基于PyroSim的糧食儲備庫火災仿真模擬分析

崔鵬程，陳 鑫，張 濤?

（國家糧食和物資儲備局科學研究院，北京 100037）

糧庫是糧食儲存和保管的主要場所，也是進行生產作業的主要地點。統計表明，相比其他類型的事故，火災發生的次數較多，造成的損失最為嚴重。并且，隨著社會的進步，經濟的發展和技術的革新，為滿足各種作業的需求，糧庫設計更加復雜，單庫存量也不斷攀升。一旦發生火災事故，不但會損壞倉房和糧食，而且產生的有毒煙氣和高溫對正在作業的人員和未過火糧食造成巨大危害。因此對糧庫火災的研究將具有重要意義。

國內學者對糧庫火災事故主要進行了原因分析和監測預警。其中，王赫等采用事故樹的方法分析得出我國糧庫火災的主要原因是大量使用可燃物和易燃物[1-2]；王小將則認為糧食自身發熱、糧庫本身存在火災隱患、消防安全管理不到位、員工消防意識淡薄、供電線路和防雷設施存在隱患是引起糧庫火災的五大因素[3]；唐芳雄等設計開發了糧食儲備庫火災預警軟硬件系統用于火災預防[4]。由于科技的發展，計算機仿真為火災模擬提供便利。由美國 NIST研發的火災動態模擬軟件FDS，以及后期為簡化建模過程而開發出來的 Thunderhead Engineering PyroSim（以下簡稱PyroSim）在不同行業中應用廣泛。諸如，建筑行業通過對高層建筑、影院、地鐵車站等進行火災模擬，獲取不同時間段、不同火災地點的煙氣、溫度、能見度情況，確定人員疏散的安全時間和路線，以及建筑結構[5-6]；交通運輸行業則對高鐵、隧道交通、高空飛機、大型客車等交通運輸工具和構筑物進行火災模擬，探究了不同著火點對于人體的危害程度，確定乘客的最小轉移時間[7-10]；礦山行業則通過模擬地下巷道中不同火源情況的火災場景，分析火災煙氣的總體流動和分布狀況，確定火災報警器響應時間和應采取防火措施[11-12]；而對于大型倉庫，部分學者通過模擬對棉花倉庫早期火災蔓延趨勢[13]和大跨度、大空間的物流倉庫火災撲滅技術[14]進行研究。

由以上內容看出，前人對于糧食儲備庫火災研究較少，也并沒有將相對成熟的火災模擬技術應用到糧庫中來。因此，本文將應用火災模擬軟件 PyroSim，選取糧食儲備庫中應用較多的平房倉為研究對象，針對磷化氫熏蒸口發生的火災情況，分析火災煙氣和溫度對于倉內作業人員的影響，并提出預防措施，以期為糧庫防火、滅火和人員疏散提供理論基礎。

1 糧庫火災的相關理論基礎

1.1 不同階段火災特點

1.1.1 火災初始階段

點火源能量高于可燃物最小點火能，可燃物被點燃。在火災初始階段，可燃物性質、燃燒的類型、周圍環境狀況、通風等對火災增長速度有一定影響，燃燒速度較慢。燃燒物質的充足與否和通風供氧條件決定火災的后續發展狀況。若可燃物較多且氧氣充足，火災將繼續發展；若可燃物或氧氣缺少，燃燒和火災將終止。此階段，火勢較小不易發覺，但也是防滅火和人員疏散的關鍵時期。

1.1.2 火災發展階段

火災發展階段，倉內所有的可燃物充分燃燒，室內溫度急劇升高，煙氣濃度加大，倉房結構逐漸破壞，持續時間與燃燒物的量和氧氣量有直接關系。實驗發現，火災發展階段燃燒的可燃物為整個火災過程中燒掉可燃物數量的80%[15]。此階段滅火則需要發動專業的消防力量進行緊急處置，防止財產繼續損失和人員的傷亡。

1.1.3 火災熄滅階段

火災熄滅階段，可燃物逐漸燃燒殆盡，火勢逐漸減小，溫度開始下降，煙氣濃度下降。但相關實驗發現，溫度的衰減與上一階段火災發展階段的持續時間有很大關系。持續時間越長，衰減速度越慢。因此，此階段倉內溫度仍然很高，熱輻射強烈，滅火時應做好降溫和個人防護措施。

1.2 火災煙氣

火災煙氣指物質在燃燒或熱解過程中所產生的懸浮在空氣中的固體和液體顆粒。火災煙氣的主要成分包括：①未燃燒的氣態可燃物；②氣相燃燒產物；③沒有完全燃燒的液、固相分解物和冷凝微小顆粒。火災煙氣的危害主要體現在其具有遮光性[16]、刺激性[17]、高溫性和毒害性。能見度降低導致疏散速度減慢，刺激性氣體的存在導致人的呼吸系統和眼睛受到損害，高溫造成人皮膚的燙傷，產生的有毒氣體可能造成窒息和中毒的危險[18]。

1.3 火災模擬軟件介紹

火災模擬的不同軟件對應不同的模型，主要有經驗模型、區域模型、場模型、區-場-網復合模型[19]。通過模型和模擬分析，直觀了解火災發生發展過程，完成對火災中的溫度場分布、煙氣分布的定性和定量分析。

1.3.1 專家系統（Expert System）

專家系統主要依靠的是專家通過火災實際和實驗參數的采集和經驗總結，以及火災科學的相關經驗公式。由于火災事故和實驗的局限性，該模型僅限定于針對特定的相似火災定性和定量的模擬。目前應用比較多的是 FIREFORM、英國ASKRSF和澳大利亞FIRECAIC等[20-21]。

1.3.2 區域模型（Zone Model）

區域模擬是以某一確定空間火災為研究對象的半物理模擬，是經驗公式與三大守恒定律以及化學反應公式的結合。模擬方式的差異主要取決于結合程度的不同[21]。模擬時通常將模擬對象分為溫度較高和溫度較低兩部分控制體進行。目前區域模型的程序主要有CFAST、FIRST、Vents等。

1.3.3 場模型（Field Model）

場模擬是以三大守恒定律為理論研究基礎，利用計算機求解火災過程中狀態參數的空間分布及其隨時間變化的方法。目前研究火災過程中應用較多的是場模擬軟件主要有 CFD通用軟件CFX、FLUENT和火災模擬專用軟件FDS[22-24]。

1.3.4 區-場-網復合模型（Field-Zone-Network Model）

區-場-網復合模型是對以上模型的綜合應用。當一種模型不能夠滿足模擬需求時，就需要多種模型結合使用，這樣就能彌補不同模型的不足，形成一種更為合理的火災模擬方法。

結合火災模擬場所的特點，選取恰當的火災模型和軟件可以在保證模擬質量的基礎上節約成本和模擬時間，提高效率。針對本文所研究的糧庫的類型，選用場模型進行模擬，所選用的場模擬軟件是在 FDS模型的基礎上進行改進的Pyrosim火災模擬軟件。

2 PyroSim基礎理論和平房倉火災數值模擬

2.1 PyroSim軟件介紹

PyroSim火災模擬軟件是一款專用于消防動態仿真模擬的軟件，它是在火災模擬軟件FDS的基礎上發展起來。PyroSim火災模擬軟件最大的特點是提供了三維圖形化前處理和可視化編輯的功能，能夠邊編輯邊查看所建模型，避免了代碼的編寫。該軟件以計算流體動力學為理論依據，采用了Navier-Stokes方程和流體的能量、動量和質量控制偏微分方程進行流體計算。

表1 PyroSim火災模擬軟件理論方程Table 1 PyroSim fire simulation software theoretical equation

PyroSim火災數值模擬軟件包含模型建立、運行求解和分析處理三個基本過程。通過模型設置、表面設置、化學反應設置、設備設置，得到一個完整的火災數值模擬模型，最后通過運行模擬模塊，輸出數據、圖標和動畫等。

2.2 平房倉火災的PyroSim數值模擬

平房倉作為糧庫中主要倉型，具有倉房的密閉、保溫、隔熱、防潮性能好，單倉容量大、使用壽命長、結構安全可靠、造價低、施工簡便等優點，被廣泛應用。因此本文選取平房倉進行火災模擬研究。

磷化氫是目前國內糧食行業廣泛使用的糧食殺蟲熏蒸劑。然而，磷化氫氣體是一種無色、劇毒、易燃的氣體，其熏蒸糧食過程引發的火災安全事故時有發生。因此本研究主要模擬糧食熏蒸過程中磷化氫熏蒸口所引起的火災。

2.2.1 平房倉物理模型設定

本研究以高大平房倉為研究對象，是某庫區某型號平房倉進行相對簡化而得，計算區域主要是倉內空間。邊界材料均設置為混凝土且絕熱狀態。其中，倉房長60 m，寬30 m，高10 m。在倉壁設置通風窗和進出糧門，并處于關閉狀態，如圖1所示。

圖1 平房倉物理模型Fig.1 Physical model of warehouse

2.2.2 網絡模型的設定

由于平房倉的主體建筑形式為長方體，所以，對建筑進行簡化建立模型尺寸為70×40×15 m3的立方體，取網格參數見下表 2，最小網格尺寸為1×1×1，網格總數為 42 000。

表2 網格參數設置Table 2 Grid parameter setting

選取此網絡模型，既可以準確的描述出平房倉的基本狀況，又能在節約運算時間的基礎上得到較為精確的模擬結果。

2.2.3 火源點設置

火源點設置在磷化氫熏蒸口，距離倉出 3 m處，火源面積為 0.5×0.5 m2，位置緊貼倉壁，如圖2所示。

圖2 火源點設置Fig.2 Fire source setting

2.2.4 火災模擬初始條件的設定

在進行PyroSim火災數值模擬時，初始條件有一部分是系統默認設定的，但是根據本研究的具體情況，對于初始條件設定如下：

（1）環境初始溫度：20 ℃

（2）環境初始相對濕度：65%

（3）環境大氣壓力：101 325 Pa

（4）風速：0 m/s

（5）火災模擬時間：600 s

（6）火災增長類型：快速火

（7）地板和墻壁材質：絕熱材料，不傳熱

2.3 火災模擬結果

2.3.1 煙氣

通過PyroSim建立平房倉的物理模型，然后設定火源點，設定不同的火災模擬初始條件，之后點擊運行FDS進行火災動態模擬。這個過程的運算時間會根據物體的大小，網格多少等的不同而不同。本研究運算時間大概在4.5 h，運算結果經Smokeview軟件處理后通過視頻化的形勢展現出火災發展的全動態過程，模擬結束后還可以查看溫度隨時間的變化值等。如圖3～6所示為火災煙氣蔓延過程。

圖3 煙氣形成階段Fig.3 Smoke formation stage

圖4 煙氣向上發展階段Fig.4 Smoke upward development stage

圖5 煙氣頂部發展階段Fig.5 Top development stage of smoke

圖6 煙氣擴散階段Fig.6 Smoke diffusion stage

從模擬結果可以看出，火災發生后，火災煙氣處于形成階段，火災煙氣較小，該階段是滅火和人員逃生的最佳時期；當火災由一定的發展，火災煙氣向上發展，煙氣準備開始擴散，火勢較小，倉內工作人員應及時滅火和疏散；隨著時間的推移，火災煙氣逐漸在頂部擴散，開始擴散到整個倉內，倉內工作人員應趕緊撤離，避免停留；當火災無法控制時，火災煙氣充滿整個倉內，此時處于倉內的工作人員將受到嚴重的生命威脅。

2.3.2 溫度

據相關醫學和生理實驗統計，火災過程的高溫煙氣會對人體造成一定程度的傷害，若長時間處于高溫環境中甚至會導致死亡。判斷煙氣溫度是否對人構成危險，通常是以人眼處的煙氣溫度作為特征溫度進行判斷。人眼的特征高度是1.2～1.8 m，取人眼特征高度為1.5 m。對于健康的著裝成年男子，溫度與人體極限忍受時間的關系式為：

式中：t為極限忍受時間min；T為空氣溫度℃；B1和B2分別為常數，一般取B1=1.0，B2=0。考慮濕度影響，安全系數取0.6，得到：

根據公式可得出人員忍受時間和溫度之間的關系，當溫度為 50、100、200 ℃時，人體的耐受溫度分別為180、14、1.2 min。由于倉內的疏散時間要求較短，因此選取對人體有害的臨界溫度為100 ℃。

為探測倉內發生火災時煙氣溫度的變化情況，在著火點切面設置溫度探測器，如圖所示7。

圖7 設置溫度探測器Fig.7 Setting the temperature detector

經過模擬可得溫度分布情況，如圖8～10所示。

圖8 10 s時溫度分布Fig.8 Temperature distribution at 10 s

圖9 100 s時溫度分布Fig.9 Temperature distribution at 100 s

圖10 600 s時溫度分布Fig.10 Temperature distribution at 600 s

由圖可知，當時間到達10 s左右時，火災處于初始階段，煙氣尚未成型，高于100 ℃的區域主要集中在火源附近，其他空間溫度維持在常溫20 ℃左右；當時間到達100 s左右時，火災開始發展，煙氣開始蔓延，但倉房內的溫度大部分還處于常溫狀態，此時對人體損害最大的是有毒有害的煙氣；隨著火災的不斷發展，當時間到達10 min左右時，高溫煙氣不斷擴散，1.5 m以上區域超過100 ℃，1.5 m以下區域也都處于60～100 ℃之間，已經處于臉部短時間暴露的極限溫度，因此，在場人員必須馬上撤離，避免被高溫灼傷。

3 防火和人員疏散建議

3.1 防火

3.1.1 火災的主動防護

糧庫火災的主動防護指的是預防和控制倉內火災發生和發展的措施。消防管理部門應加強對儲糧單位和企業的監管力度，建立與糧食部門的信息互通機制，明確崗位消防職責，做到消防檢查常態化，對于消防隱患應做到“檢查一處，整改一處”。糧食儲備庫企業和單位應建立健全消防安全管理，落實消防責任。并結合糧庫具體情況，引進相關防護技術包括：糧庫火災探測報警設施；磷化氫熏蒸過程中的火災預防措施；主動滅火系統等。

3.1.2 火災的被動防護

糧庫火災的被動防護指的是減弱火災發展趨勢，減少財產損失的辦法和措施。其中，最重要的是儲糧單位和企業應編制火災應急預案，加強對火災發生后的綜合協調指揮處置能力，提高應急救援反應能力，及時、有序、高效、妥善的處置突發火災，最大限度的減少人員傷亡和糧食損失。除此之外，糧庫內還應盡量減少易燃可燃物的數，進一步提高糧庫材料和設施部件的防火性能。

3.2 人員疏散

當發生火災后，人員的疏散是減少人員傷亡的有效措施。針對糧庫作業人員，糧庫管理人員應加強其安全管理和培訓，提高作業人員安全意識。按照有關規定，在作業人員工作區域張貼安全疏散注意事項圖、疏散路線圖以及其他疏散常識圖等。并定期開展消防演練，讓作業人員深入了解消防應急常識，樹立消防意識，掌握火災事故發生現場應急撲救流程，學習安全快速疏散和逃生的方法。

4 結論

本文運用PyroSim軟件對糧食儲備庫中的平房倉磷化氫熏蒸口火災場景進行模擬，分析了煙氣和溫度對于作業人員的影響，得出的結論如下。

煙氣形成階段和向上發展階段為滅火和作業人員疏散的最佳時期；當煙氣在頂部擴散時作業人員應馬上撤離；當煙氣彌漫至整個倉房時已經十分危險，作業人員嚴禁進入倉內。

高溫容易導致作業人員燒傷和燙傷。在倉內1.5 m以下范圍溫度未達到人員極限忍受范圍時，作業人員應趕緊撤出，避免燒傷。并且應捂住口鼻，防止高溫煙氣造成呼吸系統損害。

儲糧單位和企業應采取多種措施主動預防和控制火災，并盡可能減少人員傷亡和財產損失。提高人員疏散培訓質量和消防演練頻次。