室内火灾轰燃喷出火焰的数值模拟研究

●王婷婷，宋 飞

(上海市消防总队，上海 200051)

随着现在建筑结构特点的变化，保温性能好、安装简易的可燃性墙体得到广泛使用。而建筑室内发生火灾后，特别是轰燃发生后，火焰通常会通过外墙窗口向外喷出。有时，喷出火焰的规模之大，延伸距离之长，使其既能破坏外墙墙体，又能使火灾向上蔓延，甚至对周围建筑构成威胁。此类建筑的结构特点也更加突出了喷出火焰的危害性[1－2]。由于轰燃发生后测量表征喷出火焰的一些参数具有一定的难度，因此多年来人们往往疏于这方面的实验研究。此外，有些估计建筑火灾喷出火焰热辐射危害的方法已经用了多年，随着建筑行业的快速发展，建筑的功能和样式趋于多样化，由这些方法得到的结果与实际情况往往相差较大。近年来，随着计算机技术的不断进步，利用数值模拟研究轰燃后喷出火焰问题已成为一大趋势。

1 研究的条件与场景

1.1 数值模拟条件与场景

本文计算机模拟主要采用了FDS软件，在模拟喷出火焰的辐射热通量时还采用了MATLAB软件。其中，FDS采用数值方法求解一组描述热驱动的低速流动的Navier－Stokes方程，重点是计算火灾中的烟气流动和热传递过程。CFD模型需要把房间分成很多小的三维矩形控制体或计算单元，模型计算每个单元气体的密度、速度、温度、压力和组分浓度。基于质量平衡、动量平衡、组分平衡和能量平衡，模型可以追踪火灾气体的产生和移动[3]。FDS可以利用家具、墙壁、地板和顶棚的材料特性来计算火灾的增长和蔓延。表1列出了模拟中使用的12组火灾场景条件，这些场景均按照对应的实验条件进行设置。为使模拟结果代表性更广泛，这些场景中使用了不同的内衬材料、通风因子和燃料面积。其中，热释放速率是根据实验中测得的燃料质量损失速率的最大值，结合燃料的燃烧热得到的。考虑到FDS软件的计算原理以及使用的燃烧模型，对小规模条件下的火灾过程进行模拟，分别模拟得出箱内4个热电偶处(分别与小规模实验箱中位置相同)的温度、开口上沿(即喷出火焰根部)温度、箱外0.15或0.2cm处的辐射热通量的变化情况。

表1 模拟场景条件

1.2 实验条件与场景

小规模实验主要装置是SNHZ－01实验系统，该系统主要由火灾实验箱、火灾数据检测系统和上位机等部分组成。实验箱外部尺寸为0.68m长、0.42m宽、0.42m高。在面积较小的一侧面上设有一个开口，高为0.225m，宽度可以在0.285m范围内自由变化。火灾数据测量系统主要由热电偶、多路火灾信号检测仪、辐射热流计及电子天平等组成。由著名的MQH法[4]知，影响室内火灾的主要因素包括:燃料面积、通风因子、内衬材料热惯性以及室内空间尺寸[5]。实验中通过分别改变燃料面积、开口大小及内衬材料种类来设置不同的实验场景。在实验中采用了矿棉板、硅钙板等6种热惯性不同的材料作为内衬材料，其中既有一些传统的常用建筑内衬材料，也有一些被现代建筑中广泛使用的新型材料。选取有机玻璃和煤油两种代表性固体和液体物质作为燃料，它们的燃烧较为稳定，物理及热参数易于查找，是小规模室内火灾实验常用的材料。

2 模拟结果及应用初探

2.1 根部温度和平均温度

由模拟结果与实验观察可知，在无室外风条件下，得出的喷出火焰模拟结果与实验中观察到的真实喷出火焰基本相同，模拟效果符合实际情况。在有室外风条件下，喷出火焰将向风向的反方向倾斜，从而将增加其对风向反方向目标的威胁。表2列出了无风条件下喷出火焰根部温度和平均温度的实测结果与数值模拟结果。表2结果表明:喷出火焰根部温度和平均温度的模拟值与实测值比较一致，相对误差在绝大多数情况下没有超过10%，在工程计算许可的误差范围内。进一步的误差分析结果表明，根部温度的标准偏差和线性相关系数分别为91.7K和0.75，而平均温度的标准偏差和线性相关系数分别为45.8K和0.95，即后者模拟值与实测值的一致性比前者的要好。另外，从表2还可看出，无论是根部温度还是平均温度，模拟结果在多数情况下比实测结果要高一些，最大高出差值达到15%。原因可能是模拟场景终究为有限空间，只有箱内及喷出火焰所需的那部分箱外空间，而火灾实验中的外部空间则十分大，外部空气的流动性更好，内外更大的温差使得箱内热烟气与外界冷空气间的热对流、热传导更为容易，模拟中的边界条件导致的热损失速率与实际的失热过程有一定的偏差。

表2 温度实测值与数值模拟结果

2.2 辐射热通量

表3列出了轰燃后喷出火焰对外的辐射热通量的实测结果和模拟结果(带“*”的数据为距离实验箱开口0.2cm远，高出地板0.15cm处的值，其余为距离实验箱开口0.15cm，高出地板0.15cm处的值)。图1描述了在某种条件下，喷出火焰辐射热通量的实测结果和模拟结果对比的情况。表3所列和图1所示的结果都表明:轰燃后喷出火焰对外辐射热通量的模拟结果与实测结果比较一致。与温度对比的结论相似，辐射热通量的模拟值在多数情况下比实测值要高一些，原因类似。

表3 辐射热通量峰值的实验结果与模拟结果

2.2 应用初探

图1 喷出火焰辐射热通量模拟结果与实验结果的对比

现以某一会议室为对象，对其中发生轰燃后喷出火焰的辐射热通量进行模拟计算。假设该会议室的空间参数如表4所列。室内轰燃后，室内火灾存在于整个室内，随着燃烧速率的增加，室内将可能出现高达1 100℃的高温，而且有火焰喷出现象。利用FDS软件，结合MATLAB软件，得到不同情况下喷出火焰的辐射热通量数值模拟结果，如表5所列(表中d为室外某点(P)距通风口水平距离;h为该点高出室内地板面高度)。由表5可知，随着点P距通风口水平距离的增大，高出室内地板面高度的增大，受到的热辐射通量逐渐减少，模拟计算的结果是合理的，也是符合实际的。

表4 某会议室空间参数

表5 不同情况下的辐射热通量值

3 结论

对于小规模轰燃后室内火灾而言，喷出火焰根部温度、平均温度和对外辐射热通量的数值模拟结果与实验测得结果比较一致，误差在工程误差允许范围之内。利用FDS等对轰燃后喷出火焰较为准确的模拟结果，可用来解决大规模实际轰燃后室内火灾喷出火焰的有关问题，某会议室发生轰燃后喷出火焰辐射热通量的模拟结果说明了这一点。

[1]公安部消防局.中国火灾统计年鉴[M].北京:中国人民公安大学出版社，2001.

[2]CHOW W K.Preliminary studies of a large in Hong Kong[J].Journal of Applied Fire Science，1997，6(3):243 －268.

[3]范维澄，等.火灾学简明教程[M].合肥:中国科学技术大学出版社，1995:387 －389.

[4]BUDNICK E K，KLEIN D P.Mobile home fire studies:summary and recommendations[R].Natl Bur Stand(U.S.)，NBSIR 79 －1720，1979.

[5]McCaffrey B J，QUINTIERE J G，HARKLEROAD M F.Estimating room fire temperature and the likelihood of flashover using fire test data correlation[J].Fire Technology，1981，17(2):98－119.