，并繼續(xù)燃燒釋放熱量[3-4]。FDS可分析水噴淋噴頭的布置對(duì)火災(zāi)和煙霧蔓延的影響、感煙探測(cè)器的布置或數(shù)量對(duì)報(bào)警時(shí)間的影響、門或窗戶開(kāi)口情況對(duì)火災(zāi)發(fā)生和發(fā)展的影響、排煙設(shè)置對(duì)煙氣蔓延的影響，以及不同位置點(diǎn)火源和點(diǎn)火能對(duì)火災(zāi)和煙霧蔓延的影響等[5]。

通過(guò)火災(zāi)重構(gòu)技術(shù)，可以幫助調(diào)查人員更清晰地了解室內(nèi)火災(zāi)的起源、強(qiáng)度、發(fā)展、持續(xù)時(shí)間，了解常見(jiàn)材料的熱釋放率、熱傳遞方式、煙氣蔓延和發(fā)展規(guī)律，以及火災(zāi)羽流和室內(nèi)火災(zāi)的特性。本文針對(duì)成都某居民小區(qū)住宅樓發(fā)生的火災(zāi)，利用FDS軟件建立模型進(jìn)行數(shù)值模擬重構(gòu)，以分析火災(zāi)發(fā)生及人員傷亡原因。

1 事故概況

2022年，成都市某住宅樓發(fā)生火災(zāi)，見(jiàn)圖1。過(guò)火面積約11m2，火災(zāi)造成2人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失約17萬(wàn)余元。

火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該住房?jī)?nèi)起火區(qū)域?yàn)榭蛷d，客廳部分過(guò)火，過(guò)火面積約11m2，其余房間未過(guò)火，僅有煙熏痕跡，客廳整體燒損程度呈南重北輕，東重西輕?？蛷d與臥室之間殘留的南側(cè)隔斷門面向客廳一側(cè)的木條上部燒毀，下部木條完好，表面有煙熏痕跡，煙熏痕跡由上到下逐漸減輕。

在客廳過(guò)火區(qū)域中發(fā)現(xiàn)的垃圾桶殘骸，其底座完好且底座周圍融化的塑料桶身呈褶皺狀將底座包圍，符合桶內(nèi)部火源形成的由內(nèi)向外蔓延的燃燒痕跡特征。臥室的垃圾桶也發(fā)現(xiàn)煙蒂。綜合分析，初步認(rèn)定起火原因是客廳未熄滅的煙頭引燃垃圾桶內(nèi)的垃圾，繼而引燃周圍可燃物，蔓延成災(zāi)。

2 火災(zāi)重構(gòu)模擬及參數(shù)

2.1" 火災(zāi)模型建立

為了驗(yàn)證該起火災(zāi)事故中火災(zāi)起源和人員傷亡的原因，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)資料對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬重構(gòu)分析。根據(jù)起火建筑（現(xiàn)場(chǎng)）的尺寸和可燃物及其位置，建立該火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)FDS模型，見(jiàn)圖2，房間墻體和天花板表面為石膏，地板為混凝土，客廳與臥室之間的門為木材和玻璃。

2.2" 可燃物及參數(shù)設(shè)定

根據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，客廳的主要可燃物包括沙發(fā)、茶幾、垃圾桶及雜物，其重要組成PVC、織物、泡沫和木材，屬于多種物質(zhì)的燃燒，根據(jù)FDSUser’sGuide的要求，采用復(fù)雜混合控制燃燒模型。該模型可以模擬復(fù)雜化合物的燃燒（復(fù)雜化合物是指化學(xué)分子式中含有除C、O、N、H外其他元素的化合物，如PVC，分子式為C2H3Cl）。使用該模型需要自定義反應(yīng)物、燃燒產(chǎn)物（SPEC命令）和反應(yīng)方程式化學(xué)系數(shù)（REAC命令）。參考FDS User’sGuide和SFPE手冊(cè)，給出各燃燒物質(zhì)的產(chǎn)煙量和CO產(chǎn)量，見(jiàn)表1。

參考FDSUser’sGuide和SFPE手冊(cè)，不同物質(zhì)的材料參數(shù)、熱解和燃燒參數(shù)見(jiàn)表2、表3。本次模擬預(yù)估最大熱釋放速率為1MW，根據(jù)FDSUser’sGuide，網(wǎng)格單元格尺寸取0.1m×0.1m×0.1m。

經(jīng)調(diào)查人員初步分析，起火原因是客廳垃圾桶內(nèi)未熄滅的煙頭引燃。垃圾桶采用0.2m×0.2m×0.3m的PVC構(gòu)成，設(shè)置高溫點(diǎn)火粒子模擬煙頭。在房門和墻體表面布置溫度測(cè)點(diǎn)，臥室中心處布設(shè)熱輻射強(qiáng)度測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖3。

3 結(jié)果分析

3.1" 火災(zāi)熱釋放速率

通過(guò)火災(zāi)重構(gòu)，得到的熱釋放速率曲線，見(jiàn)圖4。火災(zāi)初期發(fā)生很緩慢，約200s后，熱釋放速率到達(dá)峰值，約670kW，并保持相對(duì)穩(wěn)定燃燒，2000s后，熱釋放速率急劇下降，然后保持較低的燃燒速率。

由圖5可知，2s時(shí)客廳垃圾桶被點(diǎn)燃并生成豎直向上的煙氣；10s時(shí)煙氣到達(dá)客廳頂棚，少量煙氣通過(guò)客廳與臥室的門縫進(jìn)入臥室；94s時(shí)，客廳的煙氣層已下降到地面，臥室的煙氣層已下降到2m高度；144s時(shí)，臥室的煙氣層已下降到地面。盡管火災(zāi)的熱釋放速率較小，但是住宅房間空間小，且沒(méi)有排煙設(shè)置，因此房間起火后煙氣蔓延迅速，且煙氣層下降速度很快。如人員沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情，逃生非常困難。

3.3" 數(shù)值重構(gòu)與現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)對(duì)比

根據(jù)SmokeView畫(huà)面，見(jiàn)圖6，模擬結(jié)束時(shí)（7200s），客廳地面上留有少部分沙發(fā)殘骸，木茶幾整體保持完好，客廳燃燒區(qū)域主要集中在茶幾以外的區(qū)域，這與客廳整體燒損程度呈南重北輕、東重西輕的現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)結(jié)果一致。

圖6" 客廳物品殘留情況

根據(jù)火災(zāi)調(diào)查結(jié)果，3個(gè)點(diǎn)位處有明顯煙熏痕跡，分別是正門內(nèi)側(cè)、廚房門下部和客廳西墻上部。正門內(nèi)側(cè)上部有過(guò)火痕跡，下部有煙熏痕跡；廚房門外側(cè)表面距地面約0.3m的區(qū)域保留門原有漆面，以上區(qū)域表面有煙熏痕跡；客廳西墻向客廳一側(cè)的木條上部燒毀，夾層玻璃完好有煙熏痕跡，煙熏痕跡由上向下逐漸減輕。在火災(zāi)穩(wěn)定發(fā)展階段：住房正門內(nèi)側(cè)1.15m高度以上位置的溫度穩(wěn)定在200～300℃之間，最高溫度可達(dá)315℃，符合上部有過(guò)火痕跡的特征；廚房門外側(cè)0.4m高度處的溫度在200℃附近波動(dòng)，而且隨著高度從1.0m下降到0.4m，可以明顯觀察到溫度也在隨著高度的下降而降低，在廚房門外側(cè)表面形成了界限分明的煙熏痕跡；客廳西墻1.35m高度以上位置的溫度維持在400℃上下，最高溫度可達(dá)535℃，木條在此溫度下可以被點(diǎn)燃，而且高位置處的溫度始終高于低位置處的溫度，符合煙熏痕跡由上向下逐漸減輕的特征。

本次重構(gòu)火災(zāi)將煙頭假設(shè)為高溫粒子，高溫粒子引燃垃圾桶，垃圾桶起火后又導(dǎo)致客廳火災(zāi)蔓延，這與初步調(diào)查分析一致，驗(yàn)證起火原因。

綜上所述，將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)過(guò)火區(qū)域、死者軀體傷痕、點(diǎn)位煙熏痕跡和起火原因方面模擬與實(shí)際吻合良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于FDS火災(zāi)模擬軟件，對(duì)一起住宅火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值重構(gòu)得出火場(chǎng)的再現(xiàn)數(shù)據(jù)信息，與事故現(xiàn)場(chǎng)照片、勘查結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性，并驗(yàn)證了調(diào)查人員認(rèn)定的起火原因，為火災(zāi)調(diào)查提供必要的參考。為提高火災(zāi)重構(gòu)的可靠性，不僅需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)可燃物的組成、尺寸和數(shù)量進(jìn)行翔實(shí)核查，還需要對(duì)不同可燃物熱解參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)為了提高FDS對(duì)固體表面局部熱反饋的預(yù)測(cè)精度，需要改進(jìn)固體表面的熱輻射模型，而熱輻射受局部煙粒濃度和溫度的控制，需要進(jìn)一步改進(jìn)FDS的局部煙粒模型。

參考文獻(xiàn)

[1]陳瑩隆.基于FDS的飛機(jī)客艙火災(zāi)數(shù)值模擬及模型優(yōu)化研究[D].德陽(yáng)：中國(guó)民用航空飛行學(xué)院，2024.

[2]王純潔.阻燃型硬質(zhì)聚氨酯泡沫制備、燃燒及數(shù)值模擬研究[D].馬鞍山：安徽工業(yè)大學(xué)，2019.

[3]李友杰.生物質(zhì)成型燃料的燃燒特性及其數(shù)值模擬[D].北京：北京化工大學(xué)，2023.

[4]陳宜磊.基于FDS建筑A型中庭火災(zāi)煙氣蔓延特性研究[D].長(zhǎng)春：吉林建筑大學(xué)，2024.

[5]劉宏慢.基于FDS的金華武義“4·17”重大火災(zāi)事故數(shù)值重構(gòu)分析[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2023，42（12）：1733-1737.