秦皇岛市某仓库三种火灾蔓延等级下火灾特性的数值模拟研究

祁祖尧，房贤仕，李 倩

(1.中国城市规划设计研究院，北京 100044；2.东北电力大学能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

火灾已经成为全球公认的灾害现象之一[1].当火灾发生时，会产生大量的热，并释放一些对人体有害的燃烧产物.在城市规划的过程中，工厂以及易燃易爆品应预先估计一个安全的范围，这样才能最大限度地减少火灾对周围居民的影响.对于火灾的研究，目前主要分为两类：一类是通过实验来进行数据采集并分析，另一类则是通过计算机进行数值模拟研究.实验研究耗费大量的人力物力，而且受场地等因素的影响，无法多次进行不同情况下的实验.因此，对于火灾而言，数值模拟是更为合理的研究方法.

袁东升等[2]模拟了老旧商场不同火源点发生火灾时温度与内部烟气流动情况，发现火源点对于温度和烟尘会有影响，火源点距离出口较远时，出口温度变化与烟尘对于人员疏散影响较小；火源点距离出口越近，空气流动更剧烈，出口温度和烟尘瞬间剧烈上升，为不同火源点发生火灾时的人员疏散提供了理论方案.丁厚成等[3]模拟了高层建筑火灾过程中烟气流动特性，发现烟气流动速度和火源的热释放速率有直接联系，适当控制火源的热释放速率可以为疏散提供更多的时间.杨东等[4]采用有限体积法分析了货舱底部发生火灾后温度场和气体非稳态扩散的规律，火灾条件下气流的流动呈现“天花板喷流”现象，污染物气体从顶部背离火源方向扩散.张红虎等[5]模拟了剧场火灾时烟气的发展过程，分析了不同排烟方式下的排烟效果，结果发现随着排烟口面积减小，高浓度烟气层会抬升，垂直分布会变明显，为排烟设计提供了参考依据.刘谦[6]模拟了工厂内部火灾时的烟气流动，结果表明：能见度对人员可用安全疏散时间影响最大，对工厂的布局提出了建议.李志明[7]数值模拟地铁盖下建筑发生火情时温度场及烟气流动规律，发现防排烟系统可以有效延缓烟气沉降速度，增加可用疏散时间.尹肖莹[8]开展了棉花仓库火灾模拟，发现火源位置对火灾发展影响较大，中间位置较拐角处更易发生蔓延.王露宁等[9]采用FDS模拟软件对青岛市某地铁站台火灾进行模拟，分析了不同通风窗开启模式对烟气分布、温度、CO浓度和可见度的瞬时演化影响，给出了火灾发生后6 min内较优的通风窗开启模拟.Vermesi[10]用多尺度建模的数值模拟方法解决了长隧道火灾较大范围的数值模拟问题.Tlili[11]使用Fluent软件模拟了室内火源位置对出口、入口处的流场和质量流率的影响规律，发现热源的高度位置对温度场有较大影响.Huang[12]使用FDS软件模拟了某餐厅的火灾事故，分析了特定火灾事故中热辐射及烟雾对人体的危害，给出了一种量化火灾风险的方法.

当前针对火灾已开展了大量的数值模拟研究，但主要集中在不同影响参数下的室内火灾模拟，分析室内温度场分布和烟气流动特性.而建筑物发生火灾后，室外风速对建筑物外温度场分布和烟气流动特性的影响研究较少.本文针对秦皇岛市某仓库进行现场调研，据此结果构建火灾模拟的计算模型.采用Fluent软件对中等、快速和极快三种不同火灾蔓延等级下的仓库火灾进行数值模拟，综合考虑了不同风速下不同燃烧等级发生火灾后温度与燃烧产物(CO、CO2)的影响范围，为未来周围土地建设与开发提供技术参考.

1 仓库模型及求解

1.1 物理模型

本文模拟的计算模型是针对秦皇岛市某仓库实地调研情况进行等比例建模，如图1所示.图中有两个仓库，仓库1模型尺寸：X×Y×Z= 30 m×5 m×10 m；仓库2模型尺寸：X×Y×Z= 15 m×40 m×5 m.周围空气流域各方向长度均大于10倍仓库尺寸，忽略了计算模型边界的影响.室外风来流作为流场入口，区域顶部及下游作为流场出口，红色为释热面.

图1 模拟计算区域示意图

1.2 数学模型

当仓库发生火灾时，产生的烟气会因密度差的影响进行流动与扩散.控制方程符合质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及组分质量守恒方程.具体方程如下：

(1)质量守恒方程

(1)

公式中：ρ为空间内流体密度；t为时间；Ui为不同方向上的平均速度(i=1，2，3).

(2)动量守恒方程

(2)

公式中：τij为应力张量；P为平均静压；Fi为i方向上的外部体积力，包含了其它的模型相关源项，如多孔介质和自定义源项等.

(3)能量守恒方程

(3)

公式中：T为温度；k为流体的传热系数；cp为比热容；ST为粘性耗散项.

(4)组分质量守恒方程

(4)

公式中：Cs为s组分的体积浓度；Ds为s组分的扩散系数；Ss为单位时间里s组分质量的变化.

1.3 求解条件的设置

在数值模拟过程中，采用非稳态求解，同时考虑重力的影响.需要研究温度场和烟气流动特性，数值中启动能量方程和组分输运模型，同时考虑到烟气高温特性，采用P1辐射模型[13]；湍流模型采用标准k-ε模型[14].选取室外风来流上游作为入口，采用速度入口边界条件，根据不同工况设置入口速度为1 m/s、2 m/s和3 m/s，入口温度为25 ℃；选取区域顶部及下游作为出口，采用压力出口(相对压力，0 Pa)；操作压力101 325 Pa，环境温度为25 ℃，环境中CO浓度为0，CO2浓度为350 ppm；仓库各面为释热面，不同等级对应的单位面积的平均热释放速率分别为100 kW/m2(中等)、300 kW/m2(快速)、800 kW/m2(极快)[15]；火灾所产生的CO和CO2的浓度分别为60 000 ppm与35 000 ppm[16]；根据消防时间15 min[16]设置非稳态模拟的计算时间.

1.4 网格划分及计算工况参数设置

综合考虑计算时间与最终的模拟结果，对极快燃烧等级、室外风速为3 m/s进行了数值模拟计算，开展网格无关性验证.选取10万、30万、50万、70万和90万，五套不同的网格，监测了距离火源中心高度为50 m的温度值，如图2所示.当网格数达到50万以后，所监测点温度与CO质量分数基本不再随网格数增加发生显著变化.因此，本文模拟采用50万作为最终计算网格，满足模拟时间和精度的要求.

图2 网格无关性验证

火灾发生过程中会受燃烧物种类和数量等自身因素的影响，可以将火灾分为中等、快速、极快三个不同燃烧等级，同时火灾在发展过程中也会受到风力的影响.为了模拟不同情况下的火灾发展及影响，设计了五种模拟工况，如表1所示.

表1 模拟工况

Case1、Case2和Case3采用定值的室外风速，模拟对比中等、快速、极快三个不同等级燃烧时的影响规律.Case3、Case4和Case5保持燃烧等级相同，模拟对比不同室外风速对燃烧的影响规律.结合气象局所给出当地1990年～2019年气象参数，选择室外最大风速为3 m/s.

2 燃烧等级对火灾的影响

2.1 不同燃烧等级对温度的影响

在火灾人员疏散过程中，火灾烟气温度不得超过100 ℃，短时间内面部暴露在空气中的安全温度范围在60 ℃至100 ℃[18].因此把65 ℃作为本文参考的安全温度值，即当温度大于65 ℃的区域为危险区域.Case1、Case2和Case3则采用相同的进口风速，根据调研情况模拟了三种不同的燃烧等级下火灾的情况.900 s时Z=1 m平面处的温度场如图3所示.发现，火灾影响范围基本都呈现出椭圆形分布，这与火源长方形区域分布特征相符合.结果显示：中等等级下的最大影响直径为90 m，快速等级下最大影响直径为97 m，极快等级下最大影响直径为105 m.

图3 不同燃烧等级下900 s时Z=1 m平面处的温度场

图4 不同火灾等级下，火灾的影响范围随时间的变化

为了更加直观地获得具体的影响面积，在CFD-Post中通过Iso Clip计算了该平面温度高于65 ℃的面积，结果如图4所示.从图4中可知，火灾的影响范围随时间的推移不断增大，同时增长速率也有所增大.而随着火灾等级的提高，影响面积也显著增大.900 s时，中等等级下的影响面积为28 934 m2，快速等级下的影响面积为30 125 m2，极快等级下的影响面积为35 037 m2.

2.2 不同燃烧等级对CO流动的影响

伴随火灾产生的CO对人体也有很大的影响.据调研，当CO的质量分数大于0.000 14时对人体产生危害[19]，因此本文将CO质量分数0.000 14作为参考指标.当CO质量分数大于0.000 14时认为为危险区域.图5给出900 s时，不同燃烧等级下，流场中心处的流动截面处的CO质量分数分布.可见，在烟气上升和风力的共同作用下，CO在不断上升的过程中逐渐向下游流动，并随着CO的不断扩散，在下游的CO影响范围逐渐扩大.结果表明，中等燃烧等级下的最大影响直径为200 m，快速燃烧等级下的最大影响直径为235 m，极快燃烧等级下的最大影响直径为280 m.虽然产生危害的气体全部流出流体域，但最大直径还是发生在较低平面，因此认为60 m高度足以分析不同燃烧等级下的最大影响直径.

图5 不同燃烧等级下900 s时，流场中心处的流动截面处CO质量分数

2.3 不同燃烧等级对CO2流动的影响

过量的CO2对人体同样也是有危害的.当CO2质量分数达到0.000 6时，可使人达到半致死的状态[14].因此将0.000 6作为CO2质量分数的参考指标.图6给出900 s时，不同燃烧等级下，流场中心处的流动截面处的CO2质量分数分布.可见，中等燃烧等级下的最大影响直径为16 0m，极快燃烧等级下的最大影响直径为200 m，快速燃烧等级下的最大影响直径为240 m.随着火灾等级的提升，CO2影响距离显著增加.

图6 不同燃烧等级下900 s时，流场中心处的流动截面处CO2质量分数场

3 室外风速对火灾的影响

3.1 室外风速对温度的影响

图7为同一时刻不同室外风速下的Z=1 m处的温度场.风速对于火灾温度的影响比较明显，风速越大影响的范围越大.当风速为1 m/s时，最大影响直径为70 m；当风速为2 m/s时，最大影响直径为85 m；当风速为3 m/s时，最大影响直径为105 m.此外，三种不同燃烧等级下，影响直径分布均为椭圆形.

图7 不同风速下900 s时Z=1 m平面处的温度场

图8给出了室外风速1 m/s、2 m/s和3 m/s下，300 s、600 s与900 s时火灾的影响范围.可知，在900 s时，风速1 m/s时的影响面积为28 424 m2，风速2 m/s时的影响面积为29 454 m2，风速3 m/s时的影响面积为30 125 m2.

图8 不同室外风速下，火灾的影响范围随时间的变化

3.2 室外风速对CO流动的影响

相比燃烧等级，风速对于CO的影响是十分显著的，如图9所示.风速较小时，CO随着周围温度的升高而向上流动，随着风速的增加，CO的流动与风速密切相关，在向上流动的同时还伴随着沿风流向的运动.风速3 m/s对CO质量分数在水平方向分布的影响十分明显，最大影响直径为280 m，风速2 m/s时的最大影响直径为200 m，风速1 m/s时的最大影响直径为140 m.

图9 不同室外风速下900 s时，流场中心处的流动截面处CO质量分数

3.3 室外风速对CO2流动的影响

风速对于CO2的影响与CO相似，如图10所示.当风速为1m/s时，最大影响直径为120 m，受风速影响较小，大部分CO2向上流动，两仓库产生的CO2部分混合，小部分在风的影响下，向下游流动；当风速为2 m/s时，最大影响直径为170 m，此时部分CO2跟随主导风向开始流动，大部分CO2在风的影响下混合；当风速为3 m/s时，最大影响直径为240 m，CO2的流动范围较大，两仓库发生火灾时所释放出的CO2在室外风的影响下共同流动.

图10 不同室外风速下900 s时，流场中心处的流动截面处CO2质量分数

4 结 论

基于Fluent软件数值模拟不同燃烧等级和风速下仓库火灾特性，分析了不同时刻下温度、CO质量分数和CO2质量分数分布特性，获得了以下重要结论：

(1)相同室外风速条件下，随着燃烧等级的提升，影响范围显著增大；

(2)相同工况下，室外风速增加将增大火灾的影响范围，但温度影响面积的增加较为缓慢，烟气影响面积的增加则较快；

(3)温度在风速的影响下仍呈现出往四周扩散的趋势，而烟气将沿着风向下游流动；

(4)相同工况下，温度的影响范围均小于烟气的影响范围，应根据烟气的影响范围来确定消防疏散区域；

(5)综合考虑温度、CO和CO2三种因素，结合秦皇岛地区的室外气象参数，当风速为3 m/s时，该仓库在极快燃烧等级下的最大影响直径可达280 m.