基于FDS的防火间距对工业建筑间火灾蔓延的影响分析

关忠慧 李 丽 刘 新

(长春工程学院 水利与环境工程学院,长春 130012)

防火间距是指建筑着火后,防止其在热辐射作用下,引燃蔓延至相邻的、没有任何保护措施的建筑物,且便于消防扑救的间隔距离[1].防火间距是保证人员安全疏散和降低火灾时热辐射的必要间距.所以,为了有效地防止火灾向邻近的建筑物蔓延,工业建筑必须要设置合理的防火间距.《建筑设计防火规范》(GB50016-2014)中,规定了不同工业建筑的防火间距值,其参考依据主要来源于当前消防灭火经验和扑救能力等因素[2].本文主要通过FDS数值模拟直观呈现不同防火间距下着火建筑物火灾的具体情况.

1 FDS理论基础

1.1 控制方程

FDS是一种可对火灾现场进行模拟的软件,研究热传递过程以及烟气流动,通过数值模拟观测火势的蔓延,得到温度场、能见度的变化等情况,数值计算过程中需要求解Navier-Stokes方程[3],它是描述热驱动的流动性方程组,主要包括:

质量守恒方程:

(1)

动量守恒方程:

(2)

能量守恒方程:

(3)

式中,τ为 时间,s;ρ为密度,kg/m3;ui为流体速度在i方向上的分量,m/s;gi为重力加速度,m/s2;p为流体静压力,Pa;Fi为作用于流体上的外力,N;τij为 粘性力张量,N;h为比焓,J/kg;k为导热系数,W/(m·K);qr为 体积热释放率,W/m3.

1.2 数学模型

FDS应用的亚网格应力模型主要依据大漩涡模拟技术,该技术中包含大尺度和小尺度的涡,通过滤波函数可将两者分离开来,大尺度的涡直接模拟,小尺度的涡则需用模型来封闭[4].本文主要采用大涡模拟计算,选择基于组分的混合物燃烧模型.混合物燃烧模型中有几点假设:首先燃烧是混合控制的,其次燃料与氧气的反应速度趋于无穷大,最后通过简化分析和测量,得到经验表达式中的混合比,即反应物和产物的质量关系,并用状态关系式表示出来.反应形式如下:

CxHyOZNVOtherw+VCO2O2→VCO2CO2+VH2OH2O+VCOCO+VsootSoot+VN2N2+VH2H2+VOtherOther

(4)

2 火灾模型及参数设置

假设模型的整体尺寸参数为18m×8m×5m,在该计算区域内有两个相邻的单层工业建筑,其结构均为砖混结构,墙壁厚度为0.02m.设该模型其中一个建筑遭受火灾,其几何尺寸为6m×4m×3m,内部设有开关柜和电缆设备.另一个建筑几何尺寸为4m×4m×5m,两相邻建筑物相距4m,建筑模型外部设置为外界大气环境.具体物理模型如图1、图2所示.

图1 整体模型框架图Fig.1 The whole model framework

图2 整体模型三维效果图Fig.2 The whole model 3D rendering

假定事故发生是由开关箱内线路老化导致系统短路而引发的火灾.点火源的大小设为0.6m×0.5m,根据相关资料可知,火灾的热释放速率最大应选取4.0MW.依据最不利原则,考虑火势情况为严重,将该工业建筑的火灾确定为快速发展火,故可得出火灾增长系数a=0.046 9,再通过计算得出热释放速率为4.0MW时所对应的时间为60s.用户在计算时可以根据需要直接调用FDS数据库中自带的材料燃烧特性.建筑的热边界条件选取为软件默认的热厚层边界,即整体结构的热量传递为一维导热问题.初始温度设为25℃,气压为标准大气压.除建筑物所在区域外,其余计算区域都将边界设定为开放环境.通风情况设为以4m/s的速度沿正x方向送风,即风向与其相邻的建筑所在方向一致,最后模拟计算的时间设为600s.具体设置详见表1.

表1 不同防火间距设置参数Table 1 Setting parameters of different fire separations

3 模拟结果与对比分析

3.1 烟气温度对比分析

考虑人员脸部五官的位置,假定平均高度为1.6m,因此将热电偶设置在两建筑门口中心的1.6m高处,以此来监测烟气的温度值,具体温度变化曲线见图3.由图3可明显得出不同间距下的温度变化趋势,即随着间距的增大曲线的斜率逐渐降低.若将此高度处的烟气的危险温度设为60℃,从图3中可以观察到,间距2m的先达到60℃,历时220s左右,此时相邻建筑状态达到危险级别；间距4m的达到60℃历时500s左右,危险程度有所降低；而间距6m的最高温度不足50℃,所以在这种情况下相邻的建筑仍是处于一个相对安全的状态.

图3 三种间距下相邻建筑门中心处温度变化Fig.3 Temperature variation at the door center of adjacent the building under three fire separations

图4 三种间距下相邻建筑门中心处热辐射变化Fig.4 Thermal radiation variation at the door center of the adjacent building under three fire separations

3.2 热辐射监测点结果分析

同理将热辐射监测点设置在两建筑门口中心的1.6m高处,根据它们的热辐射输出值E,绘出变化曲线见图4.由图4可明显看出热辐射值E曲线变化与图3中的温度t曲线变化大致相同.根据热辐射对人员产生危害的基本理论可知,热辐射值E上升至4.0kW/m2时会令人身体产生灼痛感,间距2m在300s时达到这一数值,而500s时热辐射值甚至超过了12.5kW/m2,此时会造成人员烧伤;间距4m在450s时热辐射值上升至4.0kW/m2,但最大值不超过5kW/m2,较间距2m程度轻;而间距6m热辐射最大值未到达4.0kW/m2,因此相对安全.

3.3 可见度云图对比分析

图5～图7分别表示1.6m高度处三种间距在150s，300s，480s时刻的可见度云图对比.

由图5可见，间距2m的能见度出现明显下降,主要集中在门口和着火建筑内火源附近部位,建筑物间部分区域的能见度也受到些许影响,而间距4m，6m的能见度均未出现较明显的变化.

图5 150s时不同防火间距可见度云图对比Fig.5 Contrast of visibility nephogram for different fire separations at 300s

由图6可见，间距2m的建筑物间的大部分区域能见度出现大幅度下降,着火建筑的能见度已下降至10m,可以看出发生了显著的变化,而此时间距4m，6m的能见度仅有轻微波动.

图6 300s时不同防火间距可见度云图对比Fig.6 Contrast of visibility nephogram for different fire separations at 300s

由图7可见，间距2m的着火建筑对相邻建筑内部人员已经构成严重威胁,相邻建筑的能见度已降到10m以下,因此必须对人员进行安全疏散和采取必要的应急救援措施；间距4m的能见度仍保持在18m左右,所以对人员影响较小,但相邻建筑门口处的能见度却受到较大影响；而间距6m的能见度相对来说比较清晰,整体上看似乎仍未受到相邻着火建筑的影响.

图7 480s时不同防火间距可见度云图对比Fig.7 Contrast of visibility nephogram for different fire separations at 480s

4 结论

(1) 模拟给出了1.6m高度处烟气温度、热辐射值随时间变化的规律.

(2) 模拟条件下,在2m,4m和6m等三种防火间距中,6m间距时相邻建筑始终处于安全状态,不受着火建筑的影响;2m间距受影响最大,达到危险状态的时间最短,约为250s;4m间距时危险程度次之.如将防火间距设为6m,则相邻建筑处于相对安全的状态即不受着火建筑的影响.

(3) 防火间距在很大程度上影响火灾的蔓延,为有效防止火灾在相邻建筑间的蔓延,须设置适当的防火间距;

[1] 杨雪松.浅论防火间距[J].中国新技术新产品,2012(4):47.

[2] 李引擎.建筑防火性能化设计[M].北京:化学工业出版社,2005.

[3] 谭科峰.基于FDS的水喷淋热辐射防护效用研究[D].北京:中国石油大学,2011.

[4] 徐艳秋,王振东,李智男.高层建筑室外火灾的数值模拟与分析[J].研究与探索,2011(6):8-11.