柴油发电机房火灾危险性数值模拟研究

●陈同刚,朱德明

(天津市消防总队,天津 300090)

1 研究方法简介

本文的场模拟采用美国国家标准与技术局(NIST,National Institute of Standardsand Technology)发展的火灾动力学模拟软件 FDS5.2,该软件是目前火灾危险性分析评估领域应用广泛的场模拟软件。它通过数值方法求解 Navier-Stokes方程以分析燃烧过程中烟气流动和传热的过程。

2 火灾场景设置

根据某典型柴油发电机房的建筑设计特点,设置火灾场景如图 1所示。场景长宽高三个方向尺寸分别为 12m、7m和 4m,划分为 60×40×40共 96 000个网格,网格密度及大小适应 FDS的计算要求。假设柴油发电机房某供油系统发生泄漏,柴油流淌到地面上形成 0.8m×0.8m×0.01m大小的油池火,火源功率大小则参考易亮等实验测量值选取0.476 MW,设定为 t2超快型增长火。

在火灾模拟中,设定如下监测位置或监测点：(1)通过火源取一截面(x=10m),观察该截面上温度分布情况。(2)在火源附近设置一温度监测纵轴线 ,对该纵轴线上 0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、3.5m几个高度的烟气温度值进行监测。(3)按照人体高度考虑,在 1.8m高度处设立一监测面,观察该面能见度的变化情况。(4)为了分析发电机房中的能见度变化情况,在发电机房墙角(x=10m,y=1m)及火源附近(x=10,y=6)设置两个能见度监测纵轴,监测该纵轴上 0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、3.5m几个高度的能见度变化情况。

图1 柴油发电机房火灾环境模拟示意图

3 柴油发电机房火灾模拟结果与分析

针对上述设定的火灾场景,模拟计算出火灾热释放速率、温度分布、烟气运动、能见度分布等结果。

3.1 火灾热释放速率模拟结果与分析

图2给出了发电机房柴油油池火的火灾热释放速率结果。由图中可以看出,火灾经过约 50s的快速增长后,达到稳定燃烧阶段。稳定燃烧阶段具有最大热释放速率,其值为 480kW左右,符合典型的油池火特性。

3.2 温度值模拟结果与分析

柴油发电机房火灾温度场的分布对于柴油机组、发电机组等设备以及建筑结构等有重要影响。此外,在影响人员安全逃生的因素中,温度是一个非常重要的影响因素。因此,模拟分析火灾温度场对于火灾扑救具有十分重要的意义。根据经验,如果温度升高到 60℃以上,将会对人员逃生造成不利影响。因此,需要分析研究该建筑在火灾情况下温度发展规律。

图2 火灾热释放速率曲线图

3.2.1 整体温度分布图

如前所述,通过火源设置一截面(x=10)以观察该截面的温度分布情况。图 3给出了 6个时间点的温度分布结果。50s时,火灾已经达到稳定燃烧阶段,热释放速率达到最大值,这时发电机房的环境温度最高近 300℃,而周围温度则相对较低。此后,到80s时,温度进一步升高,最高温度达到 550℃,整个发电机房的环境温度也达到 100℃以上。其后,至200s时,火焰一直处于稳定燃烧阶段,发电机房环境温度进一步升高。由图 3可以看出,由于发电机组的阻隔作用,发电机组背离火源的一面温度较低,而发电机房顶棚温度一直维持在很高的温度。此时,内部温度超过人体所能承受的极限温度,这时人员逃生的难度很大,加上屋内烟雾弥漫,氧浓度下降快,更增加了人员窒息的危险。所以人员的逃生几率很小。

图3 发电机房火灾温度分布图

3.2.2 监测点温度值

如前所述,在火源附近设置一温度监测纵轴线,对该纵轴线上 0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、3.5m几个高度的烟气温度值进行监测。由图 4监测结果可知,随着火灾的发生,时间越长,温度越高,直至后面达到较稳定阶段;而且高度越高,烟气温度也越高。结果同时表明,由于靠近火源,烟气运行激烈,因而温度监测值扰动较大。

图4 不同监测点上的温度值

3.3 烟气运动模拟结果与分析

大多数火灾都产生大量烟气。由于火灾烟气具有遮光性、毒性、高温等特性,因而对人员的生命威胁最大。统计结果表明,火灾中 85%以上的死亡者是死于烟气的影响。其中大部分是吸入了烟尘及有毒气体(主要是 CO)昏迷后致死的。图 5给出了 6个时间点的烟气运动情况。由图 5可知,随着时间的延续,发电机房上方的烟气浓度逐渐增大,随着热烟气的不断产生,热烟气将很快充满整个发电机房上层空间。同时受浓度差的影响,垂直方向上的烟气浓度差异慢慢减少,这也说明了随着时间的延续,烟气层厚度在逐渐加大。当时间为 50s时,烟气开始从发电机房的门中溢出;当时间为 60s时,火灾烟气已经充满房间的整个上半部分空间;而至 300s时,烟气已经充满整个发电机房,且有大量浓烟从机房大门冒出。因此,烟气运动的模拟结果,不仅可知道仅从经验层次上无法观察到的详细烟气运动情况,同时也可以根据其运动情况,分析其可能的火灾蔓延情况。

3.4 能见度分布模拟结果与分析

烟气能见度也是评价火灾烟气危险性的重要参数。烟气的能见度可能会影响到人员安全撤出建筑物的能力,而影响能见度的因素包括视线中微粒的量以及对眼睛的生理影响。一般来说,烟气浓度越高则能见度越低。能见度低时,人员逃生时花费在确定逃生途径和做出决定上的时间也都将延长,也增加了人员的恐慌心理。

图5 烟气运动模拟结果

3.4.1 1.8m高度能见度分布

图6 1.8m高度截面能见度分布

按照人体高度值及人员疏散的要求,选取 1.8m高度截面的能见度进行分析,图 6为能见度分布结果。由图 6可知,40s时,烟气层已经开始下降到1.8m截面处。此后,50s及 55s时,能见度迅速下降。至 75s时,1.8m高度截面处的能见度只有 3～6m。至100s后,则几乎降至 0m。由此可知,火灾发生后,烟气层迅速下降,导致能见度迅速下降。40s时,烟气层便降低到 1.8m高度,而后很快增加浓度,降低能见度,直至近乎为 0m。

3.4.2 监测点处能见度值

如上所述,为了分析发电机房中的能见度变化情况,在发电机房墙角(x=10,y=1)及火源附近(x=10,y=6)设置两个能见度监测纵轴,监测该纵轴上 0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、3.5m几个高度的能见度变化情况。图 7和图 8分别为两个监测纵轴处的能见度数值。由图可知,两个监测纵轴处,能见度的变化规律相同。初始能见度均为30m,火灾发生后,高度较高的点能见度迅速下降,依高度的下降而能见度依次开始下降,这是由于热烟气由房间顶部逐渐向下运动的结果。

图7 墙角处监测点能见度值

图8 火源附近处监测点能见度值