基于FDS的加油站便利店火灾模拟*

肖国清，姚泽胜，邓洪波，王中翊

(1.西南石油大学 化学化工学院，四川 成都 610500；2.油气消防四川省重点实验室，四川 成都 610500)

0　引言

加油站具有火灾荷载大，发生火灾破坏性强的特点，研究加油站火灾发展时的烟气蔓延规律及温度特征,对于可靠预测这类设施的火灾、增强防火设计的合理性、减少火灾中人员的伤亡具有重要意义。同时，火灾实验是破坏性的,加之加油站全尺寸实验成本高，耗时长，危险性大。因此，用计算机对火灾的过程进行数值模拟已经成为了一种较好的研究方法。许多学者将数值模拟应用于研究加油站安全问题，曹彬等[1]通过FDS和Fluent模拟了无风环境下原油储罐池火灾，并将结果与经验模型比较，分析了2种模型的优缺点；李庆功等[2]针对加油站储罐区进行了爆炸事故伤害模拟，提出了计算较严重伤害的伤害半径的方法；党宏斌等[3]研究了加油站储罐的爆炸和池火灾的定量分析。但大部分研究关注点都在加油站储罐，少有针对加油站内便利店火灾进行的研究。目前，在加油站内开设便利店的情况较为普遍，加油站内便利店的火灾危险需受到重视。对加油站便利店进行火灾模拟可得到不同时间下温度、烟气浓度等参数，以此为依据可研究其火灾发展规律，选择更好的火灾应对措施,为性能化评估提供依据。

FDS 是由美国火灾科研机构 NIST 开发的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。FDS主要运用质量守恒、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来预测各种气体和烟雾的生成，模拟各种火灾形式，广泛应用于火灾科学研究等领域[4]。本文采用FDS 数值模拟研究了加油站便利店火灾引起的温度、烟气层高度变化、能见度变化规律及对人员安全疏散的影响，通过烟气扩散模拟观察烟气蔓延顺序，得到无火灾报警设备情况下人员识别火灾信号的时间；通过在主要疏散路线上设置的温度、烟气层高度和能见度测点数据比较不同条件的疏散路径达到安全疏散危险临界条件的时间，给出选择更优疏散路径的建议；针对安全问题提出改进措施。

1　火灾数值模拟

1.1　加油站便利店火灾模型构建

根据某加油站便利店的平面设计图，利用 Pyrosim软件建立加油站物理模型，如图1、图2所示。加油站便利店总建筑面积为22.5 m×8.7 m，高度为3.5 m，包含便利店主体、站长办公区、公用洗手间、储藏间、配电间与发电间。其中，站长办公区、公用洗手间和储藏间都与便利店主体联通并共用大门，配电间与发电间不与其余区域联通。大门高度为2.5 m，其余门高度为2.2 m。为简化模型，所有窗户设为关闭，所有门设为完全敞开。

图1　某加油站便利店平面设计Fig.1　Level arrange of a gas station convenient store

图2　某加油站便利店模型Fig.2　Simplified model of a gas station convenient store

1.2　计算网格划分

在应用 FDS 进行火灾模拟计算时，首先要设定一个计算区域，对计算区域进行网格划分，然后在这个设定的区域内设置火灾场景。在FDS中，网格划分需要遵循一定的规则，在每个方向上划分的网格数应该满足2U×3V×5W,U，V和W均为整数。例如,12=22×3，60=22×3×5,12和60是能使模拟稳定运行的网格数；而 13和17这种数字不可拆分成此种形式，故以此为划分的网格数进行模拟时，会导致模拟运算的不稳定[5]。

对于网格尺寸，美国核管理委员会(NRC)验证了火灾特征直径D应该与网格尺寸d的比值应该在4～16之间。火灾特征直径D由式(1)表示[4-6]：

(1)

式中：Q为热释放率，kW；ρ∞为环境空气密度，kg/m3，常温常压下取值1.29；T∞为环境温度，K，取常温293 K；g取9.81m/s2；Cp为空气定压比热，kJ/kg·℃，取值1.005。

对于热释放速率Q，美国NFPA92B中建议零售商店火灾单位面积热释放速率为500 kW/m2[7]，本文火源面积为2 m×0.5 m，因此最大热释放速率QMax=500 kW。其热量释放速率由式(2)表示[7-9]:

(2)

式中：t1为达到最大热释放速率的时间，s。非阻燃泡沫塑料、包装材料、垂直堆放的纸板或塑料箱的火灾增长类型为超快速，商店柜台为中速。综合考虑，将货架起火设定为快速火,α=0.046 89[9],热释放速率Q于t1=103.26 s达到稳定峰值QMax。由公式(1)计算可知，火灾特征直径D=0.727 m。综合考虑模拟精度与计算难度，便利店模型在x，y，z方向网格划分数分别为192，75，30，共计432 000个单元格。每个单元格尺寸为0.12 m×0.13 m×0.12 m。

1.3　火灾场景设置

1.3.1火源设置

便利店火灾主要为货架起火，对人员伤害主要是火灾引起的高温和烟气伤害。便利店内存在多个货架，在非人为纵火情况下多货架同时起火的概率不大，不同地点货架起火导致的区域温度和烟气浓度升高情况各不相同。如图1所示，店内有编号a～j共7个货架。通过分析，a点发生火灾对于便利店大门左侧人员疏散影响较大。基于性能化评估考虑最糟糕情况的原则，将a点设为火源。货架长1.6 m，宽0.8 m，第1层高度0.4 m，第2层位于高度1.0～1.5 m之间，a点货架与相邻货架b，e分别相距2.3，2.1 m，在第1层有2 m×0.5 m的燃烧区域，货架模型如图3所示。

图3　货架简化模型Fig.3　Simplified model of shelf

1.3.2模拟火灾时间

考虑到便利店疏散路线长度在几十米内，人员疏散速度在1.4 m/s左右，为节约模拟时间，本次模拟火灾时间设为400 s。

1.3.3测点设置

由可视化烟气扩散模拟结果可以直观地观察烟气地产生和蔓延情况，而要得到精确的结果则要在便利店内设置热电偶、烟气层高度测量装置和能见度测量器材，在疏散路线A和B上以1 m为间隔设立A1～A6，B1～B7等探测点(见图1)。在探测点上设置温度、烟气层高度和能见度测量装置。

2　模拟结果与分析

2.1　烟气扩散模拟

图4是烟气扩散模拟情况。通过烟气扩散模拟可以观察烟气蔓延顺序，在无火灾报警设备情况下，认为人员获得火灾信息的时间为观察到明显烟气和火光的时间。从图4可以看出，第10.2 s开始可以观察到a点货架有较明显的烟气生成，烟气在浮力作用下积聚于便利店顶端；第64.8 s开始可以观察到基本布满顶端的烟气进入相邻的储物间、办公室和卫生间前的洗手间；第107.4 s开始可以观察到有明显的烟气进入卫生间。可以观察到卫生间最晚受到货架火灾产生的烟气影响，但同时这也意味着位于卫生间的人员在未收到外部信号的情况下最晚识别到火灾信息。如果仅凭视觉观察，在起火后107.4s才能在卫生间内观察到烟气进入。此时在卫生间与便利店出口间的疏散路径已经被烟气笼罩，影响到人员疏散，因此这部分人员能否安全疏散成为本次研究的重点。

图4　店内烟气扩散情况Fig.4　Smoke spread in the store

2.2　动态升温过程模拟

此次模拟选用的a点火源主要影响到图1中A，B这2条疏散路径。为观察火灾场景中温度动态变化过程，在模型x1=6.5 m，x2=8 m，y1=2.2 m，y2=4.8 m，z=2 m处采集切面温度变化,切面位置如图5所示。

图5　切面位置Fig.5　Slice distribution

纵向温度切面模拟结果如图6～7所示。高温对人员健康危害受个体差异影响，一般推荐的短时间脸部暴露的安全温度极限范围为65～100℃[10]，取65℃为危险临界温度，图6中黑线部分为65℃等温线。从图6可以看出，纵向上在火源作用下生成高温烟气并形成火羽流上升，上升至天花板后形成顶棚射流，沿顶棚运动；顶部靠墙位置高温层较厚，说明高温烟气由火源上升至顶棚后向四周扩散，遇到墙壁阻隔后在墙角积聚。这一结果与文献研究结果相符[11]。切片x1，y1中火源邻近区域65℃等温线高度明显较低，说明该区域受到火源的影响，温度提升较快；切片x2，y2上温度升高较为均匀缓慢，说明远离火源区域温度的提升主要由高温烟气在顶部的稳定积聚引起。

图6　纵向温度切片Fig.6　Longitudinal temperature slice

从动态升温过程模拟来看，火灾造成便利店内温度升高的规律为：火源附近首先形成高温区域；高温烟气在上方积聚，因此温度随高度升高；同等高度下四周靠近墙壁区域温度高于中央区域。疏散路线A由于靠近火源且靠近墙壁，温度上升较快。从温度切片观察火源对相邻货架的影响，在130 s时相邻货架温度在65℃左右，低于大部分货物燃点，因此不会引燃邻近货架的货物。取路线A，B上采样点温度，温度变化如图8所示。

图7　z=2 m处温度切片Fig.7　Temperature slice when z=2 m

图8　2 m高度温度变化Fig.8　Variation of temperature on 2 m

疏散路线A在82 s后即有区域的温度达到危险温度；疏散路线B远离火源与墙壁,则温度上升相对较慢且均匀。可以看到在火灾发生121 s时在2 m的高度下温度低于65℃。从温度影响来考虑，选择了疏散路线B的人员需要在121 s内完成疏散。

2.3　烟气层高度变化模拟

火灾发生时会产生大量的烟气，积聚在火灾场景上方并形成烟气层影响人员疏散。研究表明[12-13]，烟气层高度低于2.5 m时，人员疏散受到影响；高度低于1.5 m时，人员基本无法疏散。根据模拟采样得到烟气层高度如图9所示。

图9　烟气层高度变化Fig.9　Variation of smoke layer height

可以看出在路线A上离火源较近的A2点在20 s左右即有烟气层高度在1.5 m左右波动，38 s以后，大部分烟气层高度低于1.5 m，未疏散人员安全得不到保障。路线B由于远离火源和墙壁，烟气层发展较慢且稳定，到86 s以后烟气层高度低于1.5 m，未疏散人员安全得不到保障。

2.4　环境能见度变化模拟

环境能见度也是影响人员安全疏散的重要指标。考虑到加油站便利店人员流动性大的特点，人员基本是在陌生环境中疏散，环境能见度过低会影响人员寻找疏散路径，降低行走速度；烟气中刺激性气体也会对人身体产生影响，延缓甚至阻止人员疏散。现有的一些研究[14-15]认为对于大多数完全燃烧产生混合烟气刺激物的浓度换算为烟气光学密度后低于ρOD=0.2 m-1，基于对火灾烟气刺激性的考虑，推荐将它作为短距离疏散烟气光学密度的耐受极限，换算成能见度为5 m，低于此能见度会有一定比例的人员选择折返。根据模拟采样得到能见度变化如图10所示。第43 s路线A能见度下降到5 m，下降过程伴随着明显的数据波动。路线B上能见度变化较为稳定，85s以后路线B的能见度低于5 m。

图10　能见度变化Fig.10　Variation of visibility

观察对比靠近火源的路线A上与远离火源的路线B上温度、烟气层厚度和能见度的变化，可以发现路线A上相关指标变化速度快于路线B，且相关指标有剧烈的波动，路线B则变化地更加缓慢稳定。这种现象是由于路线A靠近火源和墙体区域，高温烟气浓度上升速度较周围快，更快地导致温度、烟气层厚度和能见度的变化；同时烟气浓度、温度与周围差距较大，烟气扩散到周围的速度和与周围环境热交换的速度快，该区域扩散的热量与烟气多于补充，造成数据变化波动的现象。而路线B处于开阔地带，有更稳定的烟气积累过程，所以该区域相关数据变化稳定。

2.5　人员安全撤离时间

将以上以“安全撤离”为目标的性能化判定指标汇总，如表1所示。表1表明，选择了靠近火源和墙壁的疏散路线A的人员需在38 s内完成撤离；而选择了疏散路径B的人员在85 s内可以安全撤离。

表1　安全撤离性能化指标

由烟气扩散结果，最内侧人员能观察到烟气的时间为107.4 s，这表示无论选择路线A还是路线B，所需的最晚安全完成撤离时间都小于最内侧人员独立收到火灾信号的时间，因此，等到他们能独立意识到发生火灾需要撤离时已不能保证安全撤离。

为保证安全疏散，可以从以下方面进行改进：改变设计，将卫生间出口设在店外；在不改变设计的前提下，可以通过加装火灾报警设备来缩短人员从火灾开始到开始疏散的时间。

3　结论

1)在没有安装火灾报警系统的情况下，被隔断的设施会造成设施内人员在便利店发生火灾后独立接收火灾信号的时间增长，不利于及时疏散。建议在设计时将卫生间等被隔断的设施出口设在便利店外；如果在不改变设计的前提下可以安装火灾报警系统，缩短从火灾发生到人员接收火灾信息时间。

2)火源附近温度上升，烟气层增加和能见度下降速度都明显高于其他远离火源区域；高温烟气在上方积聚，温度随高度升高，能见度随高度升高而减小；相同高度下靠墙位置温度升高速度与能见度减小速度快于开阔区域。因此，疏散时判断火情，选择合理疏散路线可以显著延长安全疏散时间。

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