罗敏 高学文

（昆明理工大学建筑工程学院，云南 昆明 650500）

0 引言

随着城市化进程的加快，大型建筑越来越多的出现，满足了人们对空间利用率和生活质量提高的期望。由于开放式对流环境，大空间结构影响烟气扩散过程，增加了火灾风险。因此，大型建筑中的烟气扩散过程是一个意义重大的研究课题，已经引起了众多研究者的关注。廖署江等［1］根据中庭建筑与普通大空间建筑的形式不同导致烟气外溢及分层问题，从而对火灾探测器的选择和布置进行探讨研究，进一步验证了在建筑中庭位置安装火灾探测系统的重要性。王东等［2］通过研究感烟型火灾探测器在环境温度和水平安装位置存在差异的情况下，此种类型探测器报警时间的变化情况。马伟明等［3］通过在建筑水平方向不同位置布置感烟型火灾探测器，分析得到建筑内不同位置感烟探测器响应时间的差异性和规律性。本文运用FDS数值模拟技术研究了建筑中庭在不同天花板高度下的温度变化、烟气蔓延过程及火灾探测器响应敏感度，得出不同种类火灾探测器在火灾发生时的报警响应时间曲线特征，为建筑火灾报警系统的设计和安装提供参考。

1 火灾场景设计

1.1 火灾参数设置

FDS是一种以火灾中流体运动为主要模拟对象的计算流体动力学软件，其重点是计算火灾中烟气蔓延和热传递过程，可以得到火场温度、火场烟气浓度、火场能见度［4］等物理量比较详细的时间及空间分布规律，同时可直观地看到仿真模拟结果。

在火源燃烧的过程中，火源的热释放速率通常是非稳态的，这里采用式（1）t2火灾模型。

式中，Q为稳态火灾的热释放速率；a为火灾发展系数，kW/s2；t为火灾发生后时间，s。考虑可燃物为单人沙发，火灾类别为t2快速火，火灾增长系数a为0.044。火源面积为1.0 m×1.0 m，火源功率为1 000 kW/m2，火灾发生到146 s时，火源的热释放速率达到最大值，直到模拟结束。

1.2 火灾场景设置

本文采用FDS数值模拟的房屋模型13 m×13 m的方形结构，设置5个火灾场景工况，考虑天花高度分别为4 m、5 m、6 m、7 m和8 m。在火源周围安装有多个探测器，火源与探测器点的水平方向距离为3 m，每个探测器之间的角度为90°，命名为探测器1至探测器4，如图1所示。探测器点低于天花板高度0.1 m为参考高度。此外，在每个探测点都安装有一个点型感温、感烟探测器以及红外光束线型感烟探测器，如图2所示。

图1 火灾场景的平面图

图2 火灾场景的剖面图

2 火灾探测器选择

选择火灾探测器种类时，要根据探测区域内可能发生的初起火灾特征、环境条件及房间高度等因素综合进行选择，参考《火灾自动报警系统设计规范》（GB 50116—2013），如表1所示。

表1 探测器高度

2.1 点型感温探测器

感温探测器的原理同喷头启动算法，采用喷头的敏感元件升温公式的第1项即：

式中，T1为探测器温度，℃；u为探测器周围气流的温度，m/s；RTI为探测器的响应时间指数，（m·s）1/2；Tg为探测器周围气流温度，℃。

2.2 点型感烟探测器

感烟探测器的原理比感温探测器复杂，主要原因包括火灾早期阶段烟气产生和蔓延规律并不十分清楚；感烟探测器的启动往往采用复杂算法，而不是单一的阈值法，感烟探测器对烟粒子密度、粒径分布、折射率及烟的组成均很敏感，FDS中点型感烟探测器有2种模型。

1）Heskestad模型。Heskestad模型表达式为：

式中，Yc为检测室中烟气的质量分数；Ye为周围气体中烟气的质量分数；L为探测器的特征长度，m；u为气流速度，m/s。

2）Cleary模型。Cleary模型共有4个参数，详细考虑了感烟探测器的探测过程。火灾中，烟气先达到探测器的外部空腔，穿过过滤装置后进入探测室，两者之间有一个时间差。外部空间的烟气充填时间用te表示，检测室的烟气充填时间用tc表示，两者均是探测器外部烟气速度的函数，表达式为：

式中，ae、e、ac和 c对于特定尺寸的探测器为常量，某些离子探测器的推荐值见表2。

表2 Cleary模型参数

检测室中烟气的质量分数为：

计算时，将探测室内的烟气质量分数转化成每米减光率，其表达式为：

式中，Obscuration为每米减光率，%/m；Km为质量消光系数，其推荐值为8 700 m2/kg；为探测器外部烟气密度，kg/m3；l为单位长度，m。

2.3 红外光束线型感烟探测器

红外光束线型感烟探测器属于火焰探测器，由发射器和接收器2部分组成，如图3所示。其工作原理是：红外光束探测器的发射器发送一个不可见的、波长为940 nm的脉冲红外光束，红外光束经过保护空间发射到接收器的光敏元件上。

图3 红外光束线型感烟火灾探测器原理

式中，Obsc为每米减光率，%/m；Km为质量消光系数；N为光束经过的网格数； 为第i个网格的烟气密度，kg/m3；为光束在第i个网格穿过的距离，m。

红外光束线性感烟探测器模拟时，应该设置发生器和接收器的位置，并给出每米减光率的报警阈值，每米减光率采用下式计算：

3 数值分析

3.1 温度、能见度变化切片

运用火灾模拟软件FDS模拟得到不同天花板高度下的温度和能见度切片图，图4、图5表示同一时间点170 s时不同天花板高度的温度云图和能见度云图。天花板高度越高，火焰到达天花板的距离越远，相应的温度值越低，因此天花板高度由4 m至8 m时，温度到达到黑色标记的阈值的距离逐渐升高。由于火灾场景具有相同的起火功率，较高的天花板意味着较长的路径，因此在烟雾扩散过程中存在热量释放，图5为天花板高度为4 m至8 m下的能见度分布云图，黑色标记为不同天花高度下的相同能见度阈值，可见随着天花板高度的增加，能见度到达黑色阈值的距离逐渐上升。

图4 不同天花板高度下温度分布

图5 不同天花板高度下能见度分布

3.2 探测器报警响应时间

如表3所示为感温火灾探测器、感烟火灾探测器和红外光束火灾探测器在天花板高度为4.0m、5.0m、6.0 m、7.0 m、8.0 m下的报警响应时间，在火源周围安装有多个火灾探测器，火源与探测器点的水平方向距离为3.0 m，每个探测器之间的角度为90°，命名为探测器1、探测器2、探测器3、探测器4，最后结果取不同方向上的4个探测器报警响应的平均值，避免位置差异导致的数据偏移，从而保证了数据的可靠性和准确性。

3.3 探测器响应时间曲线

如图6至图9为点型感温、感烟探测器和红外光束线型感烟探测器在不同天花板高度下的温度变化曲线值和遮光率变化曲线值，其中感温探测器的报警阈值为70℃，感烟探测器的报警响应阈值为3.24%/m，红外光束感烟探测器的报警响应阈值为50%/m。当天花板高度由4.0 m增高至8.0 m时，感温探测器的变化幅度相对于感烟探测器和红外光束感烟探测器度的变化较大，且存在明显报警时间延迟。其中，Cleary型感烟探测器报警响应时间稍早于Heskestad型感烟探测器，红外光束线型感烟探测器的报警响应时间随高度变化的变化幅度最小。对上述不同种类的火灾探测器报警响应时间进行分析，取表3中探测器1号至4号报警响应时间的平均值作为探测器的响应时间，提高了数据的准确性，如图10所示。

图6 感温探测器的温度变化

图7 Heskestad型感烟探测器遮光率变化

图8 Cleary型感烟探测器遮光率变化

图9 红外光束感烟遮光率变化

图10 不同天花板高度下探测器响应时间

4 结论

本文采用FDS数值模拟的方法，研究了不同天花板高度下的温度变化、烟气蔓延及火灾探测器报警响应时间规律，得出了以下结论：

1）从能见度云图和温度云图可以看出，随着天花板高度的增高，温度的变化比能见度的变化更剧烈，天花板高度与火灾探测器响应时间呈线性关系。

2）通过探测器响应时间图可以分析出，随着天花板高度的上升，感温探测器响应时间变化的幅度值明显大于感烟探测器和红外光束探测器，且存在明显的报警延时情况。如当天花板高度为4 m时，其报警时间延迟于感烟探测器110.3 s；当天花板高度为8 m时，其报警时间延迟于感烟探测器133.2 s。

3）当天花板高度为4 m至8 m的同一高度时，感烟型探测器和红外光束感烟探测器对火灾有较灵敏的报警预测作用，可以运用于薄高中庭的火灾报警系统的设计和安装。