外界温度对民宅室内火灾影响的数值仿真

郜 冶，霍 岩，武红梅

外界温度对民宅室内火灾影响的数值仿真

郜 冶，霍 岩，武红梅

(哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，哈尔滨 150001)

为了研究不同的外界温度情况对民宅室内火灾的影响，应用湍流大涡模拟(LES)对哈尔滨市某小区内的一小户型民宅室内火灾进行了数值模拟．模拟结果表明，进入室内的外界不同温度的处界气体对火势发展初期影响不大，但会影响房间内的热积累，随着火势的发展，对热烟气流动的影响也逐渐明显．进入室内的不同温度的外界气体对火灾烟气在水平方向上扩散影响较小；烟气层沉降速度会随着进入室内的外界气体温度降低而加快；外界温度越低，越有利于抑制火势的扩大，但同时越不利于火灾产生的烟气等有毒物质的排出．

火灾；外界温度；场模拟

与同类火灾(房屋建筑物火灾)相比，居民住宅是发生火灾频率最高的场所，严重威胁着家庭成员的生命和财产安全，同时也给社会稳定及经济发展带来巨大影响．居民住宅火灾形势的严峻性，要求我们认真研究分析其火灾原因、特点，制定相应的防范对策，这是当前乃至今后消防监督工作中的主要任务之一．

我国现代居民住宅通常都是单元式的，其火灾特点为：火场温度高，空气压力大；由于可燃物较多，因此局部空间内火势猛烈，且蔓延速度快；易造成巨大人员伤亡．在我国北方冬季气温较低，外界气温可达到-30,℃左右，夏季的平均温度高于30,℃，而居民住宅室内的温度在空调或暖气的作用下全年可维持在24,℃，因此一旦发生火灾，不同的季节会有不同外界温度的空气由门、窗等开口进入室内，这种进入室内的不同温度的外界气体究竟会对室内的热烟气运动和火势的蔓延发展存在什么样的影响是笔者所要研究的主要问题．

研究火灾最直接并且最可靠的方法是全尺寸实验法，但火灾试验是一种损毁性实验，全尺寸火灾实验的费用十分昂贵，并且能产生不同外界气体温度条件的全尺寸实验装置也比较复杂．近年来，随着计算机的发展，火灾流场的数值模拟技术迅速发展，弥补了实验的不足，该技术是将火灾过程中的确定性规律抽象成数学表达式(微分方程或代数方程)，通过对控制方程的求解来模拟再现这种规律．目前，火灾的计算机模拟技术已经成为火灾科学研究的重要方法之一[1-2]．

1 模型场景及计算设置

模拟场景选择为哈尔滨市某小区内一小户型住房，三维模型结构及尺寸如图1所示．住宅共分为A、B、C、D 4个房间，各房间通过1.0,m×1.9,m(宽×高)的门相通；A、C房间在距地面1.0,m高的位置各有一个1.1,m×1.2,m(宽×高)的窗口与外界大气相通，B房间也有一个门与外界大气相通(图1(b))．室内的初始温度设定为24,℃，分别考虑室外的外界温度为-25,℃、-10,℃、0、10,℃、20,℃和35,℃ 6种情况对室内火灾流场的影响．为对火灾流场进行准确的模拟，选择美国国家标准与技术研究院(NIST)开发的数值软件FDS4.07(Fire Dynamic Simulator 4.07)[3-4]为模拟平台．目前，FDS软件计算结果的准确性已得到了大量的实验验证[5-6]，并且已被认为是火灾研究的重要工具之一[7]．其主要求解适用于低马赫数的浮力驱动流方程[8]，主要方程为

图1 民宅结构示意Fig.1 Schematic layout of habitation

式中：ρ为气体的密度；v为气流速度矢量；g为重力加速度矢量；pc为定压比热；θ 为气流温度；Ω为旋度张量；k为热传导率；q˙为体积热释放率；σ为应力张量；R为气体常数．

湍流场采用Smagorinsky形式的大涡模拟(LES)计算方法；辐射热传递采用有限体积法(FVM)来求解；计算中燃烧模型采用混合分数模型[3-4,9]．所有的空间量采用二阶有限差分法离散，时间的微分项则以显性二阶Runge-Kutta法离散化．墙体边界条件设定为0.15,m厚的水泥混凝土，其密度、热导率和比热容分别设置为2,100,kg/m3、1.0,W/(m·K)和0.88,kJ/ (kg·K)．设定初始火源为位于房间A角落处的可被燃尽的沙发，引燃沙发的火源面积为0.2,m×0.3,m，热释放率的值为60,kW，位置为沙发坐垫处，模拟掉在沙发上的烟头等所引发的火灾，沙发对面放置一个云杉木材料的电视柜，其是否能被引燃也作为判断火势的依据之一，沙发和电视柜引燃温度分别为280,℃和360,℃，一旦被引燃后，沙发材料的蒸发热值和燃烧热值分别为1.5×103kJ/kg和3.0×104,kJ/kg，电视柜为可碳化固体燃料[3,10]．在平衡模型精度[11]和计算机性能基础上，设定网格划分密度为Nx×Ny×Nz＝76×74×28．

2 模拟结果及分析

不同进入气体温度条件下的火灾热释放率曲线如图2所示，由图2中可以看出，热释放率的值均在100,s内迅速升到1.2,MW附近后开始波动，这是由于沙发上的火源面积迅速扩大，此时，外界进入室内的不同温度的气体对火势影响并不明显．随着燃烧的进行，室内热量不断积累，在220,s左右火势蔓延至整个沙发表面，外界气体为-25,℃情况下的火灾热释放率在短暂的升高以后迅速降低，最终降低至0附近，这是由于随着燃烧的进行，耗氧量逐渐增大，加上在可燃物逐渐减少的同时，室内外的大密度差使外界的低温气体快速地进入室内，降低了室内和剩余可燃物附近的温度，由于在温度较低时，维持燃烧需要更高的氧气浓度[12-13]，因此，在剩余的可燃物附近的温度和氧气浓度不能维持剩余的可燃物继续剧烈地燃烧，燃烧方式转以部分阴燃为主；外界环境温度高于-10,℃时，热释放率值均有不同程度升高，并且在外界环境温度为10,℃、20,℃和35,℃ 3种情况下，热释放率均在不同的时刻有一个值的跳跃，这是由于随着热量的积累，沙发前面的电视桌被引燃所致．

图2 不同外界温度情况下的火灾热释放率Fig.2 Heat release rates at different ambient temperatures

图3 在600 s时刻的火势Fig.3 Fire development in habitation at 600 s

图3 是600,s时刻火灾蔓延模拟结果，由图中也可以看出，在外界气体为-25,℃情况下的火焰基本消失，沙发前面的电视桌在外界气体温度为10,℃、20,℃和35,℃ 3种情况下被引燃．

在火灾发生初期，房间A与房间B相通的门口处烟气层高度随时间变化如图4所示，由图中可以看出，外界温度越低，烟气层高度下降的速度越快，而且烟气层高度也越低，这说明进入室内的外界低温气体会加速烟气的垂直沉降速度，外界温度越低，这种加速现象越明显．

图4 房间A门口烟气层高度随时间变化曲线Fig.4 Variation of smoke interface height at door of room A with time

房间A、B、C在50,s、200,s、400,s和600,s时刻的温度结果曲线分别如图5～图8所示．由图中可以看出50,s时候烟气还没有扩散到C房间，但外界的气体已经进入房间内，造成房间下部分的温度值降低，随着热烟气的不断扩散进入房间，房间内上部分的温度逐渐升高，随着烟气的不断积累与烟气层高度的降低，加上热烟气的辐射作用下使房间下部分的温度也有所提高．但当外界进入房间的气体温度较低时，在自然对流的作用下，整个房间内的温度均被降低，使房间内的热量累积速度变缓．在房间A内，整个着火房间内由于受火源高温的影响温度较高，但房间下部分的温度受外界进入气体温度的不同影响也比较明显．在400,s(图7)和600,s(图8)时刻，外界环境温度为-25,℃时的各房间温度低于其他情况时的温度，这是由于此时火源热释放率降低，致使房间内的温度在外界低温气体的作用下迅速降低．

图5 在50 s时刻各房间的温度曲线Fig.5 Temperature with height in different rooms at 50 s

图6 在200 s时刻各房间的温度曲线Fig.6 Temperature with height in different rooms at 200 s

房间D中心位置在顶棚下0.1,m高度处的温度随时间变化曲线如图9所示，由此处的温度变化可以预测出热烟气扩散到房间D的时间，假设温度达到50,℃的时刻为烟气已充分扩散到此处，从图中可以看出，在不同的外界温度条件下，到达50,℃的时间均为100,s左右，这说明不同的外界温度条件对热烟气在水平方向上蔓延速度影响不大．

图7 在400 s时刻各房间的温度曲线Fig.7 Temperature with height in different rooms at 400 s

外界温度为-25,℃和35,℃在200,s时，房间C的窗口中心位置处沿y轴的切面的速度矢量图如图10所示．由图10中可以看出，当外界温度较低时，在右侧的窗口处速度方向大部分是向下的，这是由于房间内的热空气迅速被外界的冷空气冷却，使之下沉，随着外界温度的升高，这种现象逐渐消失．这种在窗口处由于温度差的作用形成的流场对于排烟有一定影响，向下的速度较大时，烟气在窗口迅速下沉，同时，大部分烟气会随着外界进入室内的气体一同卷回室内，不利于烟气的排出，这也是造成在外界环境温度为-25 ℃时室内氧气浓度降低从而不能使残留的可燃物继续剧烈燃烧的原因之一．

图8 在600 s时刻各房间的温度曲线Fig.8 Temperature with height in different rooms at 600 s

图9 房间D靠近顶棚位置温度随时间变化曲线Fig.9 Variations of temperature near ceiling in room D Fig.8 with time

图10 200 s时刻房间C窗口中心位置沿y轴切面的速度矢量图Fig.10 Flow velocity vectors along y-axis at center of window in room C at 200 s

3 结 论

(1)在火灾发展初期，进入不同温度的外界气体对火势的发展影响不大．

(2)随着火灾的发展，进入室内的不同温度的外界气体会影响房间内的热量的累积，同时，当外界进入房间内的气体温度较低时，更有利于抑制火势的扩大．

(3)进入室内的外界低温气体对热烟气的横向蔓延速度影响不大，但会加速烟气层的纵向沉降速度，进入室内的外界温度越低，这种加速效果越明显．

(4)外界与室内的温度差会改变烟气在窗口处的运动规律，外界温度越低，越不利于火灾产生的烟气等有毒物质从窗口的排出．

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Numerical Simulation of Effect of Ambient Temperature on Fire in Habitation

GAO Ye，HUO Yan，WU Hong-mei
(College of Aerospace and Civil Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)

In order to assess the effect of ambient temperature on fires in habitation，numerical simulations of fires in a small apartment in Harbin were conducted using large-eddy simulation(LES). Simulation results show that different ambient temperatures did not have much effect on fire development in the early stage but had influence on heat builtup of the apartment. The effect of smoke became more significant with the development of the fire. The sedimentation rate of smoke layer increased with the decrease of the ambient temperature，however，the horizontal motion rateof smoke was not affected by the ambient temperatures significantly. In addition，fire spreading could be suppressed due to lower ambient temperature yet toxic productions of the fire found it more difficult to be exhausted from the window at low ambient temperature.

fire；ambient temperature；field simulation

TU998.12；X932

A

0493-2137(2010)09-0777-06

2009-04-10；

2010-02-26.

郜 冶（1953— ），男，教授.

郜 冶，gaoye66@126.com.