基于FDS的高層建筑火災(zāi)數(shù)值模擬問(wèn)題探討

王亞升

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 西安 710018）

現(xiàn)代高層建筑應(yīng)用了大量易燃、可燃的材料，以此使火災(zāi)發(fā)生的可能性出現(xiàn)大幅增加，同時(shí)可燃物燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生毒害氣體，并釋放大量的火災(zāi)煙氣，以此也會(huì)使建筑內(nèi)部可見(jiàn)度降低[1]。綜合而言，高層建筑火場(chǎng)高溫使人員在行動(dòng)能力上受到較大限制，不利因素集合使火災(zāi)發(fā)生中的傷亡率極大。基于此，對(duì)于高層建筑火災(zāi)內(nèi)部溫度分布的規(guī)律、煙氣可見(jiàn)度、煙氣蔓延規(guī)律、毒害氣體濃度等火災(zāi)特點(diǎn)進(jìn)行分析，以此為高層建筑火災(zāi)煙氣防排煙、建筑疏散通道設(shè)計(jì)、消防撲救工作提供基礎(chǔ)。在大量實(shí)踐中表明，F(xiàn)DS軟件能夠?qū)ㄖY(jié)構(gòu)火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行數(shù)值模擬，以此可作為火災(zāi)特點(diǎn)、建筑防火災(zāi)安全性能等的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。

1 FDS概述

FDS是美國(guó)開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)模擬程序，是將火災(zāi)流體運(yùn)動(dòng)為對(duì)象進(jìn)行流動(dòng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算的軟件[2]。這一軟件使用的求解方程為低馬赫數(shù)流動(dòng)N-S方程，方程主要受火災(zāi)浮力驅(qū)動(dòng)影響，重點(diǎn)是進(jìn)行火災(zāi)熱傳遞及煙氣的傳遞過(guò)程。FDS是開(kāi)放性的程序，在實(shí)踐中其準(zhǔn)確性得到大量實(shí)證檢驗(yàn)，在火災(zāi)領(lǐng)域中的應(yīng)用極為廣泛。FDS擁有大渦模擬及直接數(shù)值模擬兩種模擬模式，其中的數(shù)值是以湍流控制方程為基礎(chǔ)，對(duì)火災(zāi)中的流場(chǎng)、濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)時(shí)間尺寸及空間尺寸精確的進(jìn)行描述。數(shù)值模擬方法在結(jié)果上是極為精確的，但是計(jì)算量也較大。大渦模擬是將湍流瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)分解成為小尺度、大尺度兩種運(yùn)動(dòng)部分，大尺度則可通過(guò)微分方程來(lái)直接進(jìn)行計(jì)算，小尺度可通過(guò)亞格子模型建設(shè)來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬，以此使計(jì)算量得到極大簡(jiǎn)化。所以通常條件下，運(yùn)用大渦模擬較為多。FDS理論基礎(chǔ)為力學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行數(shù)值的計(jì)算中主要運(yùn)用到的幾個(gè)方程為質(zhì)量守恒方程、組分守恒方程、能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程。

2 高層建筑火災(zāi)危險(xiǎn)性分析

根據(jù)實(shí)踐研究表明，在實(shí)際生活中，造成人員疏散最大影響的是在火災(zāi)煙氣方面。火災(zāi)煙氣內(nèi)部含有二氧化碳，同時(shí)二氧化碳存在的量是極為大的，在空氣中二氧化碳濃度達(dá)到5000ppm以上時(shí)，回使人體出現(xiàn)嚴(yán)重缺氧的情況，甚至?xí)沟萌藛T腦損傷情況出現(xiàn)，最為嚴(yán)重的會(huì)直接導(dǎo)致死亡。一氧化碳在800ppm以上時(shí)就有可能導(dǎo)致處于火災(zāi)中的人員死亡，就算不會(huì)直接死亡，但是也會(huì)出現(xiàn)頭痛、惡心、痙攣等情況，嚴(yán)重阻滯了人員的自救行為。煙氣溫度也是煙氣危害性之一，在火災(zāi)發(fā)生的過(guò)程中，火場(chǎng)溫度甚至能夠在幾百攝氏度之上，要知道人體在65℃到120℃中只有15分鐘的存活時(shí)間，隨著溫度不斷趨近于120℃平均存活時(shí)間還會(huì)持續(xù)降低，在120℃的情況人體耐受時(shí)間不會(huì)在1分鐘以上。最后則是可見(jiàn)度，對(duì)于火災(zāi)中自救的人員而言，能見(jiàn)度是自救行為的重要影響因素，火災(zāi)中的煙氣有減光效果（如圖1），以此使建筑中能見(jiàn)度急劇下降，使人員疏散受到影響，能見(jiàn)度定量標(biāo)準(zhǔn)則是根據(jù)建筑物面積及空間大小進(jìn)行確認(rèn)。若是一般建筑最小能見(jiàn)度在5m左右，減光率為0.2，大空間建筑則最小能見(jiàn)度為10m左右，減光率則為0.1。

圖1

3 高層建筑FDS火災(zāi)模型構(gòu)建

在FDS中，最小的計(jì)算單位為網(wǎng)格，其大小也成為模型中最關(guān)鍵的參數(shù)之一，主要是對(duì)模型內(nèi)部偏微分方程時(shí)間及空間精度進(jìn)行規(guī)定。FDS于各個(gè)離散時(shí)間步內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格化學(xué)成分、溫度、壓力、密度、溫度、速度等計(jì)算，所以網(wǎng)格劃分保證計(jì)算結(jié)果精確的關(guān)鍵。從理論上來(lái)說(shuō)，網(wǎng)格在劃分時(shí)越是精細(xì)，計(jì)算所得到的結(jié)果就越是精確，在火災(zāi)場(chǎng)景中，往往一幕就擁有十萬(wàn)甚至百萬(wàn)計(jì)的網(wǎng)格，同時(shí)具有數(shù)千上萬(wàn)的實(shí)踐不。所以，在兼顧計(jì)算時(shí)間及計(jì)算機(jī)性能控制的基礎(chǔ)上，精細(xì)劃分網(wǎng)格也僅是理論中而言，現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)難度較大。網(wǎng)格實(shí)施一次二分的情況下，能夠使方程離散精度得到保證，使差誤減少。但方程并非為線性，將離散差誤減小，可能對(duì)于結(jié)果差誤降低并無(wú)較大影響。同時(shí)對(duì)于網(wǎng)格的一次二分，會(huì)使計(jì)算時(shí)間增長(zhǎng)24，即16倍。所以進(jìn)行模型精度的設(shè)計(jì)要與計(jì)算機(jī)性能相契合，于此才能實(shí)現(xiàn)一定時(shí)間內(nèi)得到精確度適用的結(jié)果。在本次研究中，以某高層建筑為例，建筑層數(shù)達(dá)到了20層，層高是3m。FDS火災(zāi)模型在進(jìn)行起火模擬時(shí)，將地點(diǎn)設(shè)置在第八層客廳位置，火災(zāi)的模擬計(jì)算時(shí)間是1800s，火源進(jìn)行熱能釋放中速率達(dá)到了3000kw/m2。火災(zāi)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的過(guò)程中，考慮到模擬時(shí)間以及計(jì)算精度的條件，為了使計(jì)算得到優(yōu)化，將網(wǎng)格劃分成379080個(gè)單元。為了使高層建筑火災(zāi)模型在溫度上的變化規(guī)律得到明確，起火點(diǎn)1.7m高度處進(jìn)行了二氧化碳、一氧化碳、可見(jiàn)度切片、溫度的探測(cè)器，另于高度1.7m，水平距離1.5m處、門(mén)的內(nèi)側(cè)0.5m、門(mén)外側(cè)及過(guò)道內(nèi)1m處分別進(jìn)行進(jìn)行可見(jiàn)度、溫度、一氧化氮、二氧化碳濃度的測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)，同時(shí)標(biāo)注有相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)序號(hào)，即1～4號(hào)。此外，火災(zāi)伊始設(shè)置有開(kāi)門(mén)時(shí)間，具體為30s，以此使人員逃生開(kāi)門(mén)行為得到切實(shí)考慮。

4 FDS的高層建筑火災(zāi)數(shù)值模擬問(wèn)題探討

4.1 火災(zāi)煙氣蔓延的規(guī)律性

根據(jù)模擬結(jié)果反映，建筑于外部風(fēng)壓下，火災(zāi)煙氣沿結(jié)構(gòu)外墻向上迅速蔓延。火災(zāi)在初始20s以?xún)?nèi)，煙氣的蔓延區(qū)域小，對(duì)于其他區(qū)域影響較小；60s時(shí)煙氣開(kāi)始向上迅速蔓延到火層之上的樓層。煙氣于高層建筑中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，揭示了火災(zāi)煙氣豎向的蔓延速度極快。

4.2 可見(jiàn)度情況

火災(zāi)在發(fā)生的過(guò)程中，煙氣首先在起火房間蔓延，之后向著室外電梯井與樓梯蔓延，以此使電梯井、樓梯、起火房間在能見(jiàn)度上迅速降低。火災(zāi)發(fā)生1分鐘時(shí)，因?yàn)闊煔鈺?huì)向著建筑外墻迅速向上蔓延至頂樓，以此使起火與起火層以上建筑內(nèi)部可見(jiàn)度降低。此間電梯井與樓梯煙氣較少，因此電梯井內(nèi)、樓梯中可見(jiàn)度較為良好。6分鐘以后，煙氣則會(huì)在起火層及以上樓層、電梯井內(nèi)、樓梯中蔓延。尤其是樓梯及電梯井中可見(jiàn)度低，對(duì)于人員疏散造成較大威脅。

4.3 水平面釋放情況

在高度為1.7m的水平面中，火源熱能的釋放達(dá)到3Mw/m2，起火點(diǎn)的準(zhǔn)確位置是八層某房間的沙發(fā)上，可燃物迅速進(jìn)行燃燒，然后釋放了大量的一氧化碳與二氧化碳?xì)怏w，燃燒一分鐘之后，這兩種毒害氣體已經(jīng)能夠使人體生命受到威脅，主要在通風(fēng)不良區(qū)域，如拐角、過(guò)道中分布。火災(zāi)發(fā)生60s之后，起火點(diǎn)溫度已經(jīng)超過(guò)了300℃，可燃物未完全燃燒結(jié)束時(shí)，溫度保持在一個(gè)較高的范圍內(nèi)。在6分鐘以后，火災(zāi)煙氣蔓延到電梯井內(nèi)和樓梯中，使得電梯井內(nèi)、樓梯可見(jiàn)度較低。

5 結(jié)論

在高層建筑發(fā)生火災(zāi)的情況下，火災(zāi)發(fā)生1分鐘時(shí)，煙氣會(huì)迅速的通過(guò)建筑外墻結(jié)構(gòu)向上蔓延，使起火層及以上樓層中迅速充斥煙氣，但是電梯井內(nèi)及樓梯在可見(jiàn)度上相對(duì)該較為高，因此可以進(jìn)行人員疏散。但是在6分鐘之后，火災(zāi)中的煙氣會(huì)蔓延到電梯及樓梯井內(nèi)，煙氣的濃度較高，不適合人員進(jìn)行疏散和逃生。同時(shí)樓層的天臺(tái)在煙氣濃度上也較為高，不能夠作為避難點(diǎn)。火災(zāi)發(fā)生1分鐘以后，會(huì)有大量威脅建筑內(nèi)部生命健康的氣體，主要在大的孔家與過(guò)道中分布，這也造成了人員逃生受到阻礙。因此，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，首先需要將起火房間門(mén)、樓層的電梯與樓梯井門(mén)進(jìn)行關(guān)閉，以此阻斷火災(zāi)煙氣的蔓延，為人員逃生爭(zhēng)取時(shí)間。