古建筑火灾数值模拟浅析

帅建强

摘要：古建筑多为木结构，存在耐火等级低、火灾荷载大、扑救困难等特点。本文通过场模拟软件进行数值模拟分析，研究古建筑内火灾的发展规律，合理地布置火灾探测装置，及时探测火灾，抑制火灾于萌芽状态，对保护古建筑具有十分重大的意义。

关键词：古建筑;火灾;数值模拟

古建筑是指古人遗留下来的距今有较长历史年代且具有历史价值的寺院、庙宇、宫殿、楼阁、古塔、宅院等建筑物。多为木结构，存在耐火等级低、火灾荷载大、扑救困难等特点。本文利用计算机场模拟软件FDS对古建筑进行模拟分析，对古建筑内火灾温度、热流量变化及烟气流动规律进行研究。

一、火灾场模拟计算方法

火灾场模拟的基本原理是将模拟空间划分成许多微元控制体，以微元控制体为基本单元，假设在同一时刻内每个微元控制体内各种物理量（温度、压力、速度、密度等）的值是相同的。每个控制单元内，根据质量守恒、动量守恒、能量守恒和化学反应定律建立描述火灾过程的控制方程组。为了能够从整体上求解火灾过程，必须建立火灾各主要分过程的理论模型，如受浮力影响的湍流模型、湍流燃烧模型、辐射换热模型和炭黑模型等，从而使场模拟的方程组封闭。最后计算出不同时刻每个微元控制体内各种物理的值。FDS由NIST定期发布，由于其功能强大，模拟结果可靠性以及获取方便，目前已被越来越多的业内人士认可并采用。

二、模拟场景设计

本文选取某县一古建筑塔为研究对象。该塔为木结构建筑，其中二層层高8.84m，内外两槽立柱为承重结构，内槽立柱5根，外槽立柱24根，以木板及木质门窗为围护结构，底部为木质甲板，顶部有大量的木质梁枋结构，发生火灾的可能性最大，并且除了首层以外，二层承担着以上各层的重量。因此，本文以木塔二层为研究对象，对其进行火灾数值模拟，二层平面图如图1所示：

整个火灾模型为一个区域，区域尺寸为23m×23m×10m，网格大小为0.25m×0.25m×0.25m。整个模型由几个实体部分组合而成，底板为正八面体，边长9m，厚0.25m;模拟时间为1600s。火源位于梁2（L2）的正下方，两个感温探测器位于顶棚上，坐标为：Y1（0.00，2.50，9.00），Y2（0.00，7.50，9.00）。靠近火源的两根柱上沿高度方向上布置了热流量探测装置，模型如图2所示：

三、建筑火灾烟气及温度的变化规律

设定火源以中速火发展，在沿火源和中心线上布置了两个感烟探测器，火灾初期烟气的流动状况如图3所示为180s后室内烟气的状态。

由图3可知，火灾初期，烟气由地面木板燃烧产生，并垂直上升到顶板，然后沿顶板水平流动，在此区域形成顶棚射流，当水平烟气遇到墙壁后会沿来流的方向逆流，以此规律流动，烟气逐渐充满整个房间。180s后烟气的厚度约为3.5m。

（二）火灾温度场分析

图4所示为L1、L2处的温度随时间的变化率。由图可知室内最高温度可达1000℃，火灾由室温以近似于正切函数增长，大约在700s时达到最高温度。梁1的最高温度可达1000℃，梁2的最高温度可以达到950℃，随着燃烧的进行，室内氧气不断消耗，受通风口的限制，火灾在800s后开始衰减，1050s后温度维持在一个较稳定的值约为170℃。感温探测器的响应温度为68℃，由图4可知：梁1下的感温探测器的响应时间为135s;梁2下的感温探测器的响应时间为170s。故感温探测器的响应时间明显滞后于感烟探测器的响应时间，并且感温探测器的响应时间较长，不能够起到快速报警的目的。梁1中心处木材在392s后达到260℃（木材开始热解温度），梁2中心处在410s后达到260℃。如果以表4.1所列的温度作为木材的着火温度，取430℃，则梁1与梁2被引燃的时间分别为430s和500s。所以梁1先被引燃。

图5为700s时x=0处的温度切片，由图可知，室内温度在700s时，高温沿火源垂直方向分布，在火源的正上方顶棚处能量不断地集聚，温度最高，距地面约1.5m以下，温度在100℃以下，火源以外的其他区域，沿高度方向由下自上，温度逐渐升高，顶棚处温度最高。由图6可知：700s时，260℃的等温面沿高度约6m的位置分布。对应的以上高度方向的维护木结构发生热分解。

四、结语

本文通过建立古建筑的火灾模型，根据火灾荷载确定了火源的热释放速率按中速火进行火灾的初期模拟。通过模拟发现：古建筑内烟气到达顶棚后，沿水平方向贴着顶棚流动，遇到障碍物后，又沿原路径贴着上层烟气回流。在火源上方及出口处都有射流现象。在垂直面内，温度沿高度方向上由上向下呈递减趋势;在水平面内，离火源由近及远，温度也呈递减趋势。并由模拟的数值参数可知，室内的最高温度达1000℃以上。沿柱高度方向上，表面接收到的最大热流量随高度的增加而增加。同时，中速火源的发展由初期的燃烧控制转变为通风控制。最后室内维持在一个缓慢的阴燃阶段，和实际情况有所区别，如果在此情况下，通过额外通风口（由于将木质维护结构烧穿）的补风，室内积聚的大量可燃气体遇到新鲜空气后形成的预混气体被部分高温木炭引燃，就会发生回火的现象。因此在灭火时如果遇到此种问题，一定要妥善处理，以免造成人员伤亡。