基于FDS的不同排烟模式下餐馆火灾数值模拟

陈拓其，张玉涛，刘宇睿，刘 瑞，杨 勇，钟凯琪

(1.榆林职业技术学院 矿业工程系，陕西 榆林 719000；2.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)

0 引 言

随着中国经济和社会的进步，餐饮服务业得到了迅速发展，而厨房是餐饮行业高火灾风险区域之一。由于厨房里大量使用不同类型的燃料如液化石油气等，而且油烟管道系统里常常积累易燃的油垢，导致厨房火灾荷载和风险较高[1]。近年来国内、外酒店和餐馆厨房火灾事故频发[2]。2012年6月，贵州某县城假日酒店厨房因食用油倾倒引燃起火，导致两死多伤；2013年1月21日，北京市顺义区某饭店因用火不慎引起火灾，烧毁建筑面积790 m2，直接受灾户达14户；2016年2月16日，西班牙马德里南部Parla市某中餐馆厨房发生火灾，大量浓烟造成4人CO中毒[3]。厨房火灾发生频率较高且后果严重，应重点关注。

由于火灾实验是破坏性的，且全尺寸实验成本高、耗时长、危险性大，甚至不具有可行性，而运用数值仿真软件模拟火灾过程是一种可行的研究方法[4]。目前，国内外使用较为广泛的建筑火灾仿真模拟软件是FDS，很多学者采用该软件对火灾特性进行了研究。如Ji和Xu等人利用FDS模拟研究了不同倾斜角度和通风风速对隧道火灾发展的影响，得出了隧道倾角和烟气流动的关系以及隧道火灾最佳通风速率等结论[5-6]；Tlili和Gao等人利用CFD模拟研究了不同顶部结构建筑的火场温度及流场变化情况[7-8]；Lu等人利用FDS模拟研究了飞机货舱在不同通风环境下的火场发展情况[9]；Liang等人利用FDS模拟研究了细水雾和横向通风系统(WMSTV)对隧道火灾的影响，结果表明WMSTV系统能在隧道火灾中创造更安全的环境[10]。单桂薇和刘勇等对酒店火灾进行数值仿真模拟分析，分析了酒店发生火灾时烟气运动、温度分布和能见度的变化规律[11-12]；杨云春等利用FDS研究了高层建筑最佳组合烟气控制模式[13]；姚浩伟等对某大型餐厅不同火源位置的火灾危险性进行了模拟研究[14]；周榕等利用FDS对2种火源功率下的大空间仓库火灾过程进行了研究[15]；赵江平和余明高等人利用FDS软件研究了建筑火灾场景中烟气蔓延规律[16-17]；马砺等人利用FDS对不同排烟模式下的地铁火灾烟气蔓延进行了研究[18]。

针对厨房火灾，采用火灾动力学模拟软件，对火灾的发生和蔓延状况进行数值分析，研究火灾温度、能见度、CO浓度等随时间的变化规律，有助于人们认识厨房火灾的发生和发展过程，为厨房火灾的防排烟系统设计和人员安全疏散等提供参考。

1 火灾模型建立

采用FDS软件对餐馆厨房以1∶1尺寸建立模型，进行相关数值模拟计算，具体火灾模拟的流程如图1所示。首先，根据厨房的实际几何尺寸建立模型；其次，根据厨房火灾的发生位置确定火源位置，本研究确定以炒锅位置为火源点，并设定火源的功率和火场条件；然后，根据实际需要在一些重点关注位置布设测点，以测定温度、CO浓度、能见度等火灾参数。最后，进行火灾过程模拟和分析。

图1 FDS火灾模拟流程
Fig.1 FDS fire simulation process

1.1 建筑物概况及模拟工况设置

火灾模拟研究对象为一单层餐馆，其中使用面积为816.8 m2，层高3 m，长54 m，宽18 m.根据本建筑的实际尺寸，设定每个网格的大小为0.5 m×0.5 m×0.5 m，总计网格数量为23 328个[19]。建筑顶部设置排烟口共12个，大小为0.6 m×0.6 m.餐馆内设有餐饮区、雅间、员工休息区、储藏室、卫生间，其中摆放的桌椅均为带漆的松木。

由于本文主要探讨厨房火灾的发生和蔓延情况，故将火源位置设定于厨房烹饪位置处，并分别对自然排烟和机械排烟条件下的火灾烟气蔓延规律进行研究。室内初始温度为20 ℃，环境压力为一个标准大气压，空气密度为1.205 kg/m3.根据《建筑防排烟系统设计规范》要求，对于建筑面积小于等于1 000 m2的公共建筑的室内场所，其排烟量不应小于60 000 m3/h[20].经计算，机械排烟风速设定为3.86 m/s.

火源功率是火灾发展速度的重要影响因素。研究表明，食用油在着火后自由发展情况下的最大热释放速率为0.5 MW[21]，带漆的松木的平均热释放速率为99.7 kW/m2[22]，由餐厅厨房的布置情况，得出餐厅内桌椅的热释放速率为2.9 MW，最终确定厨房火灾时的最大热释放速率为3.4 MW.设定火源面积为1 m×1 m，CO的生成率为0.2.采用t2火模型进行模拟，火灾初期时增长系数为α=0.046 9 kW/s2，即在火灾发生269 s后达到充分燃烧，此时热释放速率达到最大值。

1.2 测点布置

FDS火灾模拟是通过布置测点以测量火情发展的各种参数，合理的测点布置可以有效监测火灾模拟过程中各个位置的温度、有毒气体浓度、能见度等指标变化情况，从而得出火灾的发展情况和人员的安全疏散时间。根据建筑物特点和火灾荷载情况，在建筑模型内部布置以下3种测点：温度测点、CO浓度测点、能见度测点，均设置在距离地面2 m高度处，其平面布置如图2所示。为研究厨房火灾温度变化，在厨房设置了温度测点1，以及厨房温度切面。在走廊设置了温度、CO浓度、能见度测点且其位置重合，测点4设置在厨房门口处，并以测点4为原点，在走廊东西每间隔5 m处分别设置测点，其中测点2，3，5，6分别距离厨房门处左侧10，5 m，右侧5，10 m.此外，在餐厅区域设置CO浓度、能见度测点7，8，9.

图2 各类测点布置及排烟口布置Fig.2 Layout of various measuring points and exhaust arrangement

根据参考文献，人员疏散的“准安全区”需同时满足以下3个条件：①距离地面2.0 m高度处温度不高于60 ℃；②距离地面2.0 m高度处，能见度不小于10 m；③距离地面2.0 m高度处，CO浓度不大于5×10-4mol/mol.若以上任意一条不满足，则认为不利于人员安全疏散。

2 温度变化规律

2.1 厨房温度分布规律

火灾场景下，当环境温度高于60 ℃时，过热空气会造成人体呼吸系统损伤，可认为此时无法进行正常疏散。为了研究火灾场景中厨房的温度变化，在厨房设置通过疏散门中轴线的温度切面，切面位置如图2所示。

自然排烟的情况下的火场温度分布如图3所示。可见，在火灾发生80 s时，厨房内靠近火源的部分区域温度达到60 ℃.在110 s时，切面表明厨房内大部分区域温度达到60 ℃，且高温区域面积较80 s时有了急剧扩大。当火灾发生到170 s后，疏散通道绝大部分截面上部的温度均已超过60 ℃，人员已经无法从该处疏散，此时，火源房间疏散门处的温度为220 ℃左右。当火灾发生269 s时，火灾进入稳定状态，火源房间内最高温度稳定在约420 ℃.

图3 自然排烟下火源房间温度变化Fig.3 Temperature change of kitchen under natural smoke exhaust

机械排烟情况下的火场温度分布如图4所示。在发生火灾85 s时，厨房内部开始出现60 ℃区域，即将影响人员正常疏散。在火灾发生130 s时，厨房门顶部最高温度为60 ℃，且高温区域面积较85 s时有了急剧扩大。当火灾发生到216 s时，疏散通道截面大部分的温度已经超过60 ℃，无法进行正常疏散，此时火源房间疏散门处的温度为220 ℃左右。当火灾发生到269 s时，火灾进入稳定状态，火源房间内最高温度为370 ℃.可见，机械排烟下的火灾发展较自然排烟有明显延迟，且最高温度下降了50 ℃，说明机械排烟能够有效抑制房间温度的升高，对火灾发展具有良好的抑制作用。

图4 机械排烟下火源房间温度变化Fig.4 Temperature change of kitchen under mechanical smoke exhaust

2.2 走廊温度分布规律

走廊作为疏散通道，是正常情况下人员安全疏散的必经之路。分析其温度和烟气发展状况，对保证人员能够在疏散时间内达到安全地点至关重要。根据前文分析，火源位于厨房时，疏散通道在很短的时间内温度就上升到人体承受极限60 ℃，人员疏散困难。在火源门口左右两侧±5，±10 m，竖直高度2 m处设置温度测点2，3，4，5，6，具体如图2所示。其中负值表示火源左侧，正值表示火源右侧，从而得到不同排烟模式下的温度分布，如图5(a)、(b)所示。

图5 火源位置周围温度分布Fig.5 Temperature distribution around the source position

根据图5(a)、(b)可知，在不同排烟模式下，温度的分布规律大致相同，距离火源位置越远，温度越低。对图5(a)分析可知，在火灾发生200 s时，走廊最高温度恰好达到60 ℃，说明整个走廊的温度在200 s之前还未达到人体极限温度，此时人员可以安全通过；300 s后，火场进入稳态，走廊最高温度为72 ℃.此时，在距离火源5 m处，温度达到了66 ℃，在距离火源10 m处，温度达到了55 ℃，故该时刻的危险距离大于5 m.根据图5(b)可知，在机械排烟模式下，温度的最高值为40 ℃，低于人体危险温度值60 ℃，最高温度与自然通风相比降低了44%.可知，在自然排烟模式下，火灾发生的200 s内，为可用安全疏散时间，被困人员应该充分利用火灾初期火势的特点，疏散到安全地区。机械排烟模式下，由于机械通风对火场的影响，走廊的温度始终处于安全范围。

2.3 总体温度变化规律

为研究火灾发生时，不同排烟模式下各个区域温度变化对人员疏散的影响，选取厨房、走廊和餐厅3个区域在自然排烟和机械排烟2种模式下的温度进行对比。火灾发展过程中3个区域的温度变化如图6(a)、(b)所示。

图6 厨房、走廊和餐厅温度分布Fig.6 Kitchen，hallway and restaurant temperature distribution

根据图6可知，随着火灾的发展，各个区域温度均升高，且在3个区域中作为火灾起源地的厨房温度最高。可以看出，2种排烟模式下，厨房烟气温度均超过250 ℃.火灾时，厨房工作人员极易受到高温烟气的伤害。

如图6(a)所示，在自然排烟模式下，餐馆发生火灾时，厨房和走廊的人均存在较大危险性。厨房在80 s时，温度达到60 ℃；走廊区域的温度在200 s时达到60 ℃，最高温度为83 ℃；而餐厅区温度持续在20 ℃左右，基本处于人员安全疏散温度范围之内。

如图6(b)所示，在机械排烟模式下，厨房于85 s时温度到达60 ℃，相比于自然排烟增加了5 s的疏散时间；而走廊与餐厅区域的温度在整个模拟时间里均低于温度危险值，走廊最高温度仅为35 ℃，与自然排烟模式相比，降低了48 ℃，处于温度安全状态。因此，机械排烟能很好地延缓火灾蔓延，且能为火灾场景下人员争取更多的逃生时间。

3 烟气蔓延规律

3.1 烟气蔓延概况

不同排烟模式下烟气随时间和空间的蔓延情况如图7和图8所示。由图7可知，自然排烟模式下发生火灾后，烟气由厨房向外扩散，65 s后烟气通过厨房门口进入走廊。火灾发生115 s后烟气扩散至走廊门；335 s烟气蔓延至整个餐厅，并向出口处扩散。因为餐厅区域有雅间、洗手间墙等阻隔物，其蔓延速度有所下降。而机械排烟模式下(图8)，发生火灾后，烟气由厨房向外扩散，65 s后烟气蔓延至整个厨房，但与自然排烟模式下相比，其烟气量较小。火灾发生115 s后烟气没有扩散至整个走廊，也未到达走廊门口；335 s时，烟气进一步蔓延，但并没有扩散到餐厅区域。通过对比图7(d)和8(d)可以看出，设有机械排烟系统的情况下，火灾时的烟气被控制在一定的区域之内，其餐厅区域的人员有充足的疏散时间，而仅仅靠自然排烟系统进行排烟的情况下，人员疏散将必须在短时间内完成。

图7 自然排烟模式下烟气蔓延规律Fig.7 Rules of smoke spread under natural smoke exhaust

图8 机械排烟模式下烟气蔓延规律Fig.8 Rules of smoke spread under mechanical smoke exhaust

3.2 CO浓度变化规律

火灾发生后，产生的有毒烟气中含有大量的CO，能够与血液中的血红蛋白结合，阻碍血液将氧送到身体的各个部位，造成人员缺氧死亡，这是火场中人员伤亡的主要原因。因此，人员疏散“准安全区”评价指标中规定烟气层CO浓度不应大于0.000 5 mol/mol.走廊和餐厅区域的CO浓度测点设置在距离地面2 m高度处，当该处CO浓度超标时，将会对人员疏散造成严重威胁。自然排烟和机械排烟模式下走廊与餐厅的CO浓度变化趋势分别如图9(a)和(b)所示。由前述分析知，机械排烟模式下烟气并没有进入餐厅，因此探测点7-9并未包含在图9(b)中。

图9 走廊和餐厅2 m高度处CO浓度曲线Fig.9 CO concentration at the height of 2 m

由图9(a)可知，自然排烟模式下，烟气在走廊区域蔓延时，CO浓度在152 s时达到危险浓度值0.000 5 mol/mol，此后CO浓度始终大于该数值。通过测点7-9可以看出，由于餐厅区域距离火源位置较远，最大的CO浓度值为0.000 34 mol/mol，未超过危险值。

根据图9(b)可知，机械排烟模式下，火源房间门口处的CO浓度于314 s时达到0.000 5 mol/mol，且CO浓度值波动较大，而走廊的其他位置并没有达到危险浓度。这是因为在机械排烟模式下，火源及火源房间门口的排烟口有效地排出了烟气，减少了烟气在走廊的聚积，从而为人员疏散争取了更多的宝贵时间，保证了人员的生命安全。

3.3 能见度变化规律

在火灾发生时，火场烟气的能见度严重影响着人员的疏散速度，一般认为当能见度小于10 m时，人员疏散就会受到影响。在走廊和餐厅布置间距为10 m的能见度测点，测得自然排烟和机械排烟2种模式下走廊与餐厅的能见度变化规律，分别如图10(a)、(b)所示。同样，由于机械排烟模式下烟气并没有进入餐厅，因此探测点7-9并未包含在图10(b)中。

图10 走廊和餐厅2 m高度处的能见度曲线Fig.10 Visibility curves at the height of 2 m

根据图10(a)可知，在自然排烟模式下，走廊区域探测点4处的能见度在火灾发生81 s后就下降到10 m，位于火源左右两侧10 m处即探测点2，6的能见度在火灾发生106 s时下降到10 m，能见度的危险区域在25 s内蔓延了10 m的距离，即水平方向的蔓延速度平均为0.4 m/s.对于餐厅区域(测点7-9)，因距离火源位置较远，能见度下降较为延迟，在火灾发生277 s后才开始出现能见度不足10 m的情况。

由图10(b)可知，机械排烟模式下时，走廊内烟气的能见度在100 s后下降到10 m(测点4)，火源房间右侧10 m处(测点6)能见度于224 s时下降到10 m，火源房间左侧10 m处(测点2)能见度于295 s时下降到10 m，能见度的危险区域在125 s内蔓延了10 m，水平方向的烟气平均蔓延速度只有0.08 m/s，大大延长了人员安全疏散的时间。

综合火灾发生时火场温度、能见度、CO浓度等因素，根据前面对“准安全区”的条件限定，走廊中任何一个火灾参数不满足“准安全区”的限定条件时，即认为人员疏散将受到影响。因此，应以上述所有限定条件所决定的安全疏散时间最小值作为火灾时的允许安全疏散时间。在本次火灾情况下，采用自然排烟模式时走廊允许安全疏散时间为81 s，机械排烟模式下走廊允许安全疏散时间为100 s，比自然排烟多19 s.可见，在机械排烟模式下，餐厅区域的人员有更多的时间逃生。

4 结 论

1)自然排烟模式下，火灾发生的前80 s内，火源房间内温度还未达到60 ℃，为最佳的灭火时间。在火灾发展135 s内，走廊的温度小于60 ℃.机械排烟模式下，火灾发生的前85 s内，火源房间内温度还未达到60 ℃，走廊上的温度在火场稳定之后依旧保持在35 ℃附近；

2)自然排烟模式下，火灾发生的前152 s内，走廊的CO浓度低于0.000 5 mol/mol，但此刻之后半分钟内整条走廊的CO浓度将突破危险数值。机械排烟模式下，火灾发生的前314 s内，靠近火源房间处走廊的CO浓度低于0.000 5 mol/mol，远离火源房间处CO浓度处于安全数值。餐厅区域的CO浓度在2种模式下均处于安全数值之内；

3)自然排烟模式下，火灾发生的前81 s内，走廊的能见度高于10 m，但此刻之后半分钟内烟气充斥整条走廊；火灾发生277 s后，餐厅区域能见度下降至10 m.机械排烟模式下，火灾发生的前100 s内，靠近火源房间处走廊的能见度高于10 m，危险区域扩散缓慢，此刻之后180 s才使走廊整个处于危险区域；而烟气没有扩散到餐厅处，餐厅能见度一直处于安全范围。