火源位置对大空间建筑火灾烟气蔓延影响研究

张南燕，唐　婕

(1.南通市消防支队，江苏 南通　222300； 2.贺州市消防支队，广西 贺州　542800)



火源位置对大空间建筑火灾烟气蔓延影响研究

张南燕1，唐婕2

(1.南通市消防支队，江苏 南通222300； 2.贺州市消防支队，广西 贺州542800)

大空间建筑越来越多的运用于商场、体育馆、机场和车站等公共建筑，大空间的火灾危险性也随之增加。由于大空间建筑的特点，火灾发生后烟气蔓延较快，不同火源位置对烟气的蔓延有一定影响。为了考察火源位置对大空间建筑火灾烟气的影响，利用FDS软件，对三种典型火源位置的大空间火灾进行模拟研究，结果表明：火源位置的改变，对火源附近的烟气温度有较大影响，但随着离火源距离的增加，烟气温度与火源位置的关系减弱；火灾稳定后，烟气层高度与火源位置的相关性较大。

消防；大空间火灾；数值模拟；烟气

0　引言

随着经济和社会的发展，各国竞相建造了规模宏大的公共建筑。电影院、剧场、体育馆、展览馆和空港航站楼等的建造越来越引起人们的兴趣和关注。但是大空间建筑的不断增多也为火灾防治、烟气控制带来了一系列新的问题。大空间建筑火灾的特性与普通建筑有着明显的差别，主要表现在以下几个方面[1]：(1)火灾不受限制迅速扩大；(2)早期探测和初期灭火较难实现；(3)安全疏散困难；(4)灭火和救援比较困难。

大空间建筑火灾研究一般有全尺寸实验和计算机模拟。全尺寸实验前期准备工作较多，费用较大，研究受到一定限制。近年来随着计算机技术的飞速发展，越来越多研究者应用计算机模拟方法研究大空间建筑物火灾并取得了一定进展，尤其是以FDS为代表的场模拟软件得到越来越广泛的运用。

大空间建筑因自身特点，在防火分区的划分方面存在着诸多不便，这给火灾中烟气快速蔓延提供了条件。目前我国对于空间结构尚未制定专门的防火设计规范，工程人员一般参考相关规范进行防火设计。本文利用火灾动力学模拟软件FDS，对三种典型火源位置的某大空间火灾进行数值模拟研究，考察大空间火灾中，火源位置对烟气蔓延的影响。

1　火灾场景设置

1.1模型尺寸

以建筑面积1 000 m2、室内高度6 m，按自然排烟方式建立大空间火场模拟模型。在模型的两个长边上底部居中位置分别设立大小为3 m×2 m的自然补风口。采用自然排烟方式，取自然排烟口的面积为建筑面积的5%，即50 m2，将排烟口设置在两个长边的上部，每边设置5个，每个面积为5 m2，暂不考虑外界通风对自然排烟的影响，如图1所示。

1.2网格划分

FDS包括流体力学模型和燃烧模型，通过求解一系列适用于低马赫数流动热传输形式的N-S方程来实现其功能，该方程强调了火灾中烟和热的传播。模型的核心运算法是大涡模拟(Large Eddy Simulation)技术，即通过滤波处理，首先将小于某个尺度的旋涡从流场中过滤掉，只计算大涡，然后通过求解附加方程得到小涡的解。过滤尺度一般取为网格尺度。网格的划分直接关系到计算结构的误差，甚至影响计算结果的正确性。理论上，网格划分越细计算结果越精确，但出于平衡计算机资源和计算时间的考虑，针对大空间建筑的充分细化难以实现。本文中网格的大小取火源特征直径(Characteristic Fire Diameter)的0.1倍。火源特征直径计算公式为[2]：

图1　通风口与补风口位置示意图

(1)

式中，D*为火源特征直径；Q为热释放速率，kW；T0为环境温度，K；ρ0为空气密度，kg·m-3；cp为空气的定压热容，一般为1.02 kJ·kg-1·℃-1；g为重力加速度，m·s-2。

数值模拟中，火灾最大热释放速率取8 MW，计算得到火源特征直径D*=2.2，网格大小为0.2 m×0.2 m×0.2 m。

1.3火源模型建立

从目前国内外试验和研究来看，多数火灾从点燃发展到充分燃烧阶段，火灾热释放速率大体上与时间的平方成正比关系增长，本文采用t2火进行火灾模拟(火灾增长系数α为0.046 89 kW·s-2)。如图2所示，对应于无喷淋的公共场所[3]。

本文选取三种典型火源位置进行模拟研究，即火源分别位于建筑模型底面居中位置、靠近墙的位置和位于墙角的位置。这三种情况基本上可以代表大空间火灾发生的典型位置，如图3所示。

2　数值模拟分析

2.1不同火源位置烟气温度分布

为了分析不同火源位置对烟气温度分布的影响，温度测量点布置在距离火源位置右侧方向10 m处，高度均为5.5 m，代号分别设为A、B、C。如图4所示，A、B、C三点烟气温度增长规律基本一致，火灾初期至300 s的期间内烟气温度随时间发展而升高，变化趋势接近于线性增长，升高速率C点最大，B点次之，A点最小。300 s以后烟气温度进入上下震荡变化过程。三个测试点的烟气温度大约在50 s以后出现差别，温度大小基本按照C、B、A的次序由高到低的顺序排列。300 s以后A、B、C三点温度分别在110 ℃、120℃、140℃上下震荡。从图4中数据可以发现，相比于普通建筑火灾，大空间火灾的烟气温度相对较低。

图2　热释放速率-时间曲线

图3　火源位置示意图

图4　火源位置对温度场分布的影响(z=5.5 m)

图5给出了A、B、C三点在火源位置不同时，处于3 m高度处的烟气温度随时间变化曲线。从图中可以看出，A、B、C三点温度随时间变化趋势是一样的，越到后期，各点的离散型均较大，这可能是由于测点受火羽流的影响较大所致。三点的温度升幅均不是很高，是由于自然排烟，致使在大空间里聚集的烟气处于一定高度，对相对较低的位置温度影响不是很大。火源位置的变化对下层烟气温度的影响不是很明显，在模拟图中，可以看到烟气分层效果相当明显。

图5　火源位置对温度场分布的影响(z=3 m)

选取图3中的D点处进行分析，D点距离右侧壁面约0.5 m，高度为5.5 m，研究不同火源位置对同一点烟气温度的影响，如图6所示。从图中可以看出，在火灾增长阶段，对于不同火源位置，D点温度增长趋势和幅度基本一样。到达稳定阶段后，D点温度在火源处于1处明显比火源处于2处和3处高，这是由于D点距离火源1近，烟气到达D点时间短，卷吸的冷空气较少。火源处于2和3时，D点温度趋于一致。这说明，相对于火源位置较远的区域，烟气到达前，由于卷吸部分冷空气，温度有一定程度的降低，但烟气的密度也随之增大，造成烟气沉降，不利于自然排烟和人员疏散。

图6　不同火源位置下D点温度变化曲线

2.2不同火源位置烟气层分布

烟气层的高度和温度可以有效的反映大空间火灾的发展和烟气蔓延情况。本文选择火灾稳定后的大空间模型x轴方向进行研究，为避免边界条件的影响，选择处于y轴中部的测点，如图7所示。从图7可以看出，火源位于1处时，烟气层高度分布较为均匀，处在3.5～4.3 m之间，且与火源位置对称分布。火源位置处于2处时，烟气层高度处在3.7～4.7 m之间，当x值处于5～15 m时，烟气层高度较大，这是由于当x值较小时，这个区域距离火源2很近，又靠近墙壁，烟气在这里大量聚集，导致烟气层高度下降；当x值较大时，烟气到达另一边壁面并开始下沉，同样出现烟气层高度下降。火源位于3处时，烟气层高度大部分处于4～5 m之间，而x值很小的区域烟气层高度明显小于火源位于1和2处时，这是由于烟气与壁面的作用比较强烈，烟气沿着墙壁与顶部的夹角蔓延，并不断的卷吸冷空气，出现明显沉降；同时，火源位于3处时，烟气层高度随着离火源距离增大，出现震荡式下降。

图7　火灾稳定后烟气层高度分布

图8给出了火灾稳定后烟气温度随x值变化曲线，与图7的烟气层高度变化曲线相对应。从图中可以看出，火源位于1时，温度变化曲线呈现“W”型，这是由于火源处于大空间的中部，烟气到达顶部形成顶部射流，分别沿着大空间顶部向四方蔓延，由于距离大空间的壁面距离不是很远，热烟气在不断卷吸冷空气的同时，还受到来自火源热辐射和热对流的影响，温度仍处于上升过程中，当到达壁面时，烟气的热量在壁面与顶棚的夹角处聚集，温度还是相对较高。火源位置处于2和3处时，在x值较小的地方，温度值偏大，这是由于火源距离该区域较近，热对流和热辐射都很强烈，烟气层分层效果不明显，随着烟气卷吸空气的进行以及距离火源越来越远，烟气温度开始下降。

图8　火灾稳定后烟气层温度分布

3　结论

大空间由于其自身的特点，火灾中烟气的温度普遍不是太高[4]，但由于防灭火措施的实施困难，火灾危险性仍然很大，加之有的大空间建筑人员密集，这对火灾的防治和人员疏散造成了不便。

本文采用FDS数值模拟的方式对面积为1 000 m2的大空间建筑火灾进行了研究，通过对数据比较分析可以得出以下结论：(1)火源位置的改变，对火源附近的烟气温度有较大影响，但随着离火源距离

增加，烟气温度与火源位置的关系减弱。(2)火灾稳定后，烟气层高度与火源位置的相关性较大。火源处于中间位置时，烟气层高度的升降幅度不大，基本上可以认为烟气层高度稳定；火源紧挨墙边或角落时，烟气层高度随着距火源距离的增大而降低。

本文中，仅采用了数值模拟的方法，没有考虑外界风速对自然排烟的影响和自然排烟口面积变化对结果的影响。同时，也没有真实的考虑边界条件对火羽流卷吸作用和热传递对火源热释放速率的相关影响，相关的影响研究有待在日后研究中进行。

[1] 杜兰萍.基于性能化的大尺度公共建筑防火策略研究[D].天津:天津大学，2007.

[2] Fire dynamic simulator: User’s guide [M]. Version 5. NIST Special Publication 1019-5,2009:35.

[3] 薛素铎，梁劲，李雄彦.排烟方式对大空间建筑火灾空气升温的影响[J].防灾减灾工程学报，2010，30(5):528-532.

[4] 游宇航，李元洲，孙晓乾，等.夏季大空间内火灾机械排烟效率的研究[J].安全与环境学报,2006,6(3):24-27.

(责任编辑马龙)

On the Influence of Fire Source Location on the Smoke Movement in a Spacious Building Fire

ZHANG Nanyan1, TANG Jie2

(1.NantongMunicipalFireBrigade,JiangsuProvince222300,China; 2.HezhouMunicipalFireBrigade,GuangxiAutonomousRegion542800,China)

There are more and more large buildings of shopping malls, stadiums, airports and stations and other public buildings, where the fire risk tends to occur easily. Fire smoke propagates quickly in large scale buildings. The position of a fire has an effective on the smoke propagation. To investigate the influence of fire source location on the smoke movement in a large scale building fire, this paper applies the Fire Dynamic Simulation software to simulate the three typical fire positions in a large scale building fire. Results show that changing of the location of a fire source has a great influence on the smoke temperature adjacent a fire, but with the distance increasing from a fire, the smoke temperature variance was less relative to the fire source location. When the fire becomes stable, the correlation of the height of smoke and a fire source location becomes strong.

fire protection; large scale building fire; numerical simulation; smoke

2016-01-16

张南燕(1985—)，女，江西九江人，助理工程师； 唐婕(1976—)，女，广西梧州人，工程师。

D631.6

A

1008-2077(2016)06-0016-04