基于FDS模拟的屋顶停车场汽车火灾火场特性研究

孙承华，付　强

(武汉市消防支队防火处，湖北 武汉 430023)



基于FDS模拟的屋顶停车场汽车火灾火场特性研究

孙承华，付强

(武汉市消防支队防火处，湖北 武汉 430023)

通过FDS数值模拟研究了屋顶停车场客车火灾在不同火灾场景下的蔓延规律，结果表明：① 客车发生火灾时，前窗会释放大量热量；② 一辆客车起火，保证相邻客车不被引燃的停车位间距为1.7 m；③ 无环境风及消防干预时，火场可见度高，2 m高度温度低于60℃，火灾救援条件良好；采用水喷淋系统时，高温烟气大范围沉降蔓延，造成可见度大幅降低；④ 停车单元方案可集约化利用停车场面积，相邻停车单元火灾安全间距为2.5 m。

屋顶停车场；客车火灾；FDS模拟；停车单元

我国城市长途客运站往往位于城市的交通枢纽位置，这些人流密集、商业发达的枢纽位置往往土地昂贵。面对如何集约化利用土地，提高交通能力，便于交通接驳与人流疏散等诸多问题，立体化改造与建设客运中心已经成为人们的共识。目前，我国已经建设了大量多层立体客运中心，但传统多层立体客运中心多设置较长的环形车道或引道，直接导致交通线路复杂，占地面积大，这种立体停车库获得的效果与取得的经济效益都不太理想。

为了解决上述问题，某大型客运站拟将多层客运站屋顶作为停车场，采用大型升降机的方法将客运车辆提升至屋顶楼层，大大减少建筑室内环形车道面积，有利于客流分层组织。笔者在没有可直接参考的消防设计规范的前提下，通过数值模拟的方法获得火灾时的温度分布和烟气流动规律，并以此为依据评价屋顶停车场的消防安全性，从而为消防保障方案设计和消防审批提供技术支撑。

1　火灾数值模拟

1.1屋顶停车场火灾模型构建

FDS是由美国火灾科研机构NIST开发的一种适用于求解火灾驱动流体流动问题的程序，其主要功能是利用场模拟求解火灾过程中各状态参数在空间上的分布及其随时间的变化[1-2]。FDS的理论依据主要有：质量守恒、动量守恒、能量守恒、组分守恒方程、状态方程以及相关化学反应的定律等。FDS模型可以预测烟雾、温度、一氧化碳及其他物质，模拟各种火灾形式，广泛应用于火灾科学研究等领域。

根据屋顶停车场的设计平面图，利用FDS建立屋顶停车场物理模型，如图1所示。屋顶停车场总建筑面积为1 581.99 m2，共设置客运车停车位148个。考虑到大型客车火灾危险性高于中型客车，本次模拟选用常见的大型长途客运车建立模型，模型示意图如图2所示。车身内部尺寸10.15 m×2.40 m×3.05 m，车内有效高度为2 m，载客数为47人。客车左侧7扇窗户，右侧6扇窗户，前后各一扇挡风玻璃窗。

图2　大型客运车模型

1.2计算网格划分

在应用 FDS 进行火灾数值模拟计算时，对计算区域的网格划分至关重要。一方面，为了保证计算结果的精度，使得到的结果更为可信，必须将网格划分的足够精细；另一方面，又必须兼顾计算机的计算时间成本不能过高。NIST通过试验验证了网格尺寸和火灾特征直径的关系，结果表明当火灾特征直径D与网格尺寸d的比值在4～16之间时，能够得到合理的结果。火灾特征直径D通常用式(1)表示[3]：

(1)

式中：Q为总热释放率；ρ为环境空气密度，笔者取1.204 kg/m；cp为环境空气比热，取值为1.005 kg/m；T为环境空气温度，取为293 K；g为重力加速度，取为9.81 m/s2。

根据式(1)计算得到火灾特征直径为2.5 m，在综合考虑经济性与保证满足工程计算精度的前提下，确定如下网格划分方法：采用非均匀网格划分方法，在火源附近区域的网格尺寸为0.2 m×0.2 m×0.2 m，能够保证计算结果的可靠性；而在停车场其他区域采用0.4 m×0.4m×0.4 m的网格尺寸，能够反映烟气蔓延规律即可。

1.3火灾热释放速率设定

美国NFPA502(2004)中推荐客车火灾热释放速率峰值为20 MW；KUNIKANE等在隧道内实验测得有风条件下客车火灾热释放速率峰值为28 MW； INGASON在隧道内实验测得风速为0.1 m/s时，大客车热释放速率峰值为30 MW[4]；欧洲eureka499隧道火灾项目测得旅游客车火灾热释放速率峰值为33 MW。国外已有数据显示，客车火灾热释放速率峰值约为20～35 MW[5]。

根据查阅文献得到的数据资料，考虑客运车发生火灾的最不利情况，即客车车厢为火源位置，热释放速率取前人全尺寸实验数据资料中的最大值35 MW，在开始燃烧后10 min达到最大值。根据t2增长火源模型(见式(2))计算得到火灾增长速率a为0.096 kW/s2，火源设定热释放速率如图3所示。

(2)

式中：Q为火源的热释放速率；a为火灾增长系数；t为时间；t0为有效点燃时间，取为0。

图3　客运车火灾设定热释放速率

1.4火灾场景设定

图4所示为着火车辆位置示意图。根据屋顶停车场车辆停放的特点，选择发生火灾的车辆为0号车。为分析屋顶停车场一辆客运车发生火灾后，在不同情况下火灾的发展过程及温度分布、烟气蔓延规律，探讨喷淋系统在火灾中起到的作用。根据该屋顶停车场的特点，在研究工况的设置中，考虑了不同停车间距、不同自动灭火方式干预等情况，具体工况设置如表1所示。

图4　着火车辆位置示意图

工况编号火灾增长系数/kW/s2火源功率峰值/MW自动喷水灭火系统备注A10.09635.00无—A20.09635.00无调转0车头朝向A30.09635.00无增大停车间距B10.09635.00水幕系统水幕喷头B20.09635.00水幕系统开式洒水喷头C10.0968.75雨淋系统—D10.09685.00无3辆车为一个停车单元

表1中各模拟设计工况的具体情况为：在工况A1、A2、A3中，不采取任何消防设施，研究屋顶停车场在无环境风情况下客车火灾的蔓延情况。根据A1模拟结果，增加A2、A3两个工况，研究车辆在不同停放情形下火灾的蔓延情况，提出有效的车辆火灾防范建议。

工况B1、B2、C1分别对两种自动喷水灭火系统的消防效果进行模拟研究，采用FDS模拟喷淋灭火过程的可行性已得到大量实验验证。由于室外环境无法使闭式喷头及时感温动作，因此笔者选择开式自动喷水灭火系统。

水幕系统的设置不用于主动灭火，而是在车辆之间起防火分隔作用，因此不考虑其对火势的控制效果，火源功率在工况B1、B2中不进行折减。工况B1中水幕系统的喷头选用ZSTMB-T水幕喷头，布水形式为水帘式，流量特性系数K=56，布置双排喷头。工况B2采用普通开式洒水喷头，布水形式为水墙式，流量特性系数K=80，采用双排喷头，与工况B1水幕喷头进行效果对比。设计车位间喷头位置如图5所示，双排喷头每排12个，喷头高度为4 m，每个喷头流量在工况B1、B2中分别为56 L/min、80 L/min，喷头间距为1.1 m，喷头均设置在240 s时启动。

图5　水幕喷头布置示意图

工况C1设置了雨淋自动喷水灭火系统，能够有效控制火势，因此对火源功率进行折减。模拟中设置有喷淋时的火源功率为8.75 MW，而火灾增长系数不变，得到折减后的热释放速率如图3所示。达到8.75 MW的时间为300 s，即为喷淋启动时间。根据规范[6-7]，雨淋系统采用开式洒水喷头，选择下垂型标准普通喷嘴，流量特性系数K=80，在停车位上方呈正方形均匀布置。根据车位几何关系确定作用面积为168 m2，作用面积内喷头数为16个，每个喷头流量为83.8 L/min，喷头之间的距离为3.4 m。火源所在的作用面积内喷头布置情况如图6所示。

图6　雨淋喷头布置示意图

工况D1在屋顶停车场中将3个车位划分为一个停车单元，相邻停车单元之间的间距由0.5 m增大到2.5 m，如图7所示。划分为若干停车单元的屋顶停车场，减少的停车位数量仅为3个。

图7　停车单元设置示意图

图8　着火停车单元位置示意图

工况D1模拟在一个停车单元内的3辆车发生火灾时，对于相邻停车单元及相对停车单元的火灾蔓延情况。图8所示为着火停车单元位置示意图，设定停车单元内中间位置的客车a发生火灾，火灾发生后520 s(工况A1模拟结果)时，引燃相邻两侧的客车b1和b2，使得同一停车单元内3辆车同时燃烧。模拟中通过对c、d、e 3辆客车车窗温度、车厢表面热流量的记录，研究一个停车单元着火时火灾是否会蔓延至相邻及相对停车单元。

为了保证模拟结果能合理反映实际情况，工况D1考虑客车火灾热释放速率在火灾后期的衰减情况。模拟中取衰减系数与 INGASON实测曲线相同，得到停车单元内一辆客车火灾的热释放速率曲线，如图9所示。因此按照火灾场景将3辆车的热释放速率曲线叠加得到的一个停车单元内火灾热释放速率曲线(见图9中实线)，峰值为85 MW，在1 120 s时出现。

图9　停车单元火灾设定热释放速率曲线

1.5参数及测点设置

①模拟时间设定为20 min，室外环境温度设为20℃。②玻璃破裂时位于热烟气层玻璃表面的临界温度约为150～200℃[8]。为了研究客车着火时是否会使车窗破裂并且引燃相邻客车，在着火车辆前窗、侧窗位置及相邻车辆的车窗上分别设置了热电偶温度测点，测点距地面高度为2.8 m，距车厢底板高度为1.3 m。③温度场分布情况是研究火灾发展过程的重要依据，并且为保证安全疏散，2 m高度以下要求温度不应超过60℃。模拟中在着火车厢横纵剖面及Z=2 m高度处均设置了温度场记录切面。④为了探讨火灾发生时是否对人员疏散产生不利影响，在Z=2 m高度处设置CO浓度及可见度分布切面。⑤ 目前大多数的汽车都在表面涂上了聚氨酯之类的热塑性材料，被引燃的临界热流量取为16 kW/m2[9]，在模拟中记录相邻车辆靠近着火客车的车厢外表面的热流量。

2　模拟结果与分析

2.1车头朝向对客车火灾蔓延的影响

客车前窗面积大，火灾时通过前窗释放的热量不容小觑。因此，考虑将0号着火车辆停放方向进行调转，使其车头朝向3号车进行A2工况的模拟。得到3号车前表面温度数据，并与工况A1结果对比，如图10所示。显然当0号车前窗朝向3号车时，温度大幅增加，但最高温度未达到玻璃破裂温度150℃。热流量模拟结果对比如图11所示，结果显示当0号车前窗朝向3号车时，3号车将达到临界热流量而被引燃。模拟结果证明客车前窗释放的热量对火灾发展过程有很大影响，停放车辆时应当避免车头朝向邻近车辆。

图10　两工况下3号车车窗温度对比

图11　两工况下3号车前表面热流量对比

2.2停车间距对客车火灾蔓延的影响

2号车与着火车辆此类相对位置在整个停车场中较少，对其可以采取加大停车位间距的办法来降低火灾蔓延风险。设计平面图中给出的停车位间距为1 m，将其加大到2 m重新模拟，得到2号车前表面热流量模拟结果，如图12所示。结果显示此时2号车表面热流量最大值为15 kW/m2，未达到被引燃的临界热流量。因此在保证相邻车辆不被引燃的情况下，停车位间距需要从原来的1 m增大到2 m。

图12　两工况下2号车前表面热流量对比

1号车停车位与0车位间距为0.5 m，增大到1.7 m后模拟得到的1号车侧表面热流量如图13所示，此时只有靠近前窗的小面积区域在短时间内达到临界热流量值。

图13　两工况下1号车侧表面热流量对比

但对于1号车与0号车这种相对位置而言，如果采取加大间距的方式来防止火灾蔓延，会使车位数量大大减少，不经济，因此考虑采取消防措施进行干预。

2.3水幕系统对客车火灾蔓延的影响

工况B1、B2在相邻客车间加两排喷头形成水幕，其中工况B1采用水幕喷头，布水形式为水帘，工况B2采用开式洒水喷头，布水形式为水墙。用Smoke-view查看火灾时烟气蔓延情况，如图14所示。

图14　水幕喷淋下烟气扩散情况

喷头开启前烟气在浮力作用下上升；240 s水幕喷淋启动后，烟雾在水颗粒卷吸作用下开始向下沉降，同时，水幕的降落动能引起一定的侧向风速，导致烟气开始向四周蔓延。喷淋液滴在火源车辆与相邻车辆间形成密实水帘，阻隔了火焰蔓延，但是并未形成阻隔火灾烟气的屏障，反而阻碍了烟气向上扩散，加剧烟气向邻近车辆蔓延。

图15所示为Z=2 m可见度对比情况，可见烟气扩散直接导致可见度下降，火场大面积可见度低于10 m；同时，着火车辆周围约600m2范围内CO浓度达到危险值30 mg/m3以上。这将对火灾时的人员疏散以及消防人员进入火场扑灭大火造成严重不利影响；显然工况 B2中水墙造成的烟气扩散现象更为严重。

图15　Z=2 m可见度对比

2m高度温度场云图如图16所示，可以看出工况A1中烟气上浮，2 m高度温度低于60℃；而工况B1中，着火车辆周围由于热烟气的聚集出现了明显温升，这将对人员疏散产生不利影响；工况B2中着火车辆车身周围温度基本处于安全值以下。

图16　Z=2 m温度场云图对比

图17　相邻车辆表面最大瞬时热流量对比

相邻车辆表面最大瞬时热流量模拟结果如图17所示，显然工况B1水帘的隔热冷却作用并不明显，而工况B2中水墙较好地发挥了隔热作用，1号车在工况B2中处安全状态。但是注意到2号车车身热流量值有一个突增。

通过模拟结果可以发现：在工况B1中，由于水幕喷头形成的水帘作用面积较小，在火灾中的隔热效果并不理想，火灾发展稳定后才逐渐开始发挥隔热作用；工况B2中采用开式洒水喷头，作用范围由扇形变为锥形，在车辆间形成水墙，这种水幕较好地发挥了隔热降温作用，使得着火车辆车身周围温度处于安全值以下，同时相邻车辆车身温度也有大幅降低，并使得在无喷淋工况中处于危险位置的1号车车厢表面热流量值大大降低。

但是，高喷水强度的密集喷洒具有卷吸作用，将对火灾烟气的运动造成严重影响，从燃烧车辆侧窗释出的火灾烟气在无喷淋时将全部上浮，但在水幕喷淋作用下却由于喷淋的卷吸作用大量沉降。工况B2中，2号车前表面就由于烟气作用而迅速达到被引燃的临界条件，而1号车虽然车厢表面热流量值未达到被引燃的临界值，但是由于热烟气经由车底释出，会对轮胎及车厢底部的机械设备等造成不利条件。可以说明喷淋引起高温烟气的不规律运动，使得火灾发展过程的不可控性大大增加。同时，对于火场救援而言，烟气沉降引起的大范围可见度下降，也将造成非常不利的救援条件。

图18　雨淋系统烟气扩散情况

2.4雨淋系统对客车火灾蔓延的影响

工况C1中采用雨淋系统作为消防干预，喷头采用开式洒水喷头。用Smoke-view查看工况C1中的烟气蔓延情况，如图18所示。喷头开启前烟气全部上升，无蔓延；300 s时开式洒水喷头启动，此时热释放速率达到最大值8.75 MW。烟雾在喷淋卷吸作用下开始沉降，并向四周蔓延。

图19所示为两工况下相邻车窗温度对比情况，可以看到：工况A1中邻近火源的车辆车窗均不会达到破裂温度150℃；工况C1在喷头启动后，1、2号车测点温度突然增大并达到车窗破裂温度，火势可能蔓延至相邻车厢内部，这同样是由高温烟气沉降引起的。3号车温度在火灾全过程中无明显变化，原因是该车距离着火车辆较远，喷淋控制住火势使得火源功率较小，因此受到的辐射热小。

图19　两工况下相邻车辆车窗温度对比

通过工况C1的模拟，发现烟气沉降引起相邻车辆1、2号车车窗温度的骤升，均达到车窗破裂温度，火焰及烟气有可能蔓延至相邻车厢内部，造成火势扩大；同时，烟气蔓延导致火场可见度大大降低，不利于火场救援工作的开展。

2.5停车单元方案研究

用Smoke-view查看停车单元火灾烟气蔓延情况，如图20所示。520 s时两侧客车被引燃，引燃初期产生的少量烟气，由于中间着火车辆产生的大量烟气的卷吸作用，均向中间烟气汇集并释放；t=1 120 s时，停车单元火灾总热释放速率达到峰值，产生大量烟气，但未向四周大面积蔓延。

图20　停车单元火灾烟气扩散情况

着火停车单元相邻客车车窗热电偶测得的温度数据如图21所示，邻近着火停车单元的车辆车窗温度均在3辆车同时着火后明显上升，由于相邻及相对停车单元间距较大，所以相邻车辆温升很小，均不超过50℃，远远低于车窗破裂临界温度150℃。在火源热释放速率进入衰减阶段后，车窗温度开始缓慢降低。

图21　着火停车单元火灾各车窗温度

图22所示为着火客车车厢中部横向剖面、中间着火车辆纵向剖面及Z=2 m平剖面在1 100 s时刻的温度场分布。此时停车单元火灾总热释放速率达到最大值，3辆着火车辆车厢内温度基本稳定。Z=2 m高度处温度始终处于安全温度60℃以下，火场救援条件良好。

图22　t=1 100 s停车单元火灾温度场分布

热流量模拟结果如图23所示，结果表明在引入停车单元的概念并将相邻及相对停车单元间距调整至2.5 m时，火灾在停车单元间的蔓延风险很低，一个停车单元3辆客车同时着火将不会引燃相邻及相对停车单元的客车。相邻车辆车厢表面热流量最大值不高于12 kW/m2。

图23　相邻车辆表面最大瞬时热流量

3　结论

笔者通过火灾模拟软件FDS对不同停车间距、不同自动灭火方式干预及设置停车单元等共计7组火灾工况进行数值模拟，通过对模拟结果进行分析，得到以下主要结论：①屋顶停车场一辆客车发生火灾，在无环境风情况下烟气几乎全部向上空蔓延，火场可见度高，着火车辆周围2 m高度温度处于安全值60℃以下，火灾救援条件良好；②在不采取消防干预的情况下，一辆客车发生火灾，将在520 s左右通过热辐射及热对流的传热形式引燃紧邻其两侧停放的车辆，造成火势蔓延。增大停车间距的方法虽然可以降低火灾蔓延风险，但将使停车场内车位数量大大减少，不经济；③客车发生火灾时，会通过前窗释放大量热量，因此在停放客车时必须避免车头朝向邻近车辆；④水喷淋系统(包括雨淋及水幕系统)对烟气的卷吸作用会引起烟气在火场内大范围蔓延，反而对火灾救援造成不利影响；⑤引入停车单元方案可解决车辆消防安全与停车位间距之间的矛盾，对停车位进

行重新划分，并再次借助FDS模拟，得出了3辆车为一组的停车单元安全间距为2.5 m。

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Research on Fire Characteristics of Roof Parking Bus Fire

Based on FDS Simulation

SUN Chenghua, FU Qiang

Research of fire characteristics of roof parking bus fire based on FDS simulation, the results show that: ①The bus on fire will release lot of heat through the windshield, so the front head should not head to the adjacent buses.②a bus fire to ensure safe distance between adjacent bus not being ignited by 1.7 m; ③ no wind and fire intervention, the fire high visibility and 2 m high temperature below 60℃, good fire rescue conditions; The water spray system, a wide range of high temperature flue gas settlement spread, significantly reducing the visibility; ④ for the intensive use of parking area proposed concept car unit.A parking unit has a fire, and the safety distance between adjacent parking spaces is 2.5 m.

roof parking; bus fire; FDS simulation; parking units

SUN Chenghua:Senior Engineer; Fire Department,Wuhan Municipal Fire Brigade,Wuhan 430023,China.

2095-3852(2016)04-0415-07

A

2016-05-03.

孙承华(1965-)，男，湖北随州人，武汉市消防支队防火处高级工程师.

X915.1

10.3963/j.issn.2095-3852.2016.04.005