●刘 旭

(芜湖市消防支队,安徽 芜湖 241000)

0 引言

目前,国内从事火灾研究工作的人员已经对烟熏痕迹的形成做了大量研究,获得了大量试验数据和相关规律,特别是近年来运用火灾痕迹物证认定起火原因,并总结出一套适应室内火灾的勘验程序和方法,其具有的客观性、直观性对火灾调查工作具有一定的指导意义。但火灾调查目前仍停留在经验或半经验的水平上,火灾调查的一些方法尚缺乏基础理论的支撑,还没有达到用数学方法对火灾调查进行量化研究的水平[1]。例如吉林市中百商厦发生的特大火灾中,3号库房内北侧的铁门和墙壁处形成了明显的“V”形痕迹,且在铁门的局部产生了变色变形,并带有明显的方向性。由此证明出起火点,进一步判断了起火原因。这一判断过程就是根据火灾调查人员的火场经验和烟熏形成的规律而得出的。当时案件中还存在其他三处可疑点,虽有一定的证据支持并非为起火点,但由于火灾破坏严重,个别证据实属勉强,如果当时涉案人员没有主动交待,很难确定该结论。

本文采用 FDS软件并利用大涡模拟的方法对烟熏痕迹的形成进行了模拟研究,通过改变火源的不同状态模拟不同工况,以准确判定和分析烟熏痕迹形成的过程,为火灾调查过程中认定起火点和起火原因提供有价值的研究方法和参考依据。同时将烟熏痕迹的形成原因进行分析说明,结合实际情况,论证其实际应用价值。

1 FDS模拟研究理论基础

1.1 FDS软件基本理论

本文是基于美国国家标准局(NIST)建筑与火灾研究实验室(BFRL)开发的火灾动态模拟软件 FDS4源程序对室内烟熏痕迹进行数值模拟分析,并结合FDS4和 Smokeview的接口再现火场以及直接显示计算的结果。FDS为使用者提供了两种数值模拟方法,即直接数值模拟(DNS：Direct Numerical Simulation)和大涡模拟(LES：Large Eddy Simulation)[2],大涡模拟可简化计算机的工作量以及其内存的需求,为此大涡模拟在科学研究中越来越受到重视[3],可以很好地运用于室内火灾模拟。

1.2 烟熏痕迹理论分析

烟熏痕迹主要是燃烧过程中产生的游离碳附着在物体表面或侵入物体孔隙中的一种形态,在火场常见的烟熏痕迹中,烟熏痕迹的形状、烟熏程度等和可燃物的种类、数量、状态、位置以及火源、通风条件、温度等因素有着复杂的关系,但是烟熏程度从另一方面与可燃物表面的烟粒子浓度有着重要而又直接的关系。因此,本文主要以可燃物表面的烟粒子浓度作为连接实际火灾与 FDS软件数字模拟的研究桥梁,并借助直观比较,从而可以科学有效的研究分析。另外,由于火场形成的烟熏痕迹主要取决于火灾初期的火势和烟气蔓延情况,并且火灾达到发展阶段时,室内可燃物燃烧猛烈,火势保持稳定,以及火灾达到熄灭阶段,烟气对墙面作用基本上为均匀覆盖,不会对痕迹造成严重破坏,但在室内发生轰燃后,室内温度急剧升高,热辐射也随之加大,室内可燃物将会迅速发生燃烧,产生的多个起火点将会影响最初起火点的判断。因此,本文在模拟时,主要研究前 200s的室内火灾状况。

2 模拟结果与分析

2.1 FDS基本设置

运用 FDS软件对一室内火灾进行数据模拟,目的是对影响烟熏痕迹形成的火源位置进行数据分析比较,证明运用数据模拟可以通过分析烟熏痕迹为火灾调查提供必要的研究方法和理论依据。计算空间大小为 5.0m×5.4m×2.7m,网格为 50×54×27,其中房门尺寸大小为 0.9m×2.0m,建立的 FDS物理模型如图 1所示。室内墙、地面、沙发等建筑材料和室内物品具有不同的物理和燃烧性能,并根据实际要求和 FDS自定义的参数值,设定了建筑物内材料的燃烧性能参数,具体设置见表 1。另外,由于室内通风条件比较稳定,且室内初始温度假设为 20℃,该室内初始条件下的通风情况为无。笔者计算了两种工况。工况一：起火点位置在距地 0.8m,距北墙0.2m的中间大沙发表面,其单位热释放速率为1 000 kW·m-2,功率为 40kw,壁面材料为石膏(图 1)。工况二：起火点位置在距地 0.7m,距北墙 1.5m的中间桌面上,其单位热释放速率为 1000 kW·m-2,功率为 40kw,且为稳定固体火源,壁面材料为石膏(图2)。

2.2 结果分析

2.2.1 不同位置火源在相同条件下模拟结果分析

图1 工况一

图2 工况二

表1 室内材料设置

2.2.1.1 不同火源位置在相同条件下烟粒子浓度对比分析。该室内的火源分别在沙发的边界和桌角处,墙壁的材料为石膏,离墙壁的距离两者相差1.3 m。沙发为普通室内装饰可燃材料,沙发受到火源作用,热烟气不断的散发到室内,且热烟气浓度随时间不断升高,同时可见度也不断降低,一般来讲烟浓度增加一倍,可见度降低 1/2。由工况一可以看出,对于火源靠近的墙面,烟粒子浓度的分布由上至下、由两边至中间不断升高,呈“V”字形分布(图 3),烟粒子浓度最高达到 90mg·m-3,到达 160s时,室内0.8 m以上壁面烟粒子浓度达到 45mg·m-3,即可见壁面烟熏痕迹分布由下至上逐渐变重(图 4)。而对于工况二,北墙面的烟粒子浓度分布情况则没有工况一表现的特殊和明显,且室内墙面最高烟粒子浓度达 50mg·m-3,比工况一小(图 5)。

图3 40s时工况一墙面烟粒子浓度图

图4 160s时工况一墙面烟粒子浓度图

图5 160s时工况二墙面烟粒子浓度图

可见,对于火灾初期烟熏的形成,越靠近壁面形成的烟痕越具有特殊性,即容易形成具有特殊形状的烟痕,如中工况一(图 3),北墙面的“V”形烟粒子分布图由下至上浓度依次减轻,越靠上所涉及的范围越宽,随时间推移浓度较重区域逐渐形呈“丁”字形分布于墙面,可以给火灾调查人员以很好的直观印象(图 4)。火灾调查人员进入火场,所观察到的烟痕都是火灾最后所形成的,但最后形成的烟熏痕迹是火灾过程中烟痕不断叠加而形成的。

2.2.1.2 不同火源位置在相同条件下室内屋顶烟熏情况对比分析。两种工况与屋顶距离相差仅为0.1m,由图中对比情况可以看出,在 80s之后,工况一较工况二室内顶部烟粒子浓度高(图 6),但工况二显示出的圆形烟痕较明显(图 7)。后期时,两者顶部烟气均向周围平面蔓延,蔓延速度逐渐加快,但相比较工况一速度明显较工况二快,流量也较大,故会加重屋顶的烟熏痕迹的程度。

图6 160s工况一室内屋顶烟熏情况

图7 160s工况二室内屋顶烟熏情况

对于初期烟熏痕迹的形成,两者都具有不同特征分布的烟熏痕迹,即如发散式分布,最具明显的区别即是发散的方向不同,但浓度基本一致。而对于最后所形成的痕迹,如果是在模拟时间范围内得到控制并熄灭,则可判断最后屋顶形成的烟痕程度基本一致,对火灾调查工作帮助不大。但对于工况一自身则存在局部烟痕较重的情况,也可以由此判断出起火点的位置。

2.2.2 “V”字形烟熏痕迹的角度影响因素的分析

“V”字形火灾痕迹是起火点最典型的特征,在火场勘验中起着重要作用。“V”字形烟熏痕迹的角度影响因素有很多。首先,火源离墙面越近,角度越小,靠最近的墙壁表面附近的烟粒子浓度越大,即“V”字形烟痕越明显。其中“V”形底部受烟气作用较其他部位最重。工况二起火点距离北墙为 1.5m,形成的“V”形烟痕的开口几乎无法辨别,可见离墙面距离越远,则“V”形上部开口越大,形状逐渐偏向于“U”形,甚至形成更大的开口。其次,不同热释放速率的火源对“V”形烟熏痕迹开口也有影响。“V”形上部开口也随着火源功率的提升而减小,其烟熏也越严重。一般随着热气流及火焰上升速度加快,“V”形痕迹的两侧变夹角变小达到约有 10°～15°左右[4]。墙壁表面材料的原始状态在一定程度上也影响着“V”形烟熏痕迹开口角度的大小,墙壁表面材料的热分解速率和热释放速率较大时,“V”形痕迹所涉及到的边界范围越大,痕迹也越明显,因此开口角度也随之增大。

3 结论

应用火灾动力学模拟软件 FDS对室内烟熏痕迹进行了数值模拟,根据不同工况下的模拟事例,分析了烟熏痕迹形成的重要影响因素。得出以下结论：

3.1 对于该建筑,运用 FDS对烟熏痕迹进行数据模拟是可行的,可以利用室内烟粒子浓度对烟熏痕迹进行数据分析。通过对真实火灾进行场模拟,可以获得更多的火灾信息,较好地再现火灾发生发展过程,为火灾调查工作提供了一个研究平台。

3.2 由于火灾中烟气流中有较大的热量,因此利用物体表面附近的烟粒子浓度体现烟气和火势蔓延的路线及过程,有助于研究火灾蔓延的情况。

3.3 室内火灾中火源位置不同,壁面或屋顶烟熏痕迹的状况将随位置的变动而变化,可以利用烟痕的形状、烟熏程度等为判断火源的位置提供依据。

3.4 对于室内火灾烟气蔓延状况,根据火场的烟熏程度或烟粒子浓度推断起火时间,也可以利用周围墙面的烟熏状况判断烟气层的高度,由可见度推断火灾危险性或证人证言的可靠性等,进而判断分析室内火灾的最小可见度和危险性以及起火原因,为火灾调查提供参考和指导。

[1]姜蓬,邱榕,蒋勇.基于数值模拟的某大厦特大火灾过程调查[J].燃烧科学与技术,2007,(2)：76-80.

[2]刘军.FDS火灾模拟基本理论探析与应用技巧[J].安全科学技术,2006,(1)：6-13.

[3]MCGRATTAN K B,BAUM H R,REHM R G.Large Eddy Simulations of Smoke Movement[J].Fire Safety Journal,1998,30(2)：161-178.

[4]李金生,任清杰.V形火灾痕迹的分析与应用[J].消防科学与技术,2005,(2)：71-74.