高层建筑外立面U型结构火蔓延特性数值模拟研究

李建涛，闫维纲，朱红亚，王青松，孙金华＊

（1 天津市消防总队重点保卫处，天津，300090；2 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥，230026）

0 引言

我国高层建筑始于上世纪初并在上世纪末得到了发展，随着城市化进程的加快，城市高层及超高层建筑日益涌现。据统计，目前我国大约有20多万栋高层建筑，3000多栋超高层建筑。但是高层及超高层建筑的兴起也伴随着严峻的火灾安全问题。近年来由于可燃和易燃外墙保温材料的大量使用，使得由建筑外立面火蔓延诱发的重特大火灾事故频繁发生，如2009年元宵节北京央视新楼配楼火灾、2010年上海“1115”静安区高层住宅大火、2011年春节沈阳第一高楼火灾等。高层建筑一旦发生火灾，不仅起火源多，而且火与烟气蔓延非常迅速，可通过外立面燃烧形成内－外交互蔓延的大规模立体火灾，扑救十分困难，易造成巨大的经济损失和人员伤亡，社会影响严重。

正是基于对城市高层建筑火灾安全的重大需求，我国今年立项启动了973计划“城市高层建筑重大火灾防控关键基础问题研究”，从降低火灾发生、控制火灾蔓延和减少灾害损失三个方面全面提升高层建筑自身火灾防御能力。

国内外学者对影响火蔓延特性的因素做过诸多研究，如材料组分、尺寸、初始温度、粗糙度、放置角度、外界压力、氧浓度、空气湿度、风速、火蔓延方向、外加条件等。然而对U型结构的外立面火蔓延的研究较少。因此本文针对现代高层建筑新颖独特的外观设计，多样化的外立面结构，就高层公寓大量采用的U型外立面结构对火蔓延特性的影响开展了数值模拟研究。模拟了小尺度下竖直方向顺流火蔓延的过程，给出了火蔓延速度、热释放速率、火蔓延温度特性等参数，并分析给出了高层建筑外立面U型结构火蔓延区别于普通平面结构火蔓延的特点。

1 模拟方法

1.1 材料

鉴于硬质聚氨酯泡沫（PU）［1－3］优异的各项性能及在工程实际中的广泛应用，本文采用它作为模拟高层建筑火灾的外保温材料。

PU是由多异氰酸酯和聚醚多元醇或聚酯多元醇或／及小分子多元醇、多元胺或水等扩链剂或交联剂等原料制成的聚合物泡沫塑料。表1给出了PU与传统保温材料的综合性能，通过比较可以发现它具有导热系数低，使用寿命长，温度适用范围广，防火阻燃性能优异，防水性能良好，尺寸稳定性高，自粘接性能、耐老化性能、环保性能优越等特点，因此PU得到大量使用。

表1 PU与传统保温材料的性能综合对比Table 1 The properties comparison of PU with other insulation materials

1.2 火蔓延模型

本文模拟了高层建筑竖直方向顺流火蔓延的特性。顺流火蔓延即为火焰传播方向与外界风方向一致或者火焰由浮力诱导火焰贴壁向上蔓延，在顺流火蔓延下，火焰、燃烧生成的混合气体、燃烧产物作用于未燃材料从而促进了火蔓延，通常为加速行为。火焰的热量传递在初期即气体运动状态为层流时主要为对流传热，随火焰的发展气体运动状态转为湍流，火焰传热也主要为热辐射传热。顺流火蔓延的物理模型［4－6］为图1所示。

顺流火蔓延速度方程：

其中，计算点火时间的表达式为：

假设火蔓延过程中火焰高度、热解长度近似不变，将式（2）代入（1），最后火蔓延速度的关系式可以表示为：

式中，xf为火焰高度，xp为热解长度，tig为点火时间，λ为材料的热导率，v为气流的速度，c为材料的比热，Tig与T∞分别为材料的点燃温度和环境温度，˙q″为火焰通过材料表面的热流量。

图1 顺流火蔓延的物理模型Fig.1 Upward flame spread model

1.3 模拟场景设置

FDS是美国NIST开发的一种模拟火灾中流体运动的计算流体动力学软件［7－8］，通过数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的N—S方程，同时用Smokeview软件动态显示FDS的模拟结果，其准确性得到了大量实验验证。正因FDS在火灾烟气运动方面存在显著优势，并且它的正确性和有效性也已得到了实验和实际应用的验证，本文采用FDS模拟计算高层建筑外立面U型结构对典型保温材料火蔓延行为的研究是可行的，可以得到真实合理的计算结果。

在本文的模拟中，将建筑的U型结构简化为如图2所示的模型，该模型在高度方向上有无限长度，背面宽度为A，侧面宽度为B，背面和侧面覆盖有热厚型保温材料。定义U型结构的结构因子α＝B／A，该结构因子反映了U型结构形成的凹槽的进深程度。模拟中结构参数α取值从0.4开始，间隔0.2，递增至 1.6。计算区域为 0.2m×0.3m×1.15m（X×Y×Z，下同），网格大小为0.005m×0.005m×0.005m，网格数量为552，000。在紧贴 U型材料底部处设置一个0.08m×0.03m×0.01m、温度为1500℃的高温物体，用于点燃保温材料。网格的顶部和底部设置自由开口，防止烟气积累影响燃烧时候的烟气流动。其物性参数以及反映参数均为FDS数据库中的参数。具体模型示例见图3。

图2 U型结构简化模型图Fig.2 Simplified U shaped model

图3 模型设置示意图Fig.3 The model setting sketch

2 结果与讨论

2.1 火蔓延速度

在不同结构因子的影响下，火焰前锋从底部0cm处蔓延至顶部100cm处所用的时间如图4所示。根据图可知，随着结构因子的增大，火焰从底端蔓延到顶端所用时间逐渐减小。这同样说明，结构因子越大，火蔓延的速度也越快。这同样是因为结构因子越大导致产生的烟囱效应越明显，进而对火蔓延的加速作用越大，导致火蔓延速度越大。同时也可以从图4中看出，火焰蔓延的加速随结构因子的增大存在一个减速的趋势，这与实验结果类似，是因为烟囱效应对火焰蔓延的加速作用存在一定的极限。

图4 各工况下火焰前锋蔓延至100cm处所用时间Fig.4 Time used when flame spreads to 100cm

图5 不同工况实验结果和模拟结果的对比Fig.5 Comparison between experimental and simulation results

同时，对实验结果和模拟结果进行了对比，如图5所示。从中可以发现，实验结果和模拟结果在趋势上非常吻合，均显示出火蔓延速度随结构因子增大而增大的特性，而且均能够反映出烟囱效应的加速作用存在一定的极限。但是从具体数值上看，模拟结果比实验结果整体偏大，用时大约长1s～2s，存在误差的原因主要有两方面，第一是由于计算资源不足导致计算区域不能足够大，这会使得卷吸受到细微的影响，最终导致结果出现偏差；第二是由于使用高温物体引燃可燃物，0s时刻并不能立即引燃材料，材料的引燃存在一个较小的延迟，而处理实验视频的时候则是直接从引燃可燃物的时刻开始，导致模拟结果比实验结果偏大。

2.2 热释放速率

不同工况下热释放速率随时间的变化曲线如图6所示。对于同一种工况，随着时间的增大，热释放速率成加速增加趋势，这是由于火蔓延速度在加速增大，导致热解区域不断加速增大，进而导致参与反应的热解气的析出量加速增大，最终导致热释放速率加速增大。对于不同的工况而言，随着结构因子的增大，热释放速率的加速度逐渐增大，这是由于结构因子增大有利于烟囱效应的增大，进而使热释放速率增大的加速度增大。同时，对于不同的工况，火焰蔓延到顶端时刻的热释放速率基本一致，这是因为燃烧到顶部时各个工况的总的热解区域面积基本一致，最终导致热释放速率基本相同。

图6 3种工况下热释放速率随时间变化曲线Fig.6 The heat release rate varying with time in 3cases

2.3 火蔓延温度特性

为了研究火蔓延温度特性，本文模拟了火焰区域切片的温度场分布，首先以结构因子为1.0的工况为例，不同典型时刻距离背板1.0cm处温度场分布情况如图7所示。从图中可以看出，随着火焰的逐渐蔓延，燃烧的状态经历了两个不同的阶段。

第一个阶段是燃烧刚刚发生的阶段，如图7（a）所示，在此阶段中燃烧刚刚进行不久，此时火焰形态成对称分布，在两侧侧壁与背板夹角位置温度较高，而靠近中心的位置则温度比较低。

第二个阶段是火焰逐渐加速的阶段，如图7（b）和（c）所示，在此阶段中燃烧经过一定时间的发展，烟囱效应的作用逐渐出现，导致火焰蔓延速度明显加快，在t＝5s时750℃以上高温区的位置大约在0.3m处，蔓延了约0.1m，而在t＝10s时，750℃以上高温区的位置大约在0.7m处，蔓延了约0.6m，这也与前边实验中得到的该工况下的火焰前锋随时间的变化的数据基本吻合。在此阶段中，靠近中部的温度场的对称性逐渐被破坏，这暗示着该阶段中开始出现一定强度的湍流并且湍流强度在逐渐增强。

这两个阶段的存在是有其内在的原因的，首先，在第一个阶段，火焰刚刚开始蔓延，此时，烟囱效应的作用还不太明显，火势还不太大，正如前边实验部分所述，这个阶段对应于刚刚点火的初始阶段，这个阶段中热烟气的速度比较小，其向上运动引起的烟囱效应比较小，致使这一阶段中火蔓延速率比较小；同时，这个阶段的的湍流强度比较小，火焰更加近似于层流火焰，因此这个阶段的火焰的温度场呈现对称性质。而且靠近中心的温度比较低并不能说明背板上没有着火，由于这个阶段的火焰更近似于层流火焰，形态比较稳定，再加上是贴壁燃烧，而此温度截面距离背板1cm，因此此温度截面上的靠近中心的温度是比较低的。

其次，对于第二个阶段而言，这个阶段对应于在烟囱效应作用下的竖直火蔓延。经过第一阶段的发展，火焰强度逐渐增大，烟囱效应强度逐渐增大，导致火蔓延速度逐渐加快，同时也导致U型结构中的气流速度逐渐增大，最终导致产生了较大的湍流，因此从温度场截面图上显示，火焰形态的对称性被破坏。同时，由于火焰功率不断增大以及湍流的混合作用，中心区域的温度开始明显增高。

对于不同工况下某一时刻距离背板1cm处温度场的分布情况图8所示，以t＝10s时为例。从图中可以看出，随着结构因子的增大，t＝10s时火焰蔓延到的高度在不断增大，但是差异不大。而且各个工况此时均处于第二阶段中，由于烟囱效应的影响，导致各工况温度场靠近中心部分都失去了对称性，这说明在各个工况中都存在较强的湍流。

图7 结构因子1.0的工况下不同典型时刻距离背板1cm处温度场分布Fig.7 The temperature distribution whenα＝1.0at the 1cm location

图8 不同工况下t＝10s时距离背板1cm处温度场分布Fig.8 The temperature distribution when t＝10sat the 1cm location

2.4 烟囱效应对U型结构竖直火蔓延行为的影响

根据模拟结果，发现烟囱效应在U型结构竖直火蔓延中有着重要的影响作用。如图9所示，火焰燃烧的时候会卷吸大量的新鲜空气，在平面结构中，由于火焰两侧不受限制，火焰可以很容易地从正面、两侧以及下方卷吸空气，从正面以及两侧卷吸的空气没有竖直方向的速度，对火蔓延的影响比较小。但是对于U型结构而言，由于火焰从两侧卷吸空气受到侧墙的限制，导致火焰只能从正面和下面卷吸空气，U型结构的结构因子越大，火焰从正面卷吸空气越困难。当火焰从下面卷吸空气的时候，卷吸进来的空气会带有一个竖直方向的速度，这会加速热烟气的上升以及加速空气与火焰的混合，与此同时，加速上升的热烟气会导致U型空间内的气体加速向上流出，这会反过来增强火焰的卷吸强度，增大从下方卷吸进来的空气的流速；而且由于U型结构内有较强的竖直方向的速度，导致加速上升的热烟气不容易与U型结构之外的空气混合，这些热烟气会沿着U型结构凹槽上升，导致热量更容易向未燃区域传导，使未燃区更快地达到热解温度，最终起到加速火蔓延的作用。

根据速度场可以佐证烟囱效应的存在，如图10所示的是结构因子为1.6时距离背板2cm处在15s时刻的速度场，从图中可以清楚地看出，由于烟囱效应的存在，火焰从下部卷吸上来的空气已经有了一定的初始速度。

图9 烟囱效应对U型结构火蔓延的影响示意图Fig.9 The chimney effect on fire spread in U shaped structure

图10 结构因子1.6工况下距离背板2cm处速度场在t＝15s时刻矢量图Fig.10 The spread rate vector when t＝15s underα＝1.6at 2cm location

3 结论

本文针对高层建筑中常见的U型外立面结构，根据实际情况将建筑的U型结构简化为模型，以硬质聚氨酯泡沫（PU）为外保温材料，对U型结构竖直火蔓延行为进行了数值模拟研究，得到如下结论：

（1）U型结构竖直方向的火蔓延是一个非稳态加速蔓延的过程，火蔓延速度会随着时间的推进逐渐加速。

（2）U型结构在着火的时候会产生烟囱效应，烟囱效应对火蔓延有促进作用。热释放速率随着结构因子的增大而增大，同时，由于火焰蔓延至顶端时候的燃烧面积大小相似，导致其热释放速率基本相同。

（3）通过对模拟结果温度场的分析，发现燃烧可以分为两个阶段：其中第一个阶段中火蔓延速率比较小，温度场近似呈对称分布，这表明第一阶段中流场比较平缓，湍流很小；而第二阶段火蔓延速率明显加速，温度场不再称分布，说明这一阶段流场中出现较强的湍流，烟囱效应影响明显。

［1］赵治安，鲁广斌，鲁健.聚氨酯泡沫塑料火灾危险性分析及其防火措施［J］.合肥工业大学学报（社会科学版），2002，16：143－147.

［2］祁晓霞，王宁，李方敏.聚氨酯泡沫塑料的火灾危险特性及安全对策［J］.消防技术与产品信息，2000（10）：16－17.

［3］盛恩善，俞有湛.聚氨酯硬泡技术在建筑节能领域中的应用［J］.住宅科技，2008（1）：15－17.

［4］Dineno PJ.SFPE handbook of fire protection engineering［M］，National Fire Protection Association，2002.

［5］Bar－llan A，Putzeys OM，Rein G，Fernande－Pello AC，Urban DL.Transition from forward smoldering to flaming in small polyurethane foam samples［J］，Proceedings of the Combustion Institute，2005，30（2）：2295－2302.

［6］Bar－llan A，Rein G，Walther DC，Fernandez AC，Tovero JL，Urban DL.The effect of buoyancy on opposed smoldering［J］，Combustion Science and Technology，2004，176（12）：2027－2055.

［7］杨光.地下大空间建筑火灾烟气运移的计算机模拟［D］.沈阳航空工业学院，2006.

［8］连振兴.细水雾灭火数值模拟研究［D］.中北大学，2008.