不同通風條件下賓館客房火災場景設計的數值模擬

徐豐煜，吳立志

(1.三明市消防支隊，福建 三明 360000； 2.武警學院 消防指揮系，河北 廊坊 065000)

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不同通風條件下賓館客房火災場景設計的數值模擬

徐豐煜1，吳立志2

(1.三明市消防支隊，福建 三明 360000； 2.武警學院 消防指揮系，河北 廊坊 065000)

在對北京145家中檔賓館進行火災荷載調查的基礎上，得到了火災荷載密度、可燃物組分比例、通風開口等影響火災場景設計的關鍵參數，設計了具有代表性的賓館客房燃料包。為了選擇合適的火災場景進行全尺寸房間火試驗，采用FDS模擬來觀察賓館客房燃料包的燃燒規律，并改變通風條件以及燃料包的擺放位置，研究不同火災場景下熱釋放速率、溫度以及煙氣濃度的變化情況，為確定實體房間火試驗的火災場景提供參考。

賓館客房；燃料包；火災場景；設計火

0 引言

確定合適的設計火災場景是火災風險評估中的關鍵環節。設計火災場景是對特定場景下火災隨時間變化的定性描述，確定表征火災的關鍵事件，如點燃、火災增長、轟燃、全面發展和衰減階段?；馂暮奢d、房間尺寸和通風條件都會影響到火災的發展。隨著性能化防火設計的發展以及建筑結構的日趨復雜，運用計算機模型模擬建筑內火災發展過程和煙氣運動規律，已經成為認識火災特點和開展有關消防安全水平分析的重要手段[1]。全尺寸燃燒試驗成本高，而數值模型可根據設計者需要，進行不同火災場景下的建筑構件和材料燃燒性能的評估。FDS是一種簡化預測在給定環境中物體燃燒行為的工程方法，能夠研究起火房間尺寸、燃料類型等參數對室內火災發展的影響。近年來，國內外學者就FDS模擬室內火災的可靠性進行了大量試驗對比和分析，發現FDS預測室內火災熱環境變化的誤差在5%～20%之間[2]。朱五八[3]通過試驗和FDS模擬對比分析，指出FDS對軟墊家具在敞開和受限空間內燃燒過程的模擬具有一定合理性，且FDS能夠很好地模擬受限空間內熱反饋作用。楊曉菡[4]在ISO 9705試驗房間內進行一定荷載的木垛火試驗，并用FDS進行模擬計算，結果表明Multi-block格點配置模擬得到的木垛火熱釋放速率變化、煙氣溫度變化、CO2體積分數變化的結果與實測值吻合較好。

筆者首先對北京145家中檔賓館客房進行了火災荷載調查，得到了火災荷載密度、可燃物組分比例、通風開口等影響火災場景設計的關鍵參數，設計了具有代表性的賓館客房燃料包[5]。為了驗證燃料包的設計思想，為下一步進行全尺寸房間火試驗選擇合適的火災場景，筆者采用FDS數值模擬對不同通風條件下的賓館客房燃料包燃燒規律進行研究。

1 模型建立

為了較為準確地模擬室內火災發展，需要選取合適的網格尺寸。相關研究表明火災最小長度尺寸可以用火源特征直徑D*表示[6]，如式(1)：

(1)

其中，Q為熱釋放速率，W；ρ0為環境空氣密度，kg·m-3;c0為空氣比熱，J·kg·K-1；T0為環境溫度，K；g為重力加速度，m·s-2。

當網格尺度小于0.1D*時，FDS可以很好地模擬建筑物發生火災時的煙氣沉積與流動，當網格尺度小于0.05D*時，可以精確計算火焰區域中的化學反應及湍流效應。因此，為了很好地模擬室內火災發展，網格尺度應取0.05D*，但對計算機性能以及運算時間要求甚高。綜合考慮計算時間和準確度，將燃料包堆放面積上的網格取為0.1D*≈0.05 m，其他區域采用0.2D*≈0.1 m，總網格數為267 750。網格劃分如圖1所示。

圖1 FDS模擬的網格劃分圖

FDS模擬的房間尺寸采用四川消防科研所的實驗室尺寸6 m×4 m×3 m，共有門和窗戶兩個通風開口。為精確模擬出氣流的流動情況，將計算區域向室外擴展，包括了燃燒室和部分環境空氣。同時，考慮到實際情況下門不可能完全密閉，設置了寬度為0.1 m的門縫。

為了使模擬結果盡可能接近于實際情況，燃料包中PUF和木垛的質量、尺寸依照荷載調查的數據確定。PUF的坐墊尺寸為1 800 mm×800 mm×100 mm，靠背尺寸為1 800 mm×600 mm×150 mm，密度設為30 kg·m-3，質量為9.1 kg。木材的密度取376 kg·m-3，單根木條尺寸為50 mm×100 mm×800 mm，木垛總質量為190 kg。引火源為功率20 kW的丙烷，尺寸為0.1 m×0.2 m，放置在PUF坐墊和靠背的交界處，持續時間為80 s。燃料包模型圖如2所示。

2 火災場景設計

根據不同通風情況以及燃料包擺放位置，共設計了9個火災場景，詳見表1。通過模擬發現，由于PUF燃燒迅速，窗戶附近的測點在20～30 s之內就達到了300 ℃，因此，窗戶開啟與300 ℃開啟得到的熱釋放速率(HRR)曲線和溫度曲線幾乎相同。FDS模擬過程中的燃料包燃燒情況如圖3～圖8所示。

圖2 FDS模擬燃料包的模型圖

表1 FDS模擬試驗的不同火災場景

圖3 燃料包位于中心

圖4 燃料包位于墻角

圖5 PUF引燃大木垛

圖6 燃料包燃燒過程

圖7 PUF燃盡、剩余木垛燃燒

圖8 燃燒結束后

3 模擬結果分析

3.1 考察門狀態相同的情況下，窗戶尺寸對室內燃燒的影響。在門狀態相同的條件下，不同的窗戶尺寸對火災發展的HRR峰值和火災持續時間影響較大，窗戶開口面積越大，PUF燃燒引起的第一個HRR峰值越大，由PUF燃燒過渡到木垛完全燃燒的時間越短，通過對流和熱輻射的熱損失越大，反饋到燃料表面的熱輻射越小，火災持續時間越短。如圖9、圖10所示。

圖9 門關閉時不同窗戶尺寸的熱釋放速率曲線對比

圖10 門開啟時不同窗戶尺寸的熱釋放速率曲線對比

3.2 窗戶尺寸相同的情況下，考察門啟閉對室內火災的影響，如圖11所示。由PUF燃燒引起的火災初期增長速率基本一致，SC3中門始終關閉，通風條件沒有發生改變，PUF引燃木垛燃燒后逐漸進入衰減期，第二個HRR峰值最大；SC4門窗都開啟，PUF燃燒猛烈，引起的第一個HRR峰值最大，當PUF進入衰減期，木垛剩余量最少，第二個HRR峰值最?。籗C5門180 s開啟，改善了通風條件，促進了木垛的燃燒，第二個HRR峰值介于SC4和SC3之間。

圖11 門不同狀態的熱釋放速率曲線對比圖

3.3 考察燃料包位于房間中心和墻角對室內火災發展的影響。從圖12～圖14中可以看出，通風條件相同的情況下，兩種堆放方式的HRR曲線形狀相差不大，火災初期階段的HRR峰值相差較小，但隨著木垛被引燃，位于墻角的燃料包燃燒更為充分，HRR峰值大，火災持續時間短。

圖12 窗戶開啟、門關閉狀態下不同位置燃料包的熱釋放速率曲線對比

圖13 窗戶開啟、門開啟狀態下不同位置燃料包的熱釋放速率曲線對比

表2給出了各火災場景中的HRR峰值和達到時間、2.3 m處最高溫度和達到時間的比較情況，可以看出，HRR峰值達到時間和最高溫度達到時間比較接近，只有SC6場景受通風控制導致兩者相差較大。燃料包位于墻角時，HRR峰值較大，達到時間較短；2.3 m處溫度也較高，在300 s之前都超過了800 ℃；當燃料包位于房間中心處，SC4門窗始終開啟，火勢發展迅速，燃燒持續時間最短，HRR峰值最大6 030 kW，最高溫度為783 ℃。

圖14 窗戶300 ℃開啟、門180 s開啟狀態下不同位置燃料包的熱釋放速率曲線對比

表2 各火災場景中HRR峰值和

4 結論

通過對各場景熱釋放速率和溫度曲線的比較分析，可以得到以下結論：(1)所有火災場景中，由于PUF作為第一引燃物，對火災初始發展起決定性作用，導致火災初始增長速率幾乎相同。待PUF進入衰減期，開始由通風因素影響火災發展趨勢。(2)通風開口對室內火災發展具有重要影響作用。通風開口面積越大，HRR峰值越大，燃燒越充分，燃燒持續時間越短。通風狀態的改變也會導致室內火災發展狀態的改變。如在室內火災發展過程中，窗戶玻璃受熱破碎、人員疏散時開啟門將導致大量新鮮空氣進入，發生轟燃，使得HRR和溫度在很短時間內達到峰值。(3)在通風條件良好的情況下，室內4個墻角2.3 m處溫度在較短時間內超過600 ℃，最高溫度可達808 ℃，會發生轟燃。(4)根據熱釋放速率和溫度曲線圖，驗證了燃料包的設計思想。PUF作為第一引燃物，在很短時間內達到HRR第一個峰值，并逐漸引燃下方小木垛和旁邊大木垛。待PUF燃燒進入衰減期，下方小木垛已經完全燃燒，有足夠的能量來繼續引燃大木垛，木垛完全燃燒達到第二個HRR峰值，維持室內火災的發展。

雖然沒有合適的試驗數據來驗證FDS模擬的可靠性，但是FDS模擬結果能夠反映出一些火災發展和煙氣運動的規律，幫助選擇和確定合適的火災場景以及試驗設備的位置。下一步，將參考數值模擬，綜合考慮試驗設備的承受能力以及實際火災中人員疏散可能出現的情況，選擇SC5和SC6兩種場景作為不利情況下的火災場景，進行全尺寸房間火試驗，為研究賓館客房火災發展規律提供一定參考依據。

[1] BILGER R.Computational field model in fire research and engineering[C].Proceduers Forth Internal Symposium,Fire Safety Science,1994.

[2] Piotr Smardz.Validation of fire dynamics simulator(FDS)for forced and natural convection flows[D].University of Ulster,2006.

[3] 朱五八.不同通風狀況下典型軟墊家具火災特性研究[D].合肥:中國科學技術大學,2007.

[4] 楊曉菡.基于ISO 9705房間木垛火試驗的FDS模擬預測研究[J].消防科學與技術,2009,28(3):151-155.

[5] 郭子東,徐豐煜,吳立志,等.賓館客房的火災荷載調查與統計分析[J].安全與環境學報,2011,11(5):149-153.

[6] MA T G, QUINTIERE J G.Numerical simulation of axi-symmetric fire plumes:accuracy and limitations[J].Fire Safety Journal,2003,38:467-492.

(責任編輯 馬 龍)

The CFD Simulations of Fire Scenarios Design for a Hotel Room under Different Ventilation Conditions

XU Fengyu1, WU Lizhi2

(1.SanmingMunicipalFireBrigade,FujianProvince360000,China; 2.DepartmentofFireCommanding,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

A fire load survey was conducted in 145 mid-ranged hotels’ rooms in Beijing to collect typical data such as fire load density, type of combustibles, ventilation openings. Based on the analysis of the survey data, a typical fuel package was designed to be used in a hotel room. In order to choose a proper fire scenario for a full-scale room fire test, a FDS simulation was carried out to investigate the impact on a room fire in terms of different ventilation conditions and fuel package locations. The simulated results like HRR, temperature and gas concentration obtained in this study are conducive to the design and instrumentation of a room fire test.

hotel room; fuel package; fire scenario; design fire

2016-05-12

徐豐煜(1985— )，女，福建泉州人，助理工程師； 吳立志(1968— )，男，浙江東陽人，教授，博士。

X932; TU998.1

A

1008-2077(2016)10-0009-05