火源位置對大空間建筑火災煙氣蔓延影響研究

張南燕，唐　婕

(1.南通市消防支隊，江蘇 南通　222300； 2.賀州市消防支隊，廣西 賀州　542800)

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火源位置對大空間建筑火災煙氣蔓延影響研究

張南燕1，唐婕2

(1.南通市消防支隊，江蘇 南通222300； 2.賀州市消防支隊，廣西 賀州542800)

大空間建筑越來越多的運用于商場、體育館、機場和車站等公共建筑，大空間的火災危險性也隨之增加。由于大空間建筑的特點，火災發生后煙氣蔓延較快，不同火源位置對煙氣的蔓延有一定影響。為了考察火源位置對大空間建筑火災煙氣的影響，利用FDS軟件，對三種典型火源位置的大空間火災進行模擬研究，結果表明：火源位置的改變，對火源附近的煙氣溫度有較大影響，但隨著離火源距離的增加，煙氣溫度與火源位置的關系減弱；火災穩定后，煙氣層高度與火源位置的相關性較大。

消防；大空間火災；數值模擬；煙氣

0　引言

隨著經濟和社會的發展，各國競相建造了規模宏大的公共建筑。電影院、劇場、體育館、展覽館和空港航站樓等的建造越來越引起人們的興趣和關注。但是大空間建筑的不斷增多也為火災防治、煙氣控制帶來了一系列新的問題。大空間建筑火災的特性與普通建筑有著明顯的差別，主要表現在以下幾個方面[1]：(1)火災不受限制迅速擴大；(2)早期探測和初期滅火較難實現；(3)安全疏散困難；(4)滅火和救援比較困難。

大空間建筑火災研究一般有全尺寸實驗和計算機模擬。全尺寸實驗前期準備工作較多，費用較大，研究受到一定限制。近年來隨著計算機技術的飛速發展，越來越多研究者應用計算機模擬方法研究大空間建筑物火災并取得了一定進展，尤其是以FDS為代表的場模擬軟件得到越來越廣泛的運用。

大空間建筑因自身特點，在防火分區的劃分方面存在著諸多不便，這給火災中煙氣快速蔓延提供了條件。目前我國對于空間結構尚未制定專門的防火設計規范，工程人員一般參考相關規范進行防火設計。本文利用火災動力學模擬軟件FDS，對三種典型火源位置的某大空間火災進行數值模擬研究，考察大空間火災中，火源位置對煙氣蔓延的影響。

1　火災場景設置

1.1模型尺寸

以建筑面積1 000 m2、室內高度6 m，按自然排煙方式建立大空間火場模擬模型。在模型的兩個長邊上底部居中位置分別設立大小為3 m×2 m的自然補風口。采用自然排煙方式，取自然排煙口的面積為建筑面積的5%，即50 m2，將排煙口設置在兩個長邊的上部，每邊設置5個，每個面積為5 m2，暫不考慮外界通風對自然排煙的影響，如圖1所示。

1.2網格劃分

FDS包括流體力學模型和燃燒模型，通過求解一系列適用于低馬赫數流動熱傳輸形式的N-S方程來實現其功能，該方程強調了火災中煙和熱的傳播。模型的核心運算法是大渦模擬(Large Eddy Simulation)技術，即通過濾波處理，首先將小于某個尺度的旋渦從流場中過濾掉，只計算大渦，然后通過求解附加方程得到小渦的解。過濾尺度一般取為網格尺度。網格的劃分直接關系到計算結構的誤差，甚至影響計算結果的正確性。理論上，網格劃分越細計算結果越精確，但出于平衡計算機資源和計算時間的考慮，針對大空間建筑的充分細化難以實現。本文中網格的大小取火源特征直徑(Characteristic Fire Diameter)的0.1倍。火源特征直徑計算公式為[2]：

圖1　通風口與補風口位置示意圖

(1)

式中，D*為火源特征直徑；Q為熱釋放速率，kW；T0為環境溫度，K；ρ0為空氣密度，kg·m-3；cp為空氣的定壓熱容，一般為1.02 kJ·kg-1·℃-1；g為重力加速度，m·s-2。

數值模擬中，火災最大熱釋放速率取8 MW，計算得到火源特征直徑D*=2.2，網格大小為0.2 m×0.2 m×0.2 m。

1.3火源模型建立

從目前國內外試驗和研究來看，多數火災從點燃發展到充分燃燒階段，火災熱釋放速率大體上與時間的平方成正比關系增長，本文采用t2火進行火災模擬(火災增長系數α為0.046 89 kW·s-2)。如圖2所示，對應于無噴淋的公共場所[3]。

本文選取三種典型火源位置進行模擬研究，即火源分別位于建筑模型底面居中位置、靠近墻的位置和位于墻角的位置。這三種情況基本上可以代表大空間火災發生的典型位置，如圖3所示。

2　數值模擬分析

2.1不同火源位置煙氣溫度分布

為了分析不同火源位置對煙氣溫度分布的影響，溫度測量點布置在距離火源位置右側方向10 m處，高度均為5.5 m，代號分別設為A、B、C。如圖4所示，A、B、C三點煙氣溫度增長規律基本一致，火災初期至300 s的期間內煙氣溫度隨時間發展而升高，變化趨勢接近于線性增長，升高速率C點最大，B點次之，A點最小。300 s以后煙氣溫度進入上下震蕩變化過程。三個測試點的煙氣溫度大約在50 s以后出現差別，溫度大小基本按照C、B、A的次序由高到低的順序排列。300 s以后A、B、C三點溫度分別在110 ℃、120℃、140℃上下震蕩。從圖4中數據可以發現，相比于普通建筑火災，大空間火災的煙氣溫度相對較低。

圖2　熱釋放速率-時間曲線

圖3　火源位置示意圖

圖4　火源位置對溫度場分布的影響(z=5.5 m)

圖5給出了A、B、C三點在火源位置不同時，處于3 m高度處的煙氣溫度隨時間變化曲線。從圖中可以看出，A、B、C三點溫度隨時間變化趨勢是一樣的，越到后期，各點的離散型均較大，這可能是由于測點受火羽流的影響較大所致。三點的溫度升幅均不是很高，是由于自然排煙，致使在大空間里聚集的煙氣處于一定高度，對相對較低的位置溫度影響不是很大。火源位置的變化對下層煙氣溫度的影響不是很明顯，在模擬圖中，可以看到煙氣分層效果相當明顯。

圖5　火源位置對溫度場分布的影響(z=3 m)

選取圖3中的D點處進行分析，D點距離右側壁面約0.5 m，高度為5.5 m，研究不同火源位置對同一點煙氣溫度的影響，如圖6所示。從圖中可以看出，在火災增長階段，對于不同火源位置，D點溫度增長趨勢和幅度基本一樣。到達穩定階段后，D點溫度在火源處于1處明顯比火源處于2處和3處高，這是由于D點距離火源1近，煙氣到達D點時間短，卷吸的冷空氣較少。火源處于2和3時，D點溫度趨于一致。這說明，相對于火源位置較遠的區域，煙氣到達前，由于卷吸部分冷空氣，溫度有一定程度的降低，但煙氣的密度也隨之增大，造成煙氣沉降，不利于自然排煙和人員疏散。

圖6　不同火源位置下D點溫度變化曲線

2.2不同火源位置煙氣層分布

煙氣層的高度和溫度可以有效的反映大空間火災的發展和煙氣蔓延情況。本文選擇火災穩定后的大空間模型x軸方向進行研究，為避免邊界條件的影響，選擇處于y軸中部的測點，如圖7所示。從圖7可以看出，火源位于1處時，煙氣層高度分布較為均勻，處在3.5～4.3 m之間，且與火源位置對稱分布。火源位置處于2處時，煙氣層高度處在3.7～4.7 m之間，當x值處于5～15 m時，煙氣層高度較大，這是由于當x值較小時，這個區域距離火源2很近，又靠近墻壁，煙氣在這里大量聚集，導致煙氣層高度下降；當x值較大時，煙氣到達另一邊壁面并開始下沉，同樣出現煙氣層高度下降。火源位于3處時，煙氣層高度大部分處于4～5 m之間，而x值很小的區域煙氣層高度明顯小于火源位于1和2處時，這是由于煙氣與壁面的作用比較強烈，煙氣沿著墻壁與頂部的夾角蔓延，并不斷的卷吸冷空氣，出現明顯沉降；同時，火源位于3處時，煙氣層高度隨著離火源距離增大，出現震蕩式下降。

圖7　火災穩定后煙氣層高度分布

圖8給出了火災穩定后煙氣溫度隨x值變化曲線，與圖7的煙氣層高度變化曲線相對應。從圖中可以看出，火源位于1時，溫度變化曲線呈現“W”型，這是由于火源處于大空間的中部，煙氣到達頂部形成頂部射流，分別沿著大空間頂部向四方蔓延，由于距離大空間的壁面距離不是很遠，熱煙氣在不斷卷吸冷空氣的同時，還受到來自火源熱輻射和熱對流的影響，溫度仍處于上升過程中，當到達壁面時，煙氣的熱量在壁面與頂棚的夾角處聚集，溫度還是相對較高。火源位置處于2和3處時，在x值較小的地方，溫度值偏大，這是由于火源距離該區域較近，熱對流和熱輻射都很強烈，煙氣層分層效果不明顯，隨著煙氣卷吸空氣的進行以及距離火源越來越遠，煙氣溫度開始下降。

圖8　火災穩定后煙氣層溫度分布

3　結論

大空間由于其自身的特點，火災中煙氣的溫度普遍不是太高[4]，但由于防滅火措施的實施困難，火災危險性仍然很大，加之有的大空間建筑人員密集，這對火災的防治和人員疏散造成了不便。

本文采用FDS數值模擬的方式對面積為1 000 m2的大空間建筑火災進行了研究，通過對數據比較分析可以得出以下結論：(1)火源位置的改變，對火源附近的煙氣溫度有較大影響，但隨著離火源距離

增加，煙氣溫度與火源位置的關系減弱。(2)火災穩定后，煙氣層高度與火源位置的相關性較大。火源處于中間位置時，煙氣層高度的升降幅度不大，基本上可以認為煙氣層高度穩定；火源緊挨墻邊或角落時，煙氣層高度隨著距火源距離的增大而降低。

本文中，僅采用了數值模擬的方法，沒有考慮外界風速對自然排煙的影響和自然排煙口面積變化對結果的影響。同時，也沒有真實的考慮邊界條件對火羽流卷吸作用和熱傳遞對火源熱釋放速率的相關影響，相關的影響研究有待在日后研究中進行。

[1] 杜蘭萍.基于性能化的大尺度公共建筑防火策略研究[D].天津:天津大學，2007.

[2] Fire dynamic simulator: User’s guide [M]. Version 5. NIST Special Publication 1019-5,2009:35.

[3] 薛素鐸，梁勁，李雄彥.排煙方式對大空間建筑火災空氣升溫的影響[J].防災減災工程學報，2010，30(5):528-532.

[4] 游宇航，李元洲，孫曉乾，等.夏季大空間內火災機械排煙效率的研究[J].安全與環境學報,2006,6(3):24-27.

(責任編輯馬龍)

On the Influence of Fire Source Location on the Smoke Movement in a Spacious Building Fire

ZHANG Nanyan1, TANG Jie2

(1.NantongMunicipalFireBrigade,JiangsuProvince222300,China; 2.HezhouMunicipalFireBrigade,GuangxiAutonomousRegion542800,China)

There are more and more large buildings of shopping malls, stadiums, airports and stations and other public buildings, where the fire risk tends to occur easily. Fire smoke propagates quickly in large scale buildings. The position of a fire has an effective on the smoke propagation. To investigate the influence of fire source location on the smoke movement in a large scale building fire, this paper applies the Fire Dynamic Simulation software to simulate the three typical fire positions in a large scale building fire. Results show that changing of the location of a fire source has a great influence on the smoke temperature adjacent a fire, but with the distance increasing from a fire, the smoke temperature variance was less relative to the fire source location. When the fire becomes stable, the correlation of the height of smoke and a fire source location becomes strong.

fire protection; large scale building fire; numerical simulation; smoke

2016-01-16

張南燕(1985—)，女，江西九江人，助理工程師； 唐婕(1976—)，女，廣西梧州人，工程師。

D631.6

A

1008-2077(2016)06-0016-04