应用FDS进行单室火灾场模拟分析

徐莹

哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院

应用FDS进行单室火灾场模拟分析

徐莹

哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院

本文基于成熟的火灾模拟方法，和建筑烟气扩散领域的理论及实验成果基础上，应用美国标准技术研究局开发的场模型工具FDS，对单室火灾进行了场模拟分析。结果显示：火源的释热率值、房屋的单室门窗状况等对着火房间内热值、烟气浓度以及温度场的分布特性的均有主要影响，随着火源释热率的增大，室内热烟气的温度迅速升高，而且房屋的通风面积越大，火灾发展越剧烈，上层热烟气温度越高，室内整体温度也越高。本文的研究结果对于房间内火灾控制具有一定的参考价值。

单室火灾场模型大涡模拟烟气扩散

0 引言

火灾是当代的社会文明中最具有杀伤力和破坏性的灾难之一，它包含很多种类，其中在建筑住宅区内发生的火灾对人类的伤害最大，主要原因是[1，2]：①在建造住宅工程时，建筑使用的装修材料和建造材料都可能使得火灾迅速蔓延，所以会在很短的时间内发生重大灾难，对于人员的疏散和火灾的扑灭都具有重大的阻碍[3]；②在这些可燃物的燃烧过程中，会产生很多对人体致伤致死的有害物质，这也是为什么火灾发生中多数人员致死的原因是呼吸道致死[4]；③在火灾发生的过程中，建筑物会在高温的环境下产生多处变形，这对于营救行动极其不利[5，6]。

所以，通过模拟实验的手段来分析房间中温度场分布，烟气的浓度，以及热曲线的规律，对火灾防护和及时营救有重要的意义和参考价值。

1 单室的火灾特点

大型火灾往往都是由于发现不及时，由一两个小房间逐步恶化所引起的连带性事件，本文重点针对单室火灾进行场模拟分析，单室火灾的特点是室内空间小，可燃物多，火灾危险性大。按时间顺序可以定性地分析了单室火灾的发展过程，根据室内烟气的平均温度随时间的变化曲线，可以将室内火灾大体分四个主要阶段[7，8]，如图1所示。

1）初期增长阶段。在某一建筑空间内，可燃物在刚刚着火，火源范围很小时，火区的大小与受限空间的大小相比很小，又由于建筑一般都比较大，空气的供应比较充足，所以燃烧状况与开敞空间的基本相同。其燃烧状况主要由可燃物的性质决定，称为燃料控制阶段。当室内烟气的温度、烟气流动达到一定的程度，室内墙壁、屋顶开始影响燃烧的继续发展时，火灾就进入受限空间的燃烧过程，此时就完成了第一个发展阶段，即火灾初期。

2）轰然阶段。轰燃的出现是燃烧释放的热量大量积累的结果，标志着室内火灾由初期增长阶段转到充分发展阶段。由图1可知，轰然相应于温度曲线陡升的一小段。与火灾的其它主要阶段相比，轰然所占时间是比较短暂的。

3）充分发展阶段。轰燃后，空气从破损的门窗涌入起火灾区，使室内产生的可燃气体与未完全燃烧的可燃气体一起燃烧。此后，火灾温度随时间的延长而持续而上升，在可燃物即将燃烬时达到最高。这个阶段的火灾一方面会严重损坏室内设施及建筑物本身的结构，甚至造成建筑的部分毁坏或全部倒塌。研究表明[9]：任何人如果在轰燃前还没有从室内逃脱，就不可能幸存。因此，对火灾轰燃前阶段的了解直接关系到建筑物内人员的生命安全。

4）火灾减弱阶段。经过火灾旺盛期之后，火灾分区内的可燃物大都被烧尽，火灾温度逐渐降低，直至熄灭，这是火区逐渐冷却的阶段。一般把火灾温度降低其峰值的80%作为旺盛期与衰减期的分界。这是室内可燃物的大量消耗致使燃烧速率减小的结果，最终导致明火燃烧无法维持，火焰熄灭，可燃固体变为炽热的焦炭。在这一阶段虽然火焰燃烧停止，但是由于燃烧释放出的热量不会很快消失，火场的余热还能维持一段时间，室内平均温度仍然较高，并且在焦炭附近还会存在相当高的局部温度，衰减期温度下降是比较慢的。

2 FDS的理论及模拟分析

FDS（Fire DynamicsSimulator）是由美国国家技术标准局（NIST，National Institute of Standards and Technology）建筑火灾实验室（Building and Fire Research Laboratory）开发的基于场模拟的火灾模拟软件，是一种以火灾中流体运动为主要模型对象的计算流体动力学模型[10]。一般情况下，在利用FDS进行火灾模拟时均选用大涡模拟。

FDS在进行基于流体力学的火灾模拟时需要将模拟区域沿坐标轴方向划分成均匀的网格，以网格点为基础计算流体参数。本文中采用的物理模型如图2所示，基本参数如下：房间尺寸为7.2m×3.3m×3.6m，网格大小0.1m×0.1m×0.1m，网格数量85536，单位面积释热率为6000kW/m2，燃烧物表面积0.06m2，进而求出初始燃烧率为360kW。

2.1 模拟工况一

模拟工况一的条件是：房间全封闭，即房间的门窗均关闭，模拟着火时间为1800s。模拟的结果如图3所示。

由结果可以看出，当为封闭工况时，火势较为平稳，并且燃烧集中在前500s时间段内，此后火焰逐渐熄灭，接下来从微观角度分析火灾时的释热率变化情况，进而更准确地了解火灾的发展过程，图4为着火房间释热率、边界热损失以及辐射热损失曲线图。

图4的结果清晰地表明了整个火灾的发生、发展以及熄灭的全过程，在0～500s时间段内边界热损失和辐射热损失分别经历了由升到降的过程，在200s时达到峰值，之后逐渐降低。这是由于火灾初始阶段呈增大趋势，热损失均随之增大，进入火灾的衰减阶段后，热损失又逐步降低，直至消失。而释热率在起火的瞬间即达到最大的360kW，随着燃烧物质的消耗逐渐降低，直至可燃物耗尽，释热率也变为零。整个着火过程历时大约600s，这是因为房间封闭，室内维持燃烧所必须的氧气消耗殆尽，缺少了维持燃烧的必要条件，导致火灾渐趋衰减，直到消失，与图3所示情况完全吻合。图3和图4的结果从宏观和微观角度共同分析了封闭工况下整个火灾的发生、发展直至熄灭的过程。

图5 为整个火灾过程中室内烟气的发生量图，由于整个着火过程房间是封闭的，生成的烟气无处排放，所以一直呈上升趋势，直至最后火灾熄灭，烟气浓度达到稳定值，也是最大值。

2.2 模拟工况二

模拟工况二的条件：增大单位面积释热率为8000kW/m2，并且在200s时，房间门开启，同时窗户处引入了渗透风量为5m/s，其余工况保持不变。宏观模拟结果如图6所示：

图6 需要说明的是在t=199s时刻，此时房间门尚未开启，火焰已经有熄灭的迹象，这是由于此段时间内，房间封闭，燃烧消耗了室内大部分氧气，缺少了燃烧所必须的物质，导致火焰开始熄灭，在200s时刻，房间门开启，火焰又开始增大，由于火源的消耗，后面的燃烧已经没有开始阶段那样激烈，此时房间内的热工况如图7所示。

由图7可知，在200s房门开启后，整个燃烧发生了巨大的转变，200s以前，由于引入了渗透风量，受外界的风速影响，释热率、辐射热损失以及边界热损失都有不同程度的波动；在约150s时，发生陡降，这是由于渗透风量的影响，使得燃烧加剧，耗氧量增大；150s后，氧气迅速耗尽，燃烧呈衰减趋势；200s时，房间门开启，释热率以及热损失又有进一步的增多，但是由于前面的燃烧，可燃物已经消耗大半，所以增幅不大，并趋于稳定。

图8所示结果是变工况后烟气发生曲线情况。

由图8可见，在200s时也就是门开启之前，烟气在着火房间内呈直线上升趋势，门开启后，由于室内压力高于外界，烟气外泄，且瞬时的外泄量大于此时的烟气生成量，所以浓度也发生了陡降，经历小的时间段后，重新达到平衡状态，烟气的浓度趋于平稳，稳定后的质量浓度小于房间紧闭时的烟气浓度。

3 结论

1）模拟过程中引入了燃烧及辐射模型，得到了较为合理的结果，对火灾现象中辐射传热及燃烧过程的模拟是火灾模化工作的重点与难点；

2）释热率是影响火灾发展的最主要因素，其大小直接决定了火灾烟气的浓度，对制定人员疏散策略起到至关重要的作用；

3）混合分数燃烧模型作为一种简单实用的燃烧模型，对房屋的火灾情况进行初步模拟简单可行，结果直观可靠，为进一步研究火灾控制方法提供了基础。

[1]姚建达,范维澄.建筑火灾中场区网数值模型的应用[J].中国科学技术大学学报,1997,27(3):304-308

[2]霍然,胡源,李元洲.建筑火灾安全工程导论[M].北京:中国科学技术出版社,1999

[3]Wei Cheng,Zhong Maohua.Review onmodeling of fire physics and risk assessment[A].In:Proceedingsof the Fourth Asia-Ocean -ia Symposium on fire Scienceand Technology[C].Tokyo,2000

[4]M ingchun Luo,Yaping He,Vaugham Beck.Application of field model and two-zonemodel to flashover fires in a full-scalemultiroom single level building[J].Fire Safety Journal,1997,29(1): 1-25

[5]RD Peacock,PA Reneke,RW Bukowski,etal.Defining flashover for fire hazard calculations[J].Fire Safety Journal,1999,32: 331-345

[6]丛北华,廖光煊,韦亚星.计算机模拟在火灾科学与工程研究的应用[J].防灾减灾工程学报,2003,(2):63-69

[7]陈维,刘明臣.高层建筑火灾和防火安全[M].北京:群众出版社, 1986

[8]霍然,金旭辉,梁文.大型建筑火灾中人员安全疏散计算分析[J].火灾科学,1994,8(2):8-13

[9]D Rasbash,GRamachandran.Evaluation of Fire Safety[M].New York:JohnW iley&Sons,Inc.,2004

[10]Kevin M cGrattan.Fire Dynam ics Simulator(Version 4)TechnicalReferenceGuide[Z].NIST,2004

Ap p ly FDS to the Fire s o f a Sing le Cham be r to Con du c t Fie ld Sim u la tion and Ana lys is

XU Ying
Schoolof Energy and CivilEngineering,Harbin University ofCommerce

Theoretical and experimental resultsof simulation-basedmethod in this article is based on proven fire,and smoke-proliferation architecture,the application of the U.S.Bureau of Standards and Technology research tools developed fieldmodel FDS,carried out fora single room fire field simulation analysis.The resultsshowed that:the heat release rate of the fire source value,the value of the fire room heat,have major impact on the distribution of gas concentration and temperature field house featuresa single room doors status,alongw ith the source of fire heat release rate increases,indoor hot flue gas temperature rises rapidly,and the bigger house ventilation area,themore intense the fire development,thehigher theupperhotgas temperature,thehigher theoverall temperatureof the room.Resultsof this study for the fire control room have a certain reference value.

single room fire,field simulation,largeeddy simulation,haze proliferation

1003-0344（2014）03-059-4

2013-04-12

徐莹（1981～），女，博士，讲师；黑龙江哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院（150028）；E-mail:joexying@126.com基金项目：黑龙江省青年科学基金（QC2012C056）