基于FDS 的室内火灾蔓延特性研究

2021-04-19刘子建

中国建筑金属结构 2021年3期

刘子建

1.概述

随着社会经济的发展，建筑物越来越向高、密型结构发展，一旦发生火灾，将对生命、财产安全带来重大的危害。各类火灾的统计资料表明其中85%以上的死亡是由于受到烟气影响，受困人员吸入大量的烟气或有毒气体窒息导致[1-2]。消防指战员在进入正在燃烧或燃烧后的建筑物内开展火情侦察、灭火救援、火灾调查等作战任务时也不得不承受吸入烟尘的风险。室内火灾的发展最终导致建筑物火灾的形成。因此，探讨室内火灾发生的规律，烟气扩散与火源、排气口等位置及大小的相关性，具有重要的意义。同时，研究火灾发生时室内烟气的流动扩散规律，对减少火灾危害具有很好的指导作用。针对室内火灾发展过程，国内外学者已经用不同的研究方法进行了不同层次的研究[3-4]。室内火灾时火灾增长变化主要有三个阶段，即火灾初期阶段、火灾充分发展阶段及火灾减弱阶段[5]。

2.室内火灾模型的建立

本文选取单间休息室为研究对象，利用建模软件Pyrosim 进行模拟，基于实际情况，对建筑物的单室进行合理的简化和设计。通过软件模拟室内发生火灾时烟气的扩散与火源位置、排气口位置及大小的相关性，也能较好地反映发生火灾从发生到增长的几个阶段。着火房间尺寸取为5.2m×4.6m×2.4m，门开口尺寸为0.9m×2.0m。火源的形式采用的是软件自带的矩形柴油油池火源形式，尺寸为0.2m×0.3m。计算时网格大小取为0.1m，模型图如图1 所示，其中火源位置见图1 所示编号1-6，便于表述，将火源Fire Source 简写为FS。通风口面积的设定主要依据调节门的大小。设定4 种工况，将门洞尺寸Door Size简写为DS，各工况依次记为DS-1（关门情况）；DS-2（开一扇门，尺寸为0.9m×2.0m）；DS-3（开一扇门，尺寸为1.2m×2.1m）；DS-4（开两扇门，尺寸为0.9m×2.0m）。

3.模拟结果分析

3.1 烟气随时间蔓延情况分析

烟气在着火房间内蔓延的过程中遇到任何障碍物都会进行流动扩散。其中最大的障碍物即顶棚与墙体，当烟气扩散至顶棚时，后向四周水平扩散并受到周围墙体的阻挡，有沿墙向下流动的趋势，烟气不断增加增厚，到达门窗洞口以下时才会扩散出去。但是，室内火灾中烟气层下降到一定高度后就基本不再发生变化，达到一个烟气的稳定高度。由本文的研究可知，在 5s～10s 时烟气的产生还较少较薄，在60s 时已经慢慢形成了烟气层，600.0s 时烟气量已大大增加至几乎充满室内。见图2 所示。

图1 FDS 模型及网格图

图2 烟雾扩散图

图3 不同火源位置工况下热释放率随时间变化

3.2 火源位置对热释放速率的影响

本文设置了六组对比模型，分别位于房间中部、边墙及墙角处。在其他条件不变的情况下，图3 为各工况下火灾热释放速率曲线。由图可知火源位置靠近可燃物时火灾热释放速率增长到1500kW 的时间约为 250s，而远离可燃物时火灾热释放速率增长到1500kW 的时间却需500s 以上，图3（b）组相对（a）组热释放率达到较高值的时间明显滞后，这是由于（b）组中火源位置离可燃物较远，其中FS6 工况中火源位置附近一周均无可燃物，短时间内火灾热释放率较小且较稳定。因此，在实际的火灾预防中，火灾危险点应尽可能少堆放可燃物。另外，根据各火源位置下室内正中竖向布置的5 个电热偶的温度情况可知，火源位置类似的工况电热偶变化随时间的变化趋势也类似。火源在迎风口位置时的电热偶温度明显比火源在背风口位置时低。

3.3 通风口尺寸对室内火灾变化的影响

当火源位置固定时，火灾发展趋势受通风口的尺寸影响很大。图4 为不同通风口（门）尺寸情况下火灾热释放速率对比图。由图可知：无通风口时，在接近200s 时火灾熄灭而工况DS-4下，350s 之前，火灾热释放率微大于DS-2、DS-3 工况，但在350s 后，DS-4 明显比前两者的热释放率大，最后的火势最严重。因为空气的大量进入，所以起到了助燃的作用。火灾热释放率会随着通风口尺寸的变大而变大，初始阶段该影响不是很明显（350s 之前），到一定阶段会明显受到通风口大小的影响。另外，分析5 个热电偶情况可知：全封闭环境中，火灾发生时温度达到某一峰值后迅速下降，燃烧消耗氧气后，燃烧逐渐终止；电热偶温度达到300℃左右后就迅速下降，直至常温。随着通风口面积的增大，同一位置的电热偶温度峰值会相应增大。