秦皇島市某倉庫三種火災蔓延等級下火災特性的數值模擬研究

祁祖堯，房賢仕，李 倩

(1.中國城市規劃設計研究院，北京 100044；2.東北電力大學能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012)

火災已經成為全球公認的災害現象之一[1].當火災發生時，會產生大量的熱，并釋放一些對人體有害的燃燒產物.在城市規劃的過程中，工廠以及易燃易爆品應預先估計一個安全的范圍，這樣才能最大限度地減少火災對周圍居民的影響.對于火災的研究，目前主要分為兩類：一類是通過實驗來進行數據采集并分析，另一類則是通過計算機進行數值模擬研究.實驗研究耗費大量的人力物力，而且受場地等因素的影響，無法多次進行不同情況下的實驗.因此，對于火災而言，數值模擬是更為合理的研究方法.

袁東升等[2]模擬了老舊商場不同火源點發生火災時溫度與內部煙氣流動情況，發現火源點對于溫度和煙塵會有影響，火源點距離出口較遠時，出口溫度變化與煙塵對于人員疏散影響較小；火源點距離出口越近，空氣流動更劇烈，出口溫度和煙塵瞬間劇烈上升，為不同火源點發生火災時的人員疏散提供了理論方案.丁厚成等[3]模擬了高層建筑火災過程中煙氣流動特性，發現煙氣流動速度和火源的熱釋放速率有直接聯系，適當控制火源的熱釋放速率可以為疏散提供更多的時間.楊東等[4]采用有限體積法分析了貨艙底部發生火災后溫度場和氣體非穩態擴散的規律，火災條件下氣流的流動呈現“天花板噴流”現象，污染物氣體從頂部背離火源方向擴散.張紅虎等[5]模擬了劇場火災時煙氣的發展過程，分析了不同排煙方式下的排煙效果，結果發現隨著排煙口面積減小，高濃度煙氣層會抬升，垂直分布會變明顯，為排煙設計提供了參考依據.劉謙[6]模擬了工廠內部火災時的煙氣流動，結果表明：能見度對人員可用安全疏散時間影響最大，對工廠的布局提出了建議.李志明[7]數值模擬地鐵蓋下建筑發生火情時溫度場及煙氣流動規律，發現防排煙系統可以有效延緩煙氣沉降速度，增加可用疏散時間.尹肖瑩[8]開展了棉花倉庫火災模擬，發現火源位置對火災發展影響較大，中間位置較拐角處更易發生蔓延.王露寧等[9]采用FDS模擬軟件對青島市某地鐵站臺火災進行模擬，分析了不同通風窗開啟模式對煙氣分布、溫度、CO濃度和可見度的瞬時演化影響，給出了火災發生后6 min內較優的通風窗開啟模擬.Vermesi[10]用多尺度建模的數值模擬方法解決了長隧道火災較大范圍的數值模擬問題.Tlili[11]使用Fluent軟件模擬了室內火源位置對出口、入口處的流場和質量流率的影響規律，發現熱源的高度位置對溫度場有較大影響.Huang[12]使用FDS軟件模擬了某餐廳的火災事故，分析了特定火災事故中熱輻射及煙霧對人體的危害，給出了一種量化火災風險的方法.

當前針對火災已開展了大量的數值模擬研究，但主要集中在不同影響參數下的室內火災模擬，分析室內溫度場分布和煙氣流動特性.而建筑物發生火災后，室外風速對建筑物外溫度場分布和煙氣流動特性的影響研究較少.本文針對秦皇島市某倉庫進行現場調研，據此結果構建火災模擬的計算模型.采用Fluent軟件對中等、快速和極快三種不同火災蔓延等級下的倉庫火災進行數值模擬，綜合考慮了不同風速下不同燃燒等級發生火災后溫度與燃燒產物(CO、CO2)的影響范圍，為未來周圍土地建設與開發提供技術參考.

1 倉庫模型及求解

1.1 物理模型

本文模擬的計算模型是針對秦皇島市某倉庫實地調研情況進行等比例建模，如圖1所示.圖中有兩個倉庫，倉庫1模型尺寸：X×Y×Z= 30 m×5 m×10 m；倉庫2模型尺寸：X×Y×Z= 15 m×40 m×5 m.周圍空氣流域各方向長度均大于10倍倉庫尺寸，忽略了計算模型邊界的影響.室外風來流作為流場入口，區域頂部及下游作為流場出口，紅色為釋熱面.

圖1 模擬計算區域示意圖

1.2 數學模型

當倉庫發生火災時，產生的煙氣會因密度差的影響進行流動與擴散.控制方程符合質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程以及組分質量守恒方程.具體方程如下：

(1)質量守恒方程

(1)

公式中：ρ為空間內流體密度；t為時間；Ui為不同方向上的平均速度(i=1，2，3).

(2)動量守恒方程

(2)

公式中：τij為應力張量；P為平均靜壓；Fi為i方向上的外部體積力，包含了其它的模型相關源項，如多孔介質和自定義源項等.

(3)能量守恒方程

(3)

公式中：T為溫度；k為流體的傳熱系數；cp為比熱容；ST為粘性耗散項.

(4)組分質量守恒方程

(4)

公式中：Cs為s組分的體積濃度；Ds為s組分的擴散系數；Ss為單位時間里s組分質量的變化.

1.3 求解條件的設置

在數值模擬過程中，采用非穩態求解，同時考慮重力的影響.需要研究溫度場和煙氣流動特性，數值中啟動能量方程和組分輸運模型，同時考慮到煙氣高溫特性，采用P1輻射模型[13]；湍流模型采用標準k-ε模型[14].選取室外風來流上游作為入口，采用速度入口邊界條件，根據不同工況設置入口速度為1 m/s、2 m/s和3 m/s，入口溫度為25 ℃；選取區域頂部及下游作為出口，采用壓力出口(相對壓力，0 Pa)；操作壓力101 325 Pa，環境溫度為25 ℃，環境中CO濃度為0，CO2濃度為350 ppm；倉庫各面為釋熱面，不同等級對應的單位面積的平均熱釋放速率分別為100 kW/m2(中等)、300 kW/m2(快速)、800 kW/m2(極快)[15]；火災所產生的CO和CO2的濃度分別為60 000 ppm與35 000 ppm[16]；根據消防時間15 min[16]設置非穩態模擬的計算時間.

1.4 網格劃分及計算工況參數設置

綜合考慮計算時間與最終的模擬結果，對極快燃燒等級、室外風速為3 m/s進行了數值模擬計算，開展網格無關性驗證.選取10萬、30萬、50萬、70萬和90萬，五套不同的網格，監測了距離火源中心高度為50 m的溫度值，如圖2所示.當網格數達到50萬以后，所監測點溫度與CO質量分數基本不再隨網格數增加發生顯著變化.因此，本文模擬采用50萬作為最終計算網格，滿足模擬時間和精度的要求.

圖2 網格無關性驗證

火災發生過程中會受燃燒物種類和數量等自身因素的影響，可以將火災分為中等、快速、極快三個不同燃燒等級，同時火災在發展過程中也會受到風力的影響.為了模擬不同情況下的火災發展及影響，設計了五種模擬工況，如表1所示.

表1 模擬工況

Case1、Case2和Case3采用定值的室外風速，模擬對比中等、快速、極快三個不同等級燃燒時的影響規律.Case3、Case4和Case5保持燃燒等級相同，模擬對比不同室外風速對燃燒的影響規律.結合氣象局所給出當地1990年～2019年氣象參數，選擇室外最大風速為3 m/s.

2 燃燒等級對火災的影響

2.1 不同燃燒等級對溫度的影響

在火災人員疏散過程中，火災煙氣溫度不得超過100 ℃，短時間內面部暴露在空氣中的安全溫度范圍在60 ℃至100 ℃[18].因此把65 ℃作為本文參考的安全溫度值，即當溫度大于65 ℃的區域為危險區域.Case1、Case2和Case3則采用相同的進口風速，根據調研情況模擬了三種不同的燃燒等級下火災的情況.900 s時Z=1 m平面處的溫度場如圖3所示.發現，火災影響范圍基本都呈現出橢圓形分布，這與火源長方形區域分布特征相符合.結果顯示：中等等級下的最大影響直徑為90 m，快速等級下最大影響直徑為97 m，極快等級下最大影響直徑為105 m.

圖3 不同燃燒等級下900 s時Z=1 m平面處的溫度場

圖4 不同火災等級下，火災的影響范圍隨時間的變化

為了更加直觀地獲得具體的影響面積，在CFD-Post中通過Iso Clip計算了該平面溫度高于65 ℃的面積，結果如圖4所示.從圖4中可知，火災的影響范圍隨時間的推移不斷增大，同時增長速率也有所增大.而隨著火災等級的提高，影響面積也顯著增大.900 s時，中等等級下的影響面積為28 934 m2，快速等級下的影響面積為30 125 m2，極快等級下的影響面積為35 037 m2.

2.2 不同燃燒等級對CO流動的影響

伴隨火災產生的CO對人體也有很大的影響.據調研，當CO的質量分數大于0.000 14時對人體產生危害[19]，因此本文將CO質量分數0.000 14作為參考指標.當CO質量分數大于0.000 14時認為為危險區域.圖5給出900 s時，不同燃燒等級下，流場中心處的流動截面處的CO質量分數分布.可見，在煙氣上升和風力的共同作用下，CO在不斷上升的過程中逐漸向下游流動，并隨著CO的不斷擴散，在下游的CO影響范圍逐漸擴大.結果表明，中等燃燒等級下的最大影響直徑為200 m，快速燃燒等級下的最大影響直徑為235 m，極快燃燒等級下的最大影響直徑為280 m.雖然產生危害的氣體全部流出流體域，但最大直徑還是發生在較低平面，因此認為60 m高度足以分析不同燃燒等級下的最大影響直徑.

圖5 不同燃燒等級下900 s時，流場中心處的流動截面處CO質量分數

2.3 不同燃燒等級對CO2流動的影響

過量的CO2對人體同樣也是有危害的.當CO2質量分數達到0.000 6時，可使人達到半致死的狀態[14].因此將0.000 6作為CO2質量分數的參考指標.圖6給出900 s時，不同燃燒等級下，流場中心處的流動截面處的CO2質量分數分布.可見，中等燃燒等級下的最大影響直徑為16 0m，極快燃燒等級下的最大影響直徑為200 m，快速燃燒等級下的最大影響直徑為240 m.隨著火災等級的提升，CO2影響距離顯著增加.

圖6 不同燃燒等級下900 s時，流場中心處的流動截面處CO2質量分數場

3 室外風速對火災的影響

3.1 室外風速對溫度的影響

圖7為同一時刻不同室外風速下的Z=1 m處的溫度場.風速對于火災溫度的影響比較明顯，風速越大影響的范圍越大.當風速為1 m/s時，最大影響直徑為70 m；當風速為2 m/s時，最大影響直徑為85 m；當風速為3 m/s時，最大影響直徑為105 m.此外，三種不同燃燒等級下，影響直徑分布均為橢圓形.

圖7 不同風速下900 s時Z=1 m平面處的溫度場

圖8給出了室外風速1 m/s、2 m/s和3 m/s下，300 s、600 s與900 s時火災的影響范圍.可知，在900 s時，風速1 m/s時的影響面積為28 424 m2，風速2 m/s時的影響面積為29 454 m2，風速3 m/s時的影響面積為30 125 m2.

圖8 不同室外風速下，火災的影響范圍隨時間的變化

3.2 室外風速對CO流動的影響

相比燃燒等級，風速對于CO的影響是十分顯著的，如圖9所示.風速較小時，CO隨著周圍溫度的升高而向上流動，隨著風速的增加，CO的流動與風速密切相關，在向上流動的同時還伴隨著沿風流向的運動.風速3 m/s對CO質量分數在水平方向分布的影響十分明顯，最大影響直徑為280 m，風速2 m/s時的最大影響直徑為200 m，風速1 m/s時的最大影響直徑為140 m.

圖9 不同室外風速下900 s時，流場中心處的流動截面處CO質量分數

3.3 室外風速對CO2流動的影響

風速對于CO2的影響與CO相似，如圖10所示.當風速為1m/s時，最大影響直徑為120 m，受風速影響較小，大部分CO2向上流動，兩倉庫產生的CO2部分混合，小部分在風的影響下，向下游流動；當風速為2 m/s時，最大影響直徑為170 m，此時部分CO2跟隨主導風向開始流動，大部分CO2在風的影響下混合；當風速為3 m/s時，最大影響直徑為240 m，CO2的流動范圍較大，兩倉庫發生火災時所釋放出的CO2在室外風的影響下共同流動.

圖10 不同室外風速下900 s時，流場中心處的流動截面處CO2質量分數

4 結 論

基于Fluent軟件數值模擬不同燃燒等級和風速下倉庫火災特性，分析了不同時刻下溫度、CO質量分數和CO2質量分數分布特性，獲得了以下重要結論：

(1)相同室外風速條件下，隨著燃燒等級的提升，影響范圍顯著增大；

(2)相同工況下，室外風速增加將增大火災的影響范圍，但溫度影響面積的增加較為緩慢，煙氣影響面積的增加則較快；

(3)溫度在風速的影響下仍呈現出往四周擴散的趨勢，而煙氣將沿著風向下游流動；

(4)相同工況下，溫度的影響范圍均小于煙氣的影響范圍，應根據煙氣的影響范圍來確定消防疏散區域；

(5)綜合考慮溫度、CO和CO2三種因素，結合秦皇島地區的室外氣象參數，當風速為3 m/s時，該倉庫在極快燃燒等級下的最大影響直徑可達280 m.