排煙風機對室內火災轟燃影響的數值模擬研究

王志寬

(濮陽市消防支隊，河南 濮陽 457000)

排煙風機對室內火災轟燃影響的數值模擬研究

王志寬

(濮陽市消防支隊，河南 濮陽 457000)

利用FDS軟件進行數值模擬，研究了火場排煙風機動作對室內發生轟燃現象的影響。研究發現在火災發展初期，排煙量在一定范圍內升高，促使外界氣體流向著火區域，加劇火勢，促使轟燃提前到來。并對滅火救援工作提出了建議。

排煙；轟燃；數值模擬

隨著城市現代化進程的加快，建筑的數量、規模、形式、結構不斷有新的變化。在火災的控制方面也面臨更多更復雜的問題，對轟燃控制方法的研究就是一個很重要的方面。目前控制轟燃的措施有采用防火阻燃裝修材料、控制排煙量、設置噴淋系統等，而控制排煙量對火勢影響又有著雙重作用，一方面隨著熱煙氣的排出，室內溫度得到降低，煙氣層下降的速度降低；另一方面，補風會增加空間供氧，促進燃燒，加劇火勢。可見，在火災發生時科學的排煙對于降低火災對人員和建筑物的危害尤為重要。

1 室內轟燃介紹

1.1 轟燃的概念和危害

建筑火災發展過程一般可分為三個階段：火災初起增長階段、火災全面發展階段、火災衰減階段。火災初期增長階段，由于未形成全面燃燒，室內平均溫度低，火災危險性較小，但著火點附近，局部火焰高溫作用，使得周圍可燃物逐漸分解揮發出可燃氣體，當可燃氣體在室內聚集達到一定濃度，一旦室內溫度超過一定值，便會形成瞬間燃燒，從而導致室內所有可燃物全面燃燒，由火災初期瞬間轉變為全面燃燒，這種現象稱為轟燃[1]。

室內一旦發生轟燃，建筑內被困人員以及內攻救援的消防隊員都會面臨嚴峻的生命危險。轟燃的危害主要有：(1)形成高熱中心區。轟燃發生后熱量急劇膨脹，室內溫度將達到1 000 ℃以上。(2)造成人員傷亡。試驗研究發現，人體在116 ℃干燥空氣環境內無法呼吸。轟燃發生后，室內溫度遠遠超過人體所能承受的極限范圍。另外，根據不可折返點“Point of No Return”理論，當室內溫度達到530～820 ℃時，全副武裝的消防員可承受時間為2 s左右，移動距離為1.5 m。如果消防員在發生轟燃時，距離最近的安全出口超過1.5 m，將無法安全撤離[2]。(3)造成心理恐慌。發生轟燃時，高溫煙氣伴著巨大的火羽沖出門窗孔洞，使在場的人員產生極大恐懼，從而引起人的心理恐慌。(4)造成建筑倒塌。如鋼結構建筑，環境溫度達到300～400 ℃的時候，鋼材的強度會急劇下降，達到600 ℃的時候，鋼材的承重能力為正常水平的1/3。一般鋼結構建筑如果鋼材沒有隔熱保護，在火災發生后15～20 min就會發生倒塌[3-7]。

1.2 轟燃的判據及研究方法

并不是所有的火災都會發生轟燃，是否發生轟燃與著火房間尺寸、開口面積和火源大小有直接關系。國外火災理論專家對轟燃的條件做過很多研究，普遍認為：對于普通高度的房間，當地板平面上有約20 kW·m-2的熱流量或頂棚下接近600 ℃的高溫，以及可燃物的燃燒速度超過40 g·s-1就會發生轟燃。

目前，對于轟燃的研究，焦點是在其預測和控制方面。一些學者通過研究轟燃所需要的最小熱釋放速率預測轟燃現象的發生，通過不同材料的轟燃試驗總結提出了不同的經驗公式，比如：Guan Heng Yeoh和Kwok Kit Yuen[8]分別提出了：

式中，Qmin為最小轟燃釋熱速率，kJ·s-1；W0為通風口寬度，m；H0為通風口高度，m；hk為熱煙氣層向內墻的有效傳熱系數，kJ·m-2·s-1·K-1；AT為房間內表面積，m2。

轟燃影響的因素主要有空間局限程度、可燃物的熱量釋放速率、釋煙量、排煙量等。從火災發生的過程看，當火災發生到一定程度，室內可燃物大面積同時開始燃燒，標志著火災充分發展階段的開始，燃燒釋放的熱量在局限空間內的大量積累導致轟燃發生。燃燒生成的熱煙氣不斷上升在頂棚下積累，頂棚和上層墻壁不斷被煙氣加熱，在煙氣較薄的表面還同時受到熱輻射的影響；與此同時，溫度不斷升高的這些表面又以熱輻射形式不斷作用于可燃物，增大其熱通量。隨著燃燒的持續，熱煙氣層的厚度和溫度都在不斷增加，使得可燃物的燃燒速率不斷增大。隨著可燃物的質量燃燒速率的增大，當室內火源的熱釋放速率達到發生轟燃時的臨界值，轟燃就會發生。

2 數值模擬

為了達到燃燒迅速，快速升溫，大量產煙的效果，使空間更快進入轟燃狀態，需要配制一種熱釋放速率高，產煙量大的燃料。首先考慮采用柴油作為燃料，然而，試驗發現柴油點燃需要較高能量，產煙量大，但點燃所需的最小熱能較高；汽油雖然產煙量較低，但易被點燃，本次模擬燃燒物采用產煙量和點火能介于兩者之間的煤油。

FDS(Fire Dynamics Simulator)是基于場模型和計算流體力學的火災模擬軟件，模擬火的能量驅動流體流動。該軟件全面考慮了火災煙氣運動的各個分過程，它類似于流體力學計算對流輸運過程中通常采用的有限容積法，不僅能夠計算固體壁面間的輻射換熱，同時還考慮了煙氣層內多原子氣體對輻射的吸收作用[9]。

FDS有兩種方法來定義火災的大小，一種是通過單位面積熱釋放速率(HRRPUA)來設定燃料的燃燒速率；另一種是利用燃料的熱物性和燃料的蒸發熱(HEAT OF VAPORIZATION)來預測燃燒速率。前一種的火災是給定的，只需要單位面積熱釋放速率1個參數，用戶通過設定它來選擇怎樣來實現一個合適的火災規模。而后一種則帶來了計算的不確定性，因為燃燒速率是一個復雜函數，其與火焰通過對流與輻射反饋的熱量和通過固體或液體燃料傳導的熱量有關。燃燒速率至今仍是研究的重點，利用燃料的熱物性和蒸發熱來預測燃燒速率會帶來計算中潛在的誤差。因此，本模擬研究選用第一種方法確定火災規模。單位面積熱釋放速率為：

HRRPUA=mρHc/60

式中，HRRPUA為單位面積熱釋放速率，kW·m-2；m為直線燃燒速度，mm·min-1；ρ為燃料密度，kg·m-3；Hc為燃料的凈燃燒熱，kJ·kg-1。

利用FDS對火災進行模擬，首先需要編寫合適的輸入文件。FDS的輸入文件中需要包含以下信息：控制區域內建筑的幾何形狀、計算單元的尺寸、火源的設定、燃料類型、熱釋放速率、障礙物材料的熱物性、邊界條件等。模擬試驗主要參考煤油組分的試驗燃燒速度(2～3 mm·min-1)確定最大熱釋率為1 549 kW·m-2。模擬空間采用1 200 mm×1 000 mm×1 100 mm空間。設置火源在空間底部，面積為100 mm×100 mm。在右側內側開設一個300 mm×500 mm的通風口，在左側內墻距離頂部300 mm開設一個面積300 mm×300 mm可控排煙量的排煙風機。模擬中一共設置4只熱電偶，分別用通道1～4表示。其中，通道4在側壁中間上方位置，在其橫向兩側布置兩只熱電偶分別為通道2、3，通道1在通道4下方，約在側壁中間處。本模擬初始環境溫度為室溫24 ℃，壓力為101.325 MPa，不考慮外界風對火災的影響。

3 結果與討論

由于排煙機有3個檔位，故根據不同排煙量設置4組實驗，分別為高檔排煙、中檔排煙、低檔排煙和無機械排煙，模擬試驗結果如圖1～圖4所示。

圖1 無機械排煙模擬結果

圖2 低檔排煙量模擬結果

圖3 中檔排煙量模擬結果

圖4 高檔排煙量模擬結果

以第4通道采集的數據為例，從圖1至圖4可以看出，隨著排煙量的增大，火災從初始階段到全面發展階段所需要的時間不斷減少。從點火溫升開始算起，至達到該通道最高溫度，排煙量從小到大依次需要的時間為237，112，65，50 s。可見室內受限空間火災，排煙量越大，火災時發生轟燃越快。

比較圖1至圖4中各曲線的峰值附近情況，可以看出排煙量越大，火災在旺盛階段的持續時間越短。在排煙量較大條件下，曲線在陡峭上升的同時，從峰值下降的坡度也越大。對比大排煙量和中排煙量，空間在500 ℃以上持續的時間，大排煙量為31 s，而中排煙量達到了70 s。可見排煙量的增加，能降低空間蓄熱，使火災更快度過轟燃階段和旺盛階段，轉入衰減階段。

模擬中，除通道1由于非正常因素出現畸變外，其他最高溫度隨著排煙量的增大而增大。通道4排煙量從小到大所得的峰值溫度分別為397.2，473.2，529.1，539.8 ℃。可見在通風控制的火災條件下，空間開口面積及排煙量對火場溫度有較大的影響，相應的也對轟燃發生的效果有直接的影響。

比較4組模擬試驗，通道4從猛烈燃燒階段到衰減階段的轉變過程，得出排煙量從小到大依次所需的時間遞減，再次說明了排煙量的增大有利于空間蓄熱的釋放，促進了火災向衰減階段的轉變過程。

4 結論

通過數值模擬研究，發現排煙量對室內火災轟燃影響顯著。(1)在火災初期階段，排煙量在一定范圍內升高，會促進氣體流入，加劇火勢，加速溫升，使轟燃提前到來。(2)當火災在快速發展階段，加大排煙量能使空間高溫熱煙氣更快排出，降低室溫，引導火勢向衰減階段發展。

對于小空間，從滅火的角度考慮，通過破拆、設置排煙機來加大排煙有助于減少空間蓄熱，更好控制火勢，但從疏散的角度看，小空間發生火災時，盲目排煙有可能加劇火勢迅速發展，對人員疏散和搜救行動都是非常不利的，所以在滅火救援過程中，要綜合考慮確定排煙方式。

[1] 杜文峰.消防燃燒學[M].北京：中國人民公安大學出版社，1997.

[2] 約翰D.德漢.柯克火災調查[M].陳愛平,徐曉楠,譯.北京：化學工業出版社，2006.

[3] 李念慈，李悅，余威.自動噴水滅火系統——設備 設計 運行[M].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[4] 施微，高莆生.建筑火災煙氣運動與控制研究方法的回顧與評價[J].暖通空調,2011,41(9):5-9.

[5] 范維澄，萬躍鵬.流動及燃燒的模型與計算[M].合肥：中國科學技術大學出版社，1992.

[6] 陶文銓.數值傳熱學[M].西安：西安交通大學出版社，2001.

[7] 李人憲.有限體積法基礎[M].北京：國防工業出版社，2008.

[8] Guan Heng Yeoh,Kwok Kit Yuen.Computational fluid dynamics in fire engineering: theory, modelling and practice[M].Elsevier,2008.

[9] Kevin McGrattan，Simo Hostikka，Jason Floyd.Fire dynamics simulator technical reference guide[M].National Institute of Standards and Technology，2009.

(責任編輯 馬 龍)

The Impact of the Mechanical Smoke Extraction on the Flashover in Compartment Fires

WANG Zhikuan

(PuyangMunicipalFireBrigade,He’nanProvince457000,China)

In this paper, the impact of the mechanical smoke extraction on the flashover in compartment fire is simulated with the application of FDS, software developed by NIST. According to the simulation, if the smoke exhaust volume increases in a certain area in the early phase of the fire, the air from external areas will flow towards the fire site, resulting in an early flashover. Combined with the firefighting experience, the fire fighting suggestions are made in this paper.

mechanical smoke extraction; flashover; numerical simulation

2016-10-09

王志寬(1974— )，男，河南濮陽人，工程師。

D631.6

A

1008-2077(2016)12-0016-04