排烟风机对室内火灾轰燃影响的数值模拟研究

王志宽

(濮阳市消防支队，河南 濮阳 457000)

排烟风机对室内火灾轰燃影响的数值模拟研究

王志宽

(濮阳市消防支队，河南 濮阳 457000)

利用FDS软件进行数值模拟，研究了火场排烟风机动作对室内发生轰燃现象的影响。研究发现在火灾发展初期，排烟量在一定范围内升高，促使外界气体流向着火区域，加剧火势，促使轰燃提前到来。并对灭火救援工作提出了建议。

排烟；轰燃；数值模拟

随着城市现代化进程的加快，建筑的数量、规模、形式、结构不断有新的变化。在火灾的控制方面也面临更多更复杂的问题，对轰燃控制方法的研究就是一个很重要的方面。目前控制轰燃的措施有采用防火阻燃装修材料、控制排烟量、设置喷淋系统等，而控制排烟量对火势影响又有着双重作用，一方面随着热烟气的排出，室内温度得到降低，烟气层下降的速度降低；另一方面，补风会增加空间供氧，促进燃烧，加剧火势。可见，在火灾发生时科学的排烟对于降低火灾对人员和建筑物的危害尤为重要。

1 室内轰燃介绍

1.1 轰燃的概念和危害

建筑火灾发展过程一般可分为三个阶段：火灾初起增长阶段、火灾全面发展阶段、火灾衰减阶段。火灾初期增长阶段，由于未形成全面燃烧，室内平均温度低，火灾危险性较小，但着火点附近，局部火焰高温作用，使得周围可燃物逐渐分解挥发出可燃气体，当可燃气体在室内聚集达到一定浓度，一旦室内温度超过一定值，便会形成瞬间燃烧，从而导致室内所有可燃物全面燃烧，由火灾初期瞬间转变为全面燃烧，这种现象称为轰燃[1]。

室内一旦发生轰燃，建筑内被困人员以及内攻救援的消防队员都会面临严峻的生命危险。轰燃的危害主要有：(1)形成高热中心区。轰燃发生后热量急剧膨胀，室内温度将达到1 000 ℃以上。(2)造成人员伤亡。试验研究发现，人体在116 ℃干燥空气环境内无法呼吸。轰燃发生后，室内温度远远超过人体所能承受的极限范围。另外，根据不可折返点“Point of No Return”理论，当室内温度达到530～820 ℃时，全副武装的消防员可承受时间为2 s左右，移动距离为1.5 m。如果消防员在发生轰燃时，距离最近的安全出口超过1.5 m，将无法安全撤离[2]。(3)造成心理恐慌。发生轰燃时，高温烟气伴着巨大的火羽冲出门窗孔洞，使在场的人员产生极大恐惧，从而引起人的心理恐慌。(4)造成建筑倒塌。如钢结构建筑，环境温度达到300～400 ℃的时候，钢材的强度会急剧下降，达到600 ℃的时候，钢材的承重能力为正常水平的1/3。一般钢结构建筑如果钢材没有隔热保护，在火灾发生后15～20 min就会发生倒塌[3-7]。

1.2 轰燃的判据及研究方法

并不是所有的火灾都会发生轰燃，是否发生轰燃与着火房间尺寸、开口面积和火源大小有直接关系。国外火灾理论专家对轰燃的条件做过很多研究，普遍认为：对于普通高度的房间，当地板平面上有约20 kW·m-2的热流量或顶棚下接近600 ℃的高温，以及可燃物的燃烧速度超过40 g·s-1就会发生轰燃。

目前，对于轰燃的研究，焦点是在其预测和控制方面。一些学者通过研究轰燃所需要的最小热释放速率预测轰燃现象的发生，通过不同材料的轰燃试验总结提出了不同的经验公式，比如：Guan Heng Yeoh和Kwok Kit Yuen[8]分别提出了：

式中，Qmin为最小轰燃释热速率，kJ·s-1；W0为通风口宽度，m；H0为通风口高度，m；hk为热烟气层向内墙的有效传热系数，kJ·m-2·s-1·K-1；AT为房间内表面积，m2。

轰燃影响的因素主要有空间局限程度、可燃物的热量释放速率、释烟量、排烟量等。从火灾发生的过程看，当火灾发生到一定程度，室内可燃物大面积同时开始燃烧，标志着火灾充分发展阶段的开始，燃烧释放的热量在局限空间内的大量积累导致轰燃发生。燃烧生成的热烟气不断上升在顶棚下积累，顶棚和上层墙壁不断被烟气加热，在烟气较薄的表面还同时受到热辐射的影响；与此同时，温度不断升高的这些表面又以热辐射形式不断作用于可燃物，增大其热通量。随着燃烧的持续，热烟气层的厚度和温度都在不断增加，使得可燃物的燃烧速率不断增大。随着可燃物的质量燃烧速率的增大，当室内火源的热释放速率达到发生轰燃时的临界值，轰燃就会发生。

2 数值模拟

为了达到燃烧迅速，快速升温，大量产烟的效果，使空间更快进入轰燃状态，需要配制一种热释放速率高，产烟量大的燃料。首先考虑采用柴油作为燃料，然而，试验发现柴油点燃需要较高能量，产烟量大，但点燃所需的最小热能较高；汽油虽然产烟量较低，但易被点燃，本次模拟燃烧物采用产烟量和点火能介于两者之间的煤油。

FDS(Fire Dynamics Simulator)是基于场模型和计算流体力学的火灾模拟软件，模拟火的能量驱动流体流动。该软件全面考虑了火灾烟气运动的各个分过程，它类似于流体力学计算对流输运过程中通常采用的有限容积法，不仅能够计算固体壁面间的辐射换热，同时还考虑了烟气层内多原子气体对辐射的吸收作用[9]。

FDS有两种方法来定义火灾的大小，一种是通过单位面积热释放速率(HRRPUA)来设定燃料的燃烧速率；另一种是利用燃料的热物性和燃料的蒸发热(HEAT OF VAPORIZATION)来预测燃烧速率。前一种的火灾是给定的，只需要单位面积热释放速率1个参数，用户通过设定它来选择怎样来实现一个合适的火灾规模。而后一种则带来了计算的不确定性，因为燃烧速率是一个复杂函数，其与火焰通过对流与辐射反馈的热量和通过固体或液体燃料传导的热量有关。燃烧速率至今仍是研究的重点，利用燃料的热物性和蒸发热来预测燃烧速率会带来计算中潜在的误差。因此，本模拟研究选用第一种方法确定火灾规模。单位面积热释放速率为：

HRRPUA=mρHc/60

式中，HRRPUA为单位面积热释放速率，kW·m-2；m为直线燃烧速度，mm·min-1；ρ为燃料密度，kg·m-3；Hc为燃料的净燃烧热，kJ·kg-1。

利用FDS对火灾进行模拟，首先需要编写合适的输入文件。FDS的输入文件中需要包含以下信息：控制区域内建筑的几何形状、计算单元的尺寸、火源的设定、燃料类型、热释放速率、障碍物材料的热物性、边界条件等。模拟试验主要参考煤油组分的试验燃烧速度(2～3 mm·min-1)确定最大热释率为1 549 kW·m-2。模拟空间采用1 200 mm×1 000 mm×1 100 mm空间。设置火源在空间底部，面积为100 mm×100 mm。在右侧内侧开设一个300 mm×500 mm的通风口，在左侧内墙距离顶部300 mm开设一个面积300 mm×300 mm可控排烟量的排烟风机。模拟中一共设置4只热电偶，分别用通道1～4表示。其中，通道4在侧壁中间上方位置，在其横向两侧布置两只热电偶分别为通道2、3，通道1在通道4下方，约在侧壁中间处。本模拟初始环境温度为室温24 ℃，压力为101.325 MPa，不考虑外界风对火灾的影响。

3 结果与讨论

由于排烟机有3个档位，故根据不同排烟量设置4组实验，分别为高档排烟、中档排烟、低档排烟和无机械排烟，模拟试验结果如图1～图4所示。

图1 无机械排烟模拟结果

图2 低档排烟量模拟结果

图3 中档排烟量模拟结果

图4 高档排烟量模拟结果

以第4通道采集的数据为例，从图1至图4可以看出，随着排烟量的增大，火灾从初始阶段到全面发展阶段所需要的时间不断减少。从点火温升开始算起，至达到该通道最高温度，排烟量从小到大依次需要的时间为237，112，65，50 s。可见室内受限空间火灾，排烟量越大，火灾时发生轰燃越快。

比较图1至图4中各曲线的峰值附近情况，可以看出排烟量越大，火灾在旺盛阶段的持续时间越短。在排烟量较大条件下，曲线在陡峭上升的同时，从峰值下降的坡度也越大。对比大排烟量和中排烟量，空间在500 ℃以上持续的时间，大排烟量为31 s，而中排烟量达到了70 s。可见排烟量的增加，能降低空间蓄热，使火灾更快度过轰燃阶段和旺盛阶段，转入衰减阶段。

模拟中，除通道1由于非正常因素出现畸变外，其他最高温度随着排烟量的增大而增大。通道4排烟量从小到大所得的峰值温度分别为397.2，473.2，529.1，539.8 ℃。可见在通风控制的火灾条件下，空间开口面积及排烟量对火场温度有较大的影响，相应的也对轰燃发生的效果有直接的影响。

比较4组模拟试验，通道4从猛烈燃烧阶段到衰减阶段的转变过程，得出排烟量从小到大依次所需的时间递减，再次说明了排烟量的增大有利于空间蓄热的释放，促进了火灾向衰减阶段的转变过程。

4 结论

通过数值模拟研究，发现排烟量对室内火灾轰燃影响显著。(1)在火灾初期阶段，排烟量在一定范围内升高，会促进气体流入，加剧火势，加速温升，使轰燃提前到来。(2)当火灾在快速发展阶段，加大排烟量能使空间高温热烟气更快排出，降低室温，引导火势向衰减阶段发展。

对于小空间，从灭火的角度考虑，通过破拆、设置排烟机来加大排烟有助于减少空间蓄热，更好控制火势，但从疏散的角度看，小空间发生火灾时，盲目排烟有可能加剧火势迅速发展，对人员疏散和搜救行动都是非常不利的，所以在灭火救援过程中，要综合考虑确定排烟方式。

[1] 杜文峰.消防燃烧学[M].北京：中国人民公安大学出版社，1997.

[2] 约翰D.德汉.柯克火灾调查[M].陈爱平,徐晓楠,译.北京：化学工业出版社，2006.

[3] 李念慈，李悦，余威.自动喷水灭火系统——设备 设计 运行[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[4] 施微，高莆生.建筑火灾烟气运动与控制研究方法的回顾与评价[J].暖通空调,2011,41(9):5-9.

[5] 范维澄，万跃鹏.流动及燃烧的模型与计算[M].合肥：中国科学技术大学出版社，1992.

[6] 陶文铨.数值传热学[M].西安：西安交通大学出版社，2001.

[7] 李人宪.有限体积法基础[M].北京：国防工业出版社，2008.

[8] Guan Heng Yeoh,Kwok Kit Yuen.Computational fluid dynamics in fire engineering: theory, modelling and practice[M].Elsevier,2008.

[9] Kevin McGrattan，Simo Hostikka，Jason Floyd.Fire dynamics simulator technical reference guide[M].National Institute of Standards and Technology，2009.

(责任编辑 马 龙)

The Impact of the Mechanical Smoke Extraction on the Flashover in Compartment Fires

WANG Zhikuan

(PuyangMunicipalFireBrigade,He’nanProvince457000,China)

In this paper, the impact of the mechanical smoke extraction on the flashover in compartment fire is simulated with the application of FDS, software developed by NIST. According to the simulation, if the smoke exhaust volume increases in a certain area in the early phase of the fire, the air from external areas will flow towards the fire site, resulting in an early flashover. Combined with the firefighting experience, the fire fighting suggestions are made in this paper.

mechanical smoke extraction; flashover; numerical simulation

2016-10-09

王志宽(1974— )，男，河南濮阳人，工程师。

D631.6

A

1008-2077(2016)12-0016-04