基于FDS 的室內火災蔓延特性研究

劉子建

1.概述

隨著社會經濟的發展，建筑物越來越向高、密型結構發展，一旦發生火災，將對生命、財產安全帶來重大的危害。各類火災的統計資料表明其中85%以上的死亡是由于受到煙氣影響，受困人員吸入大量的煙氣或有毒氣體窒息導致[1-2]。消防指戰員在進入正在燃燒或燃燒后的建筑物內開展火情偵察、滅火救援、火災調查等作戰任務時也不得不承受吸入煙塵的風險。室內火災的發展最終導致建筑物火災的形成。因此，探討室內火災發生的規律，煙氣擴散與火源、排氣口等位置及大小的相關性，具有重要的意義。同時，研究火災發生時室內煙氣的流動擴散規律，對減少火災危害具有很好的指導作用。針對室內火災發展過程，國內外學者已經用不同的研究方法進行了不同層次的研究[3-4]。室內火災時火災增長變化主要有三個階段，即火災初期階段、火災充分發展階段及火災減弱階段[5]。

2.室內火災模型的建立

本文選取單間休息室為研究對象，利用建模軟件Pyrosim 進行模擬，基于實際情況，對建筑物的單室進行合理的簡化和設計。通過軟件模擬室內發生火災時煙氣的擴散與火源位置、排氣口位置及大小的相關性，也能較好地反映發生火災從發生到增長的幾個階段。著火房間尺寸取為5.2m×4.6m×2.4m，門開口尺寸為0.9m×2.0m?；鹪吹男问讲捎玫氖擒浖詭У木匦尾裼陀统鼗鹪葱问?，尺寸為0.2m×0.3m。計算時網格大小取為0.1m，模型圖如圖1 所示，其中火源位置見圖1 所示編號1-6，便于表述，將火源Fire Source 簡寫為FS。通風口面積的設定主要依據調節門的大小。設定4 種工況，將門洞尺寸Door Size簡寫為DS，各工況依次記為DS-1（關門情況）；DS-2（開一扇門，尺寸為0.9m×2.0m）；DS-3（開一扇門，尺寸為1.2m×2.1m）；DS-4（開兩扇門，尺寸為0.9m×2.0m）。

3.模擬結果分析

3.1 煙氣隨時間蔓延情況分析

煙氣在著火房間內蔓延的過程中遇到任何障礙物都會進行流動擴散。其中最大的障礙物即頂棚與墻體，當煙氣擴散至頂棚時，后向四周水平擴散并受到周圍墻體的阻擋，有沿墻向下流動的趨勢，煙氣不斷增加增厚，到達門窗洞口以下時才會擴散出去。但是，室內火災中煙氣層下降到一定高度后就基本不再發生變化，達到一個煙氣的穩定高度。由本文的研究可知，在 5s～10s 時煙氣的產生還較少較薄，在60s 時已經慢慢形成了煙氣層，600.0s 時煙氣量已大大增加至幾乎充滿室內。見圖2 所示。

圖1 FDS 模型及網格圖

圖2 煙霧擴散圖

圖3 不同火源位置工況下熱釋放率隨時間變化

3.2 火源位置對熱釋放速率的影響

本文設置了六組對比模型，分別位于房間中部、邊墻及墻角處。在其他條件不變的情況下，圖3 為各工況下火災熱釋放速率曲線。由圖可知火源位置靠近可燃物時火災熱釋放速率增長到1500kW 的時間約為 250s，而遠離可燃物時火災熱釋放速率增長到1500kW 的時間卻需500s 以上，圖3（b）組相對（a）組熱釋放率達到較高值的時間明顯滯后，這是由于（b）組中火源位置離可燃物較遠，其中FS6 工況中火源位置附近一周均無可燃物，短時間內火災熱釋放率較小且較穩定。因此，在實際的火災預防中，火災危險點應盡可能少堆放可燃物。另外，根據各火源位置下室內正中豎向布置的5 個電熱偶的溫度情況可知，火源位置類似的工況電熱偶變化隨時間的變化趨勢也類似。火源在迎風口位置時的電熱偶溫度明顯比火源在背風口位置時低。

3.3 通風口尺寸對室內火災變化的影響

當火源位置固定時，火災發展趨勢受通風口的尺寸影響很大。圖4 為不同通風口（門）尺寸情況下火災熱釋放速率對比圖。由圖可知：無通風口時，在接近200s 時火災熄滅而工況DS-4下，350s 之前，火災熱釋放率微大于DS-2、DS-3 工 況，但 在350s 后，DS-4 明顯比前兩者的熱釋放率大，最后的火勢最嚴重。因為空氣的大量進入，所以起到了助燃的作用。火災熱釋放率會隨著通風口尺寸的變大而變大，初始階段該影響不是很明顯（350s 之前），到一定階段會明顯受到通風口大小的影響。另外，分析5 個熱電偶情況可知：全封閉環境中，火災發生時溫度達到某一峰值后迅速下降，燃燒消耗氧氣后，燃燒逐漸終止；電熱偶溫度達到300℃左右后就迅速下降，直至常溫。隨著通風口面積的增大，同一位置的電熱偶溫度峰值會相應增大。

圖4 不同通風口（門）尺寸下火災熱釋放速率

4.結論

本文利用FDS （Fire Dynamics Simulator）軟件對室內火災進行了模擬，得到以下結論：

（1）火源位置對室內火災的發展有著重要影響，當火源位置附著或非常接近可燃物時，火災熱釋放率較大，溫度較高，火勢猛烈；而當火源位置遠離周圍可燃物時，短時間內火災熱釋放率較小且較穩定，因此，在實際的火災預防中，火災危險點應盡可能少地堆放可燃物。

（2）當火源處于通風有利位置時，溫度增加速度減緩，熱釋放率較快，煙霧蔓延遲緩，而火源處于通風不利位置時，熱釋放率明顯較前者小。

（3）通風口尺寸變化在火災剛開始時影響不大，但當火災發展到一定階段，則其大小會對煙霧的擴散蔓延趨勢產生重要影響。一般情況下，通風口面積越大，熱釋放率增大，煙氣擴散速率增加，而室內溫度峰值有所下降。