火灾蔓延规律

火灾蔓延规律（精选7篇）

火灾蔓延规律 篇1

近年来, 在建高层建筑火灾时有发生, 2009年央视北配楼火灾、2010年上海静安区高层居民楼火灾和2011年沈阳五星级皇朝万鑫酒店火灾, 在全国范围内引起较大影响。这三起特大火灾都与建筑外墙使用了易燃的聚苯乙烯泡沫保温材料有关。另一个特点是, 央视北配楼和皇朝万鑫酒店外墙除有保温层之外, 建筑物最外面还有金属和玻璃幕墙, 其与保温层之间存在着空气夹层;而上海静安区高层居民楼由于在节能工程改建中, 建筑四周被脚手架和安全网所包围, 也同样形成了空气夹层, 这种情形在新建高层的保温层施工时是普遍存在的。易燃保温材料的大量使用和空气夹层的存在, 使这些火灾从最初的局部燃烧快速发展到表皮燃烧, 并进一步引燃了室内可燃物, 最终形成火势凶猛的高层建筑立体燃烧。

为了再现和分析在建高层建筑外保温和脚手架的立体燃烧, 笔者以一幢在建的酒店式公寓楼为案例, 应用火灾动力学软件FDS进行火灾模拟。通过分析得到火灾蔓延规律、烟气扩散规律、温度场及能见度分布结果, 为火灾中的人员疏散、消防灭火和火灾后的结构安全性评估提供理论依据。

1 火灾场景设定

分析中采用的精装修酒店式公寓楼共20层, 每层3户, 底层为开放式公共空间, 楼梯间和电梯间位于公寓楼中间位置, 如图1所示。其中以向上为北。公寓楼外墙保温层使用的是聚苯乙烯泡沫节能保温材料, 这种材料燃烧时过火极快。在FDS软件中建模时, 墙体为混凝土材料, 外墙外表面另设保温层, 在室内设置了床、沙发、电视柜、餐桌和书桌等家具。由于施工, 建筑外围设置了脚手片 (竹片材料) 和密目安全网 (高密度聚乙烯材料) , 如图2所示。为了便于观察和显示火灾模拟时火势的蔓延, 在结果中将安全网图层设置为不显示。为了考虑实际火灾中窗户玻璃在高温下出现爆裂而导致外部火势蔓延至室内, 建模时在窗户外部设置了热探测器, 并与窗户关联, 当探测器温度达到250℃时窗户就“破裂打开”。起火点设置在3楼西南侧外墙, 尺寸为2m×2m, 单位面积热释放速率设为500kW/m2, 以t2快速火开始发展。

2 火灾蔓延及烟气扩散规律

由于实际施工过程的复杂性和偶然因素的不可预测性, 且施工现场人员众多, 突发火情导致的火势蔓延和烟气扩散对人员逃生和消防救援影响很大。对大楼下部西南侧外墙3楼某处设为起火点的火灾场景进行仿真计算, 火势在外墙面上的部分蔓延时程截图, 如图3所示。在起火点被引燃后, 前期主要是火源附近的局部燃烧, 在100s左右火势沿着三楼外围的上下脚手片形成的水平夹层蔓延;然后在114s左右火势首先在南侧外墙东边拐角处形成向上的竖向蔓延;与此同时, 火势在各层的保温层之间又形成了多道水平蔓延路径, 如图3 (a) 所示。与南面和西面的外墙保温层火势蔓延不同, 在东面墙面上形成的是斜向火势水平扩展蔓延, 因此北面外墙先被东面蔓延过来的上部火焰引燃, 继而和西面墙面的横向蔓延火势相汇合, 形成了北墙面的整面过火状态。在165s时刻, 原东墙面的斜向火势“回扫”, 一并和从北墙横向蔓延来的火势在上部形成合拢, 进一步加剧了东墙的火势, 如图3 (b) 所示。由于局部位置的温度达到了玻璃爆裂的临界温度, 很多南墙的窗户首先开始爆裂, 火势从外部进入室内, 如图3 (c) 所示, 形成了整楼的立体燃烧模式, 大量有毒烟气从破裂的窗户快速窜入室内。在500s左右, 外墙面的保温层除了底下少量残余, 其他基本燃烧殆尽, 外墙从原先的颜色显示为露出的混凝土墙颜色, 火势在1 400s左右基本熄灭, 如图3 (d) 所示。整个外表面火灾过程还有一个特点, 保温板和脚手片材料的燃烧属性差异较大, 导致外表面形成“二次燃烧”, 即先由保温板的快烧形成一次快速火势蔓延, 很短时间内保温板基本燃烧殆尽, 但此时多处的竹制脚手片也被引燃, 建筑外围又逐渐再次达到燃烧旺点, 加剧了整楼的燃烧态势。

以上为外保温和脚手架所导致的建筑立体燃烧时火势在外表面的蔓延过程描述, 同时还存在着由室外火转向室内火并同时燃烧的不利情况。在仿真计算中发现, 南面外部火势向东面斜向“横扫”蔓延的过程中, 南面8楼的窗户首先开始破裂, 火势顺势进入室内, 引燃了室内的家具, 如图4 (a) 所示;随着外部火势的发展, 越来越多的窗户开始破裂, 几乎引燃了每一层的室内房间, 形成了室外火和室内火共同燃烧的立体燃烧模式, 如图4 (b~d) 所示, 在室内形成了大量的烟气;直至1 100s左右室内均过火后烟气才从破裂的窗户向外部逐渐消散。

3 温度场和能见度分析

在火灾中建筑物所经历的温度场和建筑物内部的能见度对人员疏散和结构安全也非常重要。为此, 从FDS计算结果中获取了不同时刻的温度切片和能见度切片。在火灾仿真计算中发现, 局部某些位置的过火温度可以达到瞬时1 200℃, 如以此最高温度作为全局切片温度的上限来显示切片结果, 则最高温度的区域范围将很小, 不便说明问题, 故可调节切片显示选项, 将切片上限温度显示为人工设定的最高温度, 如图5所示的750℃。从温度切片中可见, 靠近窗户的房间区域均达到过这一高温, 随着与窗户距离的增加, 过火温度有所下降, 但也达到了500℃。各单元门附近最高温度基本达到300℃。这样的高温对楼内人员是致命的威胁, 对建筑结构本身也会产生很大的影响。通过以上的FDS仿真计算可以得到大量的结构物内外表面的过火温度数据, 可为进一步分析结构物在火灾下的性能提供基础数据。

为了更直观地观察温度时程, 选取了11楼南面临窗的4个温度测点和5个不同楼层上下对齐的温度测点的温度数据, 整理的温度时程如图6所示。可见, 对于11楼的4个测点, 其布置是07#~10#由西向东 (从左到右) 分布, 但温度时程曲线是09#和10#先发生升温, 再是07#和08#。这是与火势蔓延相关的, 因为南面外墙的火势是从东南拐角处由东向西水平蔓延, 与测点布置方向刚好相反;各测点所经历的最高温度比较接近, 均在1 000℃以上, 但最高温所经历的时间有所差异。09#和10#测点的较07#和08#测点短, 有明显的温度“尖峰”。另外, 这些测点还经历了一个600~800℃的温度平台, 这一现象和在以上火灾蔓延规律分析中所提到的保温板和脚手片造成的外表面“二次燃烧”相吻合。随后各测点均经历600s左右的降温过程, 直至火势熄灭。在图6 (b) 中由下至上5个测点温度时程中, 除了第二层的最高温度只有600℃左右, 其余各测点均在1 000℃以上;另外18楼8#测点位置呈现出逐级升温的趋势。

在火灾发生时, 能见度也是影响人员疏散和消防救援的重要因素之一。从FDS的后处理器SmokeView中除了可以得到以上的温度切片外, 还可以获得如图7所示的能见度切片。图中为X=-11.7m处通过楼梯间剖面的能见度切片。在141s时刻, 由于已有部分南侧的玻璃窗爆裂, 大量烟气从室外涌入室内, 而且室内家具也被引燃, 楼宇下部几个房间的能见度很快达到3m以下;到了171s, 南面的房间能见度进一步恶化, 北面的部分室内房间也被引燃;到了186s, 南北房间的能见度除了个别房间还未引燃而保持在30m, 其余房间基本烟气扩散;直至261s, 南北房间的能见度均在3m以下, 对人员的逃生和救援非常不利。但在切片图中可以发现, 楼梯间的能见度一直都很好。这是由于在FDS模型中, 对楼梯间的防火门设置了开启时间用于模拟防火门的耐火时间, 其大于计算分析时间1 500s。而且楼梯间是内置的, 不存在外开窗, 不会出现窗户爆裂而导致火势和烟气涌入的情况, 故在仿真分析中防火门实际上是一直关闭的, 火势和烟气也无法从楼梯间这个垂直通道蔓延, 保证其良好的可见度。这也从一个侧面说明, 对高层建筑, 防烟楼梯间或疏散楼梯间作为最重要的逃生设施, 其防火门必须常闭, 以防止火灾发生时产生的“烟囱效应”导致的建筑物内部的火势和烟气蔓延进一步加剧。

4 结论

(1) 火灾发生时, 保温板多方向快速过火, 窗玻璃爆裂后导致室内火的引燃和外部脚手片的共同燃烧, 最后发展成整楼的室内外复合型立体燃烧模式。

(2) 在立体燃烧模式下, 建筑物局部某些位置的最高过火温度可以达到瞬时1 200℃, 在室内也有很多区域到达过750℃以上的高温, 对人员生命安全和结构物安全性产生严重影响。

(3) 从能见度时程切片中可以发现, 对高层建筑物来说, 防烟楼梯间或疏散楼梯间作为最重要的逃生设施, 其防火门的开关与否, 对建筑物内部的火势和烟气蔓延起着很重要的作用。

摘要：为了分析在建高层建筑外保温和脚手架立体燃烧的火灾蔓延规律, 以一酒店式公寓楼为案例, 应用FDS对由于建筑外表面起火的火灾场景进行模拟分析。得到立体燃烧时的火势蔓延和烟气扩散规律, 并截取建筑物经历的温度场和能见度时程切片, 为高层建筑火灾烟气的有效控制、人员疏散、火灾扑救和结构物安全性分析提供相应的理论依据。

关键词：高层建筑,保温板,火灾蔓延,烟气扩散,数值模拟

参考文献

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[7]GB 50210-2001, 建筑装饰装修工程施工质量验收规范[S].

森林火灾识别及蔓延方向估计 篇2

早在1994年,Vries and Kemp就提出了复杂背景下基于烟云的鬼火识别检测方法[1]。Jerome Vicente等人也提出了一种自动检测森林火灾早期烟云的实时图像处理方法[2],但以上两种方法相对复杂,运算也比较慢。本文基于火灾初期火焰的各种特性进行判别。在森林火灾发生早期,由于火焰是一个从无到有的发展过程,这个阶段火焰的图像特征比较明显,故可利用火焰图像的颜色分析、闪烁频率、面积增长特性、边缘变化特征和尖角特性来作为火灾识别的判据。同时,先对图像进行疑似辨别,可大大提高运算速率,并节省一些不必要的计算。此外,对于蔓延方向的识别,可根据不同方向采集的图像,对烟雾部分进行分割、提取轮廓,然后进行不同方向整合,得出蔓延方向的估计。

1 火灾图像预处理

直接采集到的图像往往由于拍摄或传输中的干扰,可能会存在一些程度的噪音[3]。为了消除这些噪音,所以首先要对采集到得图像进行去噪处理,本文采用均值滤波和中值滤波的方法去除噪音,经过滤波处理后,图像噪音得到有效的抑制,为进一步的图像识别做好准备。

在实际中,一般是出于无疑似火灾的状态,即采集的图像背景在大部分时间里应该是比较一致的,属于一切正常状态。如果对每幅图像均采用复杂的识别算法来检测,则占用较多的内存和运算时间。因此,可以先对去噪后的图像进行异常情况判断,如果情况正常,则不需要进行进一步的识别;如果有疑似情况,再做进一步的复杂检测,识别是否火灾发生。这样大大减少了运算量。本文采用差分算法来检测异常情况,即

式中,f0(x,y)为参考图像,即上一时刻判断为无火灾发生时的图像;fi(x,y)为待处理的图像。设定阈值T,若Δf(x,y)

2 火灾图像识别

如引言中所述,本文对于火灾图像的识别,主要是针对火灾早期图像进行处理,所以识别的关键是对火焰图像的分析,主要用对提取出的火焰图像进行颜色分析、尖角特性分析、面积增长特性分析和闪烁频率分析四个方面的判别,最终得出是否火灾的确定结果。

2.1 颜色分析

由于火焰的颜色与林区图像在颜色上有明显的不同,所以在进行火灾图像识别时,首先识别火焰的颜色。尽管不同燃烧情况下的火焰会呈现暗红色、红色、橙色、黄色、白色、蓝色等不同的颜色,但它常常显示由红过渡到黄的颜色[4]。

火焰的色彩特征可描述为:

RGB空间:R≥G≥B

HIS空间:0°≤H≤60°,0.2≤S≤1,100≤I≤255

图像中像素点的RGB值和HIS值同时满足以上条件,则有可能判定为火焰像素。

2.2 面积增长特性分析

发生火灾时,火灾区会呈不断扩大趋势,火灾火焰的面积也会呈现连续的、扩展性的增长趋势,而且图像上表现为亮度区域持续增长,同时也反映了火灾火焰在空间分布的变化。因此,在提取出的每一副火焰图像中,统计目标的像素数即可确定火焰的面积。对于连续数帧图像,利用式2计算其火焰面积增长率,并设定阈值ε,若连续几组帧图像两两计算的增长率都超过了设定的阈值,则说明亮点数一直在增加,即火焰的面积一直在增加。由此可以判断可能发生火灾。

2.3 尖角特性分析

火焰的尖角数目呈现无规则的跳动,而高温物体的尖角数基本不变。所以利用火焰的此特征可以区分火焰图像与车灯光、手电筒灯光等发光源图像。

火焰尖角的特征点首先是它的顶点,即局部极值点;其次是尖角左右两边的夹角是有一定规律可循的。提出的火焰图像中的尖角是由一个个的点组成,令尖角中某一行的亮点数为f(n),上一行的亮点数记为f(n-1),可以通过控制f(n)/f(n-1)的值来求尖角度。对夹角的宽度和高度分别设定上下限,一般设在三个像素以上。

2.4 闪烁频率分析

火灾火焰区别于灯光的又一特点是:它的闪烁频率不同于干扰光源的。所以根据火焰图像的闪烁频率也可以进行判别,增强了系统的稳定性和可靠性。具体处理方法为:根据采集到的连续数帧图像,提取出火焰图像后,得到其中心亮度点及其对应亮度值,绘制出亮度值的变化曲线,再根据各帧之间的时间关系,即可得出变化周期,闪烁频率也继而得出;或者对图像进行傅里叶变换,也容易得出其闪烁频率。经过对采集到的图像进行分析和处理,得出火焰闪烁频率基本集中在5-20HZ范围之内,并且与火焰大小无关。所以在判定是否火焰时,可以将上下限阈值设定为20HZ和5HZ,若在此范围内,则有可能为火灾火焰。当然,同时也需要和其它的判别条件配合使用。

3 蔓延方向自动估计

森林火灾的发生一般都伴有不同等级的大风出现,导致火灾会向某个方向迅速进行蔓延,本文利用烟雾的快速随风向性,监测火灾的蔓延方向,有利于消防措施的实施。

首先利用烟雾的灰度特性提取出可疑区域,并进行腐蚀和膨胀,得到清晰的连续的烟雾区域;然后利用如下matlab程序提取其边缘,并进行平滑处理,绘制出相似距离曲线图,即可知道火焰及烟雾蔓延的方向。当然,此步骤需要对几个方向采集到的图像同时进行处理,并根据方向进行整合,才能准确得出火灾的蔓延方向。

4 实验结果与分析

本实验对230幅各种相关图像进行测试,包括火灾图像和各种干扰图像,判别结果如表1所示。由此结果可以看出,该算法识别效果比较有效,能够将车灯与烟头判别出来,具有一定的准确性和可靠性。

5 结束语

针对森林火灾发生早期中火焰的图像特征,进行火灾识别,主要利用火焰颜色、火焰面积增长特性、火焰尖叫特性、火焰闪烁频率四个判据进行识别,四个判据同时运用,可以提高算法的可靠性,降低系统的误报率。同时,利用各个方向采集到的烟雾图像,通过图像分割、提取边缘、方向整合,得出火灾蔓延的方向,有利于消防措施的实施。火灾识别与蔓延方向估计两者相结合,提高了工作人员对火灾的把握程度,具有相当的实际意义。然而,对于烟雾特征识别和分析的相关方法还需要做大量的研究工作。

参考文献

[1]VRIES J S,KEMP R A W.Results with a multi-spectral autonomous wildfire detection system[J].Proc.2nd Conf.Forest Fire Research,1994,2(27):779-791.

[2]VICENTE J,GUILLEMANT P.An image precessing technique for automatically detecting forest fire[J].International Journal of ThermalSciences,2002(41):1113-1120.

[3]GONZALES R C,WOODS R E.Digital Image Processing[M].Second Edition.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2006:191.

火灾蔓延规律 篇3

地铁火灾特性主要表现在以下两个方面。

(1)火灾危险性大,疏散较困难,外部灭火救援难度大,社会反响强烈。天津地铁一号线的消防监控点位近一万个,分布在车站各个角落,任何设备故障都可能引发灾害;车站客流量大,乘客年龄分布不均和存在素质差异,逃生意识差异大均影响疏散;地下建筑灾害导致人员的恐慌加剧;逃生垂直高度大,水平距离远,逃生途径少等因素导致疏散和外部救援难度大;地铁作为居民出行首选的交通方式,对城市居民日常工作生活影响大,一旦列车掉线或停运会造成较大的社会影响。

(2)火灾烟气导致允许逃生时间较短。地下建筑火灾决定了其可燃物燃烧不充分,更易产生有毒有害气体,影响人员呼吸和应急照明,逃生条件差,降低人员逃生能力,缩短可用逃生时间。

因此,如何控制火灾烟气的产生和蔓延,延长人员可用逃生时间,确保地铁安全至关重要。笔者依据车站现场防火设计、防排烟设计和可燃物荷载建立车站模型,通过数值模拟分析火灾烟气特性。

1 火灾场景设定

FDS模型是由CFD(计算流体力学)分析程序开发的专用于研究火灾烟气传播的模型,可以模拟三维空间内烟气的温度和流动情况。FDS以网格作为最小计算单位,网格的大小是模型中最重要的参数,它规定了模型内部偏微分方程在空间和时间上的精度。

模拟实体为长197 m、宽24 m、进深15.9 m箱体单元,FDS模拟计算设定网格大小为边长0.5 m的立方体单元。根据CAD建筑图纸建模,并设定天花板材料为石膏板,1.1 m高安全门和50 cm石膏挡烟垂壁,车顶为金属风道,站台板下侧为混凝土风道,风速设定为4 m/s。出入口及特定处布置热电偶。

考虑目前客流情况以及在中长期客流的增大和乘客携带的行李,及行李中可能包括较易燃烧的纤维织物、纸张、食品等,同时考虑人为纵火及其他爆炸物等因素,模拟实验选取3 MW作为移动火灾荷载,并设为超快速增长火。

2 建立模型

该车站为上下两层岛式站台,两侧为车站办公和设备管理用房,站厅与站台通过楼扶梯和电扶梯及垂梯连接,见图1所示。图中中部立柱主体为垂梯,作为站台与站厅的联络通道,车站控制室在左侧,四个出入口分别在两端管理用房处。

图2和图3为车站内部模型和计算网格单元图。其中,垂梯位置处的正方体为设置火源,考虑模拟站台火灾模式,该位置为最不利火源位置。火灾烟气在蔓延过程中对两侧的疏散通道影响最大,给人员疏散带来最大困难,通过此设计可以提高车站人员疏散的安全性。

3 模拟结果分析

3.1 烟气温度分布模拟

温度是反映烟气蔓延的重要属性之一。图4为FDS模拟中测试点热电偶布置示意图,在1.6 m高度处设置测试点主要是考虑人员在采取低姿疏散时的高度。图5为2号出入口360 s时的温度模拟结果。

从图5可以看出,2号出入口处温度分布为:两侧温度高于中间,高处温度高于低处。并且,温度的分布规律与烟气分布相似。

图6为各测试点温度随时间的变化曲线。

可以看出,x=71 m的监测点处温度变化较小,其他两个侧边位置温度有明显升高和稳定趋势,说明从200 s开始出现热流辐射,烟气随之蔓延到出入口处,420 s后温度基本稳定,且x=69 m处要比x=74.5 m处提前温升,温升变化快,温度高。360 s时最不利点温度小于45℃,完全满足火灾工况下的人员安全疏散要求。

3.2 能见度分布模拟

烟气是火灾中影响人员安全疏散的最关键因素,其物理特性参数主要表现在烟气温度、有害气体体积分数和烟粒的减光性等方面。能见度大小直接反映火灾烟气在空间的蔓延,图7为2号出入口360 s时的能见度。

可以看出,能见度的分布为:两侧比中间小,高处比低处小。说明烟气是自上而下蔓延,两侧比中间下降快且烟气由两侧向中间聚集。同时,越贴近墙壁的地方,烟气蔓延的紊乱性越强烈;越接近地面处,受烟气影响越小。说明了烟气在蔓延过程中的贴壁效应。

图8为2号出入口处测试点能见度的变化曲线。

从图8可看出,x=71 m的监测点处能见度几乎没有变化,其他两个侧边位置能见度有明显降低和稳定趋势。说明从接近200 s开始有烟气蔓延到出入口处,接近420 s能见度基本稳定,且x=69 m比x=74.5 m处能见度提前降低且变化快,更稳定。360 s时,最不利点能见度为6~7m,满足火灾工况下人员疏散对能见度的要求。

4 结论

模拟分析结果表明,在360 s时出入口处火灾烟气的温度和能见度满足人员安全疏散的要求。根据地铁实际情况,还应开展如下工作:结合地铁公共区域设置商铺、各类售检票设备、通信设备;站内照明情况综合考虑火源功率和火源类型;建立最真实的地铁火源模型,完善FDS场模拟;建立合理的地下密闭环境传热模型;继续探索场网耦合的思路,寻找实用正确的方法;对多个工况进行模拟,实现控制方案。

摘要：分析了地铁火灾特性。利用FDS对天津地铁某站在发生火灾时的烟气温度与能见度分布情况进行了数值模拟,并对模拟结果进行分析,结果表明,360s时最不利点温度小于45℃,能见度为6～7m,完全满足火灾工况下的人员安全疏散对温度和能见度的要求,故该车站设计满足火灾时人员安全疏散的要求。

关键词：地铁火灾,烟气蔓延,数值模拟

参考文献

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建筑物火灾蔓延机理及概率模型 篇4

笔者在分析建筑物火灾蔓延机理的基础上, 根据建筑物火灾发展阶段和影响火灾增长和蔓延的因素, 采用事件树分析方法构建了建筑物火灾增长场景, 应用正态分布方法建立了建筑物边界构件失效的概率, 进而确定了建筑物火灾蔓延的概率模型。了解建筑物火灾蔓延规律, 确定火灾蔓延概率, 既可以指导建筑物内部人员正确地选择疏散路线, 帮助灭火救援人员确定最佳的灭火救援方案, 又可以为评估建筑物内人员生命风险和财产损失提供基础数据, 以提高建筑物的消防安全设计水平, 减少建筑物火灾造成的人员伤亡和财产损失。

1建筑物火灾蔓延机理

建筑物火灾从一个防火分区蔓延到相邻防火分区主要包括两个过程:一是防火分区内的可燃物燃烧后增长为充分发展的火灾;二是火灾中产生的热量超出了两个防火分区边界构件的耐火极限。因此, 建筑物火灾蔓延的主要原因是火灾增长为充分发展火灾后, 建筑物防火分区的边界构件失去了控火能力, 通过耐火性能最差的边界构件如门、窗等水平或垂直蔓延。

1.1 火灾增长为充分发展的火灾

建筑物的某防火分区起火后, 火灾能否增长为充分发展的火灾主要取决于两类参数。一类是确定性参数, 如防火分区内可燃物的数量和类型、防火分区的尺寸、通风状况和是否有控制火灾增长的抑制系统;另一类是随机性参数, 如防火分区内点火源的类型、点火源的位置和可燃物的分布情况等。这些随机参数的不同组合导致不同类型的火灾, 一般有阴燃火、非轰燃的有焰火和轰燃火三种类型。

轰燃后火灾进入充分发展阶段, 如果建筑物内有自动抑制火灾系统 (如喷淋系统) , 它能否控制火灾的进一步发展或将火灾熄灭, 取决于抑制系统的可靠性和有效性。对于轰燃火, 自动抑制系统成功的概率很高, 因为较高的热释放速率能使喷淋等抑制系统启动;对于非轰燃火, 自动抑制系统成功的概率不高, 因为火灾中的热释放速率不能使抑制系统启动;对于阴燃火, 抑制系统成功的概率几乎为0。

1.2 建筑边界构件失效

建筑物火灾蔓延一般通过建筑边界构件如梁、柱、墙、地板等蔓延, 因此, 这些构件要有一定程度的耐火性能。耐火性能一般从保持结构的稳定性、完整性和隔热性三方面考虑, 稳定性是指支撑能力和抗变形能力, 完整性是指阻止火焰和高温烟气穿过的能力, 隔热性指隔绝过量的热传导的能力。

建筑边界构件失效后火灾将通过热传导、对流和热辐射三种方式蔓延, 如在两个防火分区间的墙、地板、天花板或门间进行热传导, 导致相邻防火分区非暴露面的温度升高, 点燃内部的可燃物;通过防火分区的开口, 如敞开的门或窗进行热对流, 点燃其他防火分区内的可燃物, 导致热气体通过走廊和楼梯快速地蔓延;火焰或热气体的热辐射导致相邻防火分区内的可燃物燃烧, 造成火灾的蔓延。

2建筑物火灾蔓延概率模型

建筑物某防火分区的火灾发展为充分发展的火灾后, 当建筑边界构件的耐火时间小于火灾的持续时间时, 边界构件就会失效导致火灾的蔓延。通常, 火灾通过边界构件从一个防火分区蔓延到另一个防火分区有不同的路径, 每条路径蔓延的概率取决于火灾增长为充分发展火灾的概率和边界构件失效的概率。

2.1 火灾增长为充分发展火灾的概率模型笔者采用事件树分析方法, 基于火灾类型和自动抑

制火灾系统成功或失败的概率, 构建了建筑物火灾增长的6种场景, 确定火灾增长为充分发展火灾的概率。

在防火分区内火灾增长为充分发展火灾的概率PFD取决于起火概率PIG、发展为轰燃火的概率PFO和自动抑制系统成功的概率PSFO。图1为建筑物火灾增长场景。由图1可见, 场景2发生的概率如式 (1) 所示。

PFD=PIG×PFO× (1-PSFO) (1)

2.2 建筑边界构件失效的概率模型

建筑物边界构件的耐火性能用耐火极限 (FRR) 表示, 一般采用国际标准曲线。但是在实际火灾中, 构件的耐火性能和在标准试验炉中所经历的情况是不同的, 因此, 必须把实际火灾的严重性等效于标准火的严重性, 普遍采用的方法是CIB W14 (International Council for Research and Innovation in Building and Construction) 方法, 见式 (2) 。

te=efKcw (2)

式中:te为等效于ISO 834 标准火的耐火极限, min;ef为可燃物的荷载密度, MJ·m-2;w为通风因子, m-0.25;Kc为边界构件的热惯性。

通风因子可采用式 (3) 计算。

undefined (3)

式中:Af为防火分区的地板面积;At为防火分区的总表面积;Av为墙开口的总面积;Hv为开口的高度。

由此可见, 把实际火灾的严重性等效于标准火的严重性与可燃物的荷载密度、防火分区的边界构件的热惯性和通风因子三个因素有关, 其中, 建筑边界构件热惯性和通风因子与建筑物的设计有关, 很容易确定, 只有可燃物的荷载密度不容易确定, 通常采用调查方法获得, 且不同的国家有不同的数值。

松山贤的研究表明, 相同功能建筑物的火灾荷载密度呈正态分布, 根据概率与统计的基本规律, 实际火灾等效于标准火的耐火极限也将呈正态分布, 且概率分布形式基本与火灾荷载相同, 则建筑物边界构件的概率密度分布可用式 (4) 来表示。

undefined∫undefinedundefined (4)

上述的被积函数应该从0到FRR, 因为等效标准火灾的耐火极限没有负值。从负无穷到FRR积分, 其就是一个累计标准正态分布φ。

则边界构件失效的概率P' (FRR) 可用式 (5) 表示。

undefined (5)

2.3 建筑物火灾蔓延模型

当火灾发展为充分发展的火灾后, 建筑边界构件失效就会导致火灾的蔓延。通常, 建筑物的一个防火分区会被许多边界构件分割开, 如果火灾通过一个边界构件蔓延, 其蔓延概率PFS取决于防火分区内火灾发展为充分发展火灾的概率和边界构件失效的概率, 见式 (6) 。

PFS=PFD×P' (FRR) (6)

建筑物火灾从一个防火分区到另一个分区蔓延可以经历许多路径, 每条路线上可能经过多个边界构件, 所有可能路线的组合概率就是总的火灾蔓延概率。

3工程算例

假设有一个混凝土结构的3层公寓楼, 有11个公寓单元 (R1, R2, …, R11) 、1个走廊 (C) 和3个楼梯 (S1, S2, S3) 。每个公寓单元的尺寸是12.0 m×8.0 m×2.5 m, 窗户总开口的尺寸是6.0 m×1.5 m, 如图2所示。

已知公寓楼内可燃物荷载密度的均值是350 kJ/m2, 标准差为105 kJ/m2。假设公寓内所有门都处于关闭状态, 走廊内几乎没有可燃物, 即忽略走廊对火灾蔓延的影响, 火灾蔓延过程示意图如图3所示, 利用上述模型确定由于墙体失效导致火灾从第一层R1蔓延到同层R3的概率。

假设公寓楼的起火频率为3.0×10-3 次/年/单元, 笔者将起火频率近似为起火概率;根据文献[9,10], 设发展为轰燃火的概率为18.3%, 公寓楼内喷淋系统成功的概率为96%;则由式 (1) 计算R1增长为充分发展火灾的概率:PFD=PIG×PFO× (1-PSFO) =3.0×10-3×0.183× (1-0.96) =2.20×10-5。

由于连接R1和R3连接的是混凝土墙体, 查表 (见文献[11]) 得混凝土的热惯性系数为0.07 min·m2.25·MJ-1, 利用式 (2) 和式 (3) 计算得到混凝土墙体等效于ISO 834火耐火极限的均值和标准差。假设墙体的耐火极限为60 min, 利用式 (5) 计算其失效概率, 见式 (7) 。

undefined

R1发展为充分发展的火灾后, 通过两个单元间的墙体蔓延到R3, 利用式 (6) 计算火灾蔓延概率, 有PFS=PFD×P' (FRR) =2.20×10-5×0.08=1.75×10-6。

R1轰燃后进入充分发展的火灾后, 还可能通过失效的窗户玻璃向上层蔓延, 文献[12]中的研究表明火灾直接通过窗户蔓延更快。若已知其他边界构件的耐火极限, 等效于ISO 834火耐火极限的均值和标准差, 就可以计算所有火灾蔓延路径的概率。

4结论

(1) 提出了建筑物火灾蔓延的概率模型, 模型的结果既可以用于评估预期的人员生命风险和财产损失, 又可以指导建筑物内部人员正确地疏散, 辅助消防部门科学地灭火救援, 从而减少建筑物火灾造成的人员伤亡和财产损失。

(2) 笔者主要是根据国外的统计数据确定火灾发展为充分发展火灾的概率, 可能和我国的火灾情况有些差别, 今后还需加强对我国相关数据的统计分析, 使充分发展火灾的概率更加符合我国的实际情况。

(3) 建筑物边界构件失效概率基于等效标准火的耐火极限是正态分布这一假定条件, 且构件耐火极限是没有概率分布的某个固定值, 因此, 对这些不确定性参数的处理方法尚需进一步研究。

摘要：首先利用事件树分析方法构建建筑物火灾增长场景, 结合火灾统计结果得到建筑物火灾发展为充分发展火灾的概率;然后根据正态分布理论确定建筑物边界构件失效的概率;进而建立建筑物火灾蔓延的概率模型。运用该模型计算了某三层公寓楼的火灾蔓延概率。结果表明, 该模型既可用于计算建筑物内人员生命风险和财产损失, 也可指导消防部门设计建筑物的防火策略。

火灾蔓延规律 篇5

关键词：地铁车站,站台火灾,烟气蔓延,数值模拟

据统计,在地铁事故中,地铁运营后的事故占所有事故80%以上。地铁作为地下建筑,发生火灾时具有地下建筑火灾的特点:一是地下空间狭长,着火后烟气大、温度高;二是疏散困难;三是扑救困难;四是人员伤亡及财产损失严重。在地铁中可能发生的自然及人为事故等约有十几种,但根据国内外有关资料统计,造成的人员伤亡和经济损失最为严重、发生频率最高的是火灾事故。

地铁突发事故是防范与处置城市灾害工作的重点和难点问题,亟需解决的重要课题是如何加强对地铁突发事故基本特性的系统分析,提高处置地铁突发事故的手段和能力。通过对中街换乘站的火灾烟气流动状况的模拟分析研究,对不同的火灾场景提出不同的安全疏散措施,减少人员伤亡及经济损失。

1火灾模型构建

1.1车站结构模型

数值模拟采用STAR-CCM+进行。针对沈阳市地铁一号线工程的特点,车站的建筑主要的形式为地下二层岛式站台贯通厅,因此对火灾模拟计算主要选取该种类型的车站—中街站,中街站车站的具体尺寸如表1所示。模拟建立的物理模型如图1所示。

1.2火灾模型

火灾模型可以是稳态或非稳态的。在稳定火源下,发烟量恒定,可以得出车站内稳定流场,便于分析。模拟采用稳态火源,火灾强度为7.5 MW。模拟中不考虑具体的燃烧过程,假定火源为一个热和烟的体积源,根据国内外的参考资料选定火源大小为(1～2.5) m× 2 m×1 m。模拟中辐射占传热量的比例为20%左右,对流换热占绝大部分,所以主要考虑对流换热影响。火源位置在下层中间靠东位置,如图2所示。

2 模拟结果及分析

2.1 火源位置站台截面烟气温度图

图3为不同时刻火源位置站台截面烟气温度图。从图3中看出,火源位置横断面的发展规律为:高温最先出现在站台顶部,烟气竖向发展,在有通往上层的空隙时烟气会蔓延到上层站厅。随时间的发展,逐渐在站台上层形成高温层,并且火源上方的高温范围扩大。这是由于上下层压差使下层烟气沉降较大。

2.2 站台-站厅纵截面温度及烟气浓度

图4为站台-站厅截面温度场图。由图4看出,站台起火后烟气首先在着火区域填充,再进入两侧隧道,但烟气并未进入上层站厅。这说明烟气全部由轨顶排烟口排出,满足设计要求,即在规定时间内下层站台着火基本不蔓延到上层站厅。火源附近温度最高,对人体有伤害。随着与火源距离的增加,温度逐渐降低,对人体的危害减轻。但10 min时中间换乘站处的温度也有所升高。

图5为站台-站厅截面浓度变化云图。从图4、图5可知:

(1)从站台-站厅截面烟气温度、烟气浓度变化、烟气运动过程的模拟结果看,站台火灾7.5 MW燃烧产生的烟气可以通过隧道的轨顶的排烟口排出。

(2)站台起火后烟气首先在着火区域充填,再进入两侧隧道,进而通过隧道内的轨顶的排烟口排出。火源处顶棚最高温度可达到80 ℃。火焰无明显偏斜。

(3)在整个模拟时间段内,站台近火源区域存在分层良好的烟气层,烟气并未蔓延至整个站台区,仅在火源一侧蔓延,600 s时平均温度约50 ℃,而站台区的另一侧基本未受烟气影响;站厅层的温度一直保持为环境温度,无烟气,烟气未向站厅层蔓延。因此,站厅层控制为无烟区。

2.3 站台1.5 m高度处烟气特征参数变化

图6(a)给出了下层车站站台中心断面烟气浓度变化规律。从图中看出,在10 min内烟气浓度变化不大,基本趋于稳定状态,在人的特征高度1.5 m处烟气体积分数都超过0.05,对人体造成危害,火源附近烟气浓度较大。

图6(b)给出了下层车站站台中心断面温度变化规律,温度的变化趋势与烟气浓度变化是一致的,温度对人体的伤害主要集中在火源附近,距火源越远温度越低。

从图7(a)下层西站厅1.5 m高度中心浓度的变化曲线规律图可以看出,在模拟时间10 min内西站厅烟气的体积分数最高达0.015左右,小于对人体有危害的烟气体积分数0.05。即西站厅的烟气浓度没有达到危害人体的程度。模拟的开始阶段,浓度变化较大,但约400 s时浓度的变化几乎为零,即烟气浓度基本稳定。从图7(b)中可以看出,在模拟时间10 min内,人体特征高度处的温度最高达到30 ℃左右,没有达到对人体产生危害的60 ℃,所以没有造成对人体的伤害。

综上所述,西站厅在模拟时间内,无论是烟气浓度还是温度均未达到伤害人体的程度。因此,在此火灾场景下,西站厅可以作为火灾发生时的人员疏散出口。约10 min后烟气蔓延至中间换乘站,故中部换乘站也不适宜作为人员疏散出口,人员最好从西站厅疏散。在模拟时间10 min内站台温度变化范围不大,基本上趋于稳定,温度对疏散人员的危害主要发生在火源附近。温度随着离火源距离的增加而降低。

3 结 语

通过对换乘站火源位于下层站厅中间站厅靠东位置的火灾场景进行烟气数值模拟,在给定的通风排烟系统下总结出烟气流动的规律,分析出安全的疏散路径即禁止东站厅作为疏散出口,西站厅可以作为疏散出口。可以概括得出以下几点结论:由于出入口位置不同,不同位置发生火灾时人员的疏散路径不同;下层车站发生火灾櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒时,在一定的通风排烟情况下,烟气没有蔓延到上层车站;火源附近的疏散路径是烟气的密集区,不能作为人员疏散出口。

参考文献

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[5]王鲁鹏.地铁火灾中换乘站烟气控制的数值分析[D].北京:北京工业大学,2007.

火灾蔓延规律 篇6

鉴于地铁隧道火灾的危害性,国内外学者试图通过研究找出火灾发生的规律,制定一套隧道火灾的预防措施和救援方法。本文利用计算流体动力学软件FDS(Fire Dynamics Simulator,火灾动态模拟)对西安地铁2号线进行火灾仿真模拟,以Navier-Stokes方程为基础,引入浮力修正的k-ε湍流模型、湍流燃烧模型和辐射换热模型,建立了适用于描述地铁隧道内烟气温度分布和气体流动的计算流体动力学模型,实现了对地铁隧道内火灾发生时温度场的数值模拟分析,获取了火灾参数。

1 公路隧道热释放速率

依据瑞典国家测试研究所Ingason.H的火灾热释放理论,现行采用的火灾热释放率数学模型主要有以下几种:

(1)线性增长模型:增长阶段采用线性增长,稳定燃烧阶段保持恒定,下降阶段为线性下降。

(2)平方增长模型:增长阶段采用平方增长,稳定燃烧阶段保持恒定,下降阶段采用指数模型。数学模型函数如表1所示。

其中:tmax为火灾达到最大热释放率的时间;td为维持最大热释放率的时间;Qmax为火灾最大热释放率;HRR为火灾的热释放率。

(3)指数增长模型:Ingason.H采用一个指数函数来描述火源热释放率的变化,燃料控制的火源热释放率模型依据Numajiri和Furukawa的建议,给出以下数学模型:

式中:Qmax为最大热释放率;r,k为根据实际条件定出的变量;n为选取的变量,无物理意义。

2 地铁隧道火灾数值模拟理论基础

2.1 基本方程

FDS以低马赫数的LES方程式来描述受火灾浮力驱动的气体流动现象,其方程式如下:

FDS根据boussinesq approximation将温度、密度与压力区分为空间平均项与振动项,其形式如下所示:

式中ρ为气体密度(单位:kg/m3)。

描述公路隧道火灾发展过程的数学模型建立在N-S方程基础上,在一般坐标系下表示为如下形式:

质量守恒方程:

组分守恒方程:

动量守恒方程:

能量守恒方程:

气体状态方程:

其中:方程(6)中流体受到的外力f可以包括水喷淋作用时,液滴对流体的阻力作用及除重力外的其他外力。方程(7)中q表示流体因燃烧反应放出的热量;即表示压力项的物质导数。

综合上述,FDS由式(7)、式(6)和式(3)联立求解,计算区域的速度、温度、密度与压力。在方程式的数值方法方面,FDS对空间坐标的微分项采用二阶中央差分法,时间的微分项则以显性二阶Runge-Kutta法离散化。

上述方程组描述了一般形式下火灾的动力学演化过程,如果不是直接模拟求解,它是不封闭的。若要对特定的火灾场景进行模拟计算,必须对上述方程中表示湍流、燃烧、辐射传热等基本物理过程进行正确的模化,同时还必须给出正确的初始条件和边界条件。

2.2 燃烧模型

火灾过程几乎都是湍流燃烧过程,火灾中的燃烧可能是扩散燃烧也可能是预混燃烧。在火灾动力学模拟中,采用的湍流燃烧模型有混合组分燃烧模型和有限化学反应速度模型。混合组分燃烧模型假定系统为:燃烧单步不可逆反应的简单化学反应系统,即燃烧反应可以简单表示为:

如果只关心火灾过程的热效应,该模型是简单实用的;若需要研究了解火灾过程中污染物和有毒有害气体的产生,则需要引入包含这些物质产生机理和速率的有限化学反应模型。对于一般碳氢化合物燃烧反应可表示为:

相应的化学反应速率为:

3 西安地铁2号线火灾动态烟气蔓延数值模拟

3.1 火灾场景及模型参数设定

本文将燃烧火源处理成一个燃烧面积固定的火源。另外,由于研究的是隧道内烟气的动态蔓延过程,故不考虑火灾燃烧物的构成比例以及化学反应引起烟气成分的变化。隧道采用入口纵向通风,风速为2.5 m/s。以下参考Ingason.H给出的几种火源热释放率模型,并结合各国所给出不同火灾规模对应的热释放率火灾规模值,本文的仿真实验将火灾场景分别设为30 MW,100 MW的燃烧进行动态模拟,所取的值应是合理的。

以上几种数学模型中,由于线性模型直观明了,反应了火灾变化的整个过程,但线性热释放率对应的火荷载(热释放率函数对时间求积分即热释放率曲线和坐标轴围成的面积称之为火荷载)与实际的火荷载偏差较大。指数增长模型给出了不同控制条件下热释放率的数学模型,但是这些模型比较复杂,且模型里未定的参数较多,不易选定。Ingason.H给出的平方增长模型,即增长段采用平方函数;稳定段为常值;衰减段为指数函数,形式简单,容易确定。

3.2 30 MW和100 MW热释放率火灾烟气蔓延过程

30 MW火源平方增长模型:

100 MW火源平方增长模型:

30 MW和100 MW的热释放率曲线如图1所示。

不同火源在相同风速下持续时间如表2所示。

30 MW和100 MW火灾时隧道中心线温度场分布图如图2所示。在纵向通风风速为2.5m/s的条件下,火灾规模越大,隧道内各点的温度越高,温度场的扩散范围越大;火灾时,隧道内温度有一个急剧增加的过程;不同规模的火灾,隧道内所产生的最高温度从200~1 000℃以上不等,30 MW的火灾在火源处火焰的最高温度可达200℃左右,100MW的火灾在火源处壁顶的最高温度可达1 000℃以上。

隧道内纵向温度分布特点表现为:火源温度最高,随着远离火区温度逐渐降低;随着时间增长,火源附近上游区域的温度高于下游区域的温度;竖直方向呈上层高底层低。

30 MW和100 MW火灾时隧道中心线上烟气能见度场分布图如图3所示。烟气层高度是描述火灾烟气运动的重要参数之一。当发生火灾时,如果烟气层高度过低,会直接影响到人的视力,也就不容易判断正确的逃生路线,有可能会逃到更危险的区域。

基于此,通过仿真,可以得出隧道火灾烟气流纵向分布的特性:

(1)火灾时,隧道内火灾烟气层在竖直方向的最低高度从2~6 m不等,大部分情况为烟气层在隧道内3m左右的高度上下波动。

(2)风机产生的风力及火源处源源不断的烟气流所产生的向上喷发的动力,加之烟气流在壁顶滞留时间较短,烟气被吹向下游,远离风机的区域烟气会首先下沉并朝上游方向逐渐堆积。远离风机的高层区域的烟气所受到的纵向风力较小,由于惯性作用的减弱加上重力作用,所以远处烟气将首先下沉。

(3)随着烟气下沉,隧道内的能见度将逐渐降低,分布规律为隧道高层烟气浓密,能见度低;底层烟气稀疏,能见度较高;远离火源区域较浓密,近火源区域较稀疏。

4 结论

综合上述,当地铁隧道发生火灾时,较为理想的逃生及救援路径就是借助隧道内的人行横洞,车行横洞次之。烟气流几乎不会进入人行横洞,且其内温度也接近常温;对车行横洞而言,横洞底层温度也接近常温,30 MW的火源功率左洞内的烟层高度在4 m以上,但是烟气从右洞大量进入左洞,使其空气质量会有所下降,并且会带入一定量的有毒气体,会对左洞交通造成一定影响,但不失为救援及逃生可考虑的重要路径。逃生人员可迅速通过横洞到达安全区域,救援人员亦可通过横洞来展开相关的救援工作。另外,利用隧道通风系统控制火灾烟气防止其向上游扩散,防止烟气回流,可为人员疏散和消防救援在上游提供有利的救援环境。

参考文献

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[8]杨涛.公路隧道火灾热释放率及通风方式研究[D].西安:长安大学,2009.

火灾蔓延规律 篇7

关键词：可燃物间距,火灾蔓延,安全影响

城市中, 随着人口的增长和建设步伐的加快, 建筑物的密度越来越大, 火灾隐患也大大增加, 建筑火灾是发生频率最高、损失最大的火灾种类[1]。统计资料显示, 在各种类型火灾中建筑火灾对人类危害最大最直接, 从起火分类上看住宅楼以及其他楼房所占比例达到35%;从起火类型死亡人数看死于建筑火灾的遇害人员为90%[2,3]。建筑火灾最初都是发展在建筑物的室内, 然后蔓延到相邻房间或区域, 以至整个楼层, 最后蔓延到整个建筑物。可见单室火灾是整个建筑火灾的最基本组成部分, 其发展态势直接影响到火灾在建筑内的行为。同时, 由于都市房间攀升, 小尺寸的房间出现的越来越多。因此, 对小空间单室火灾向相邻房间的火灾蔓延研究对提高建筑火灾安全性非常重要。

1 室内火灾模拟方法

本文采用的模拟软件是CFAST6.0。CFAST是由美国国家标准研究所 (NIST) 建筑研究实验室开发的区域模型软件中最成熟的软件之一[4]。火灾区域模拟是火灾模拟开展建筑性能化设计必不可少的消防技术手段, 是定量研究建筑火灾最基本的模型。灾区域模拟是以受限空间中的火灾过程为研究对象的一种半物理模拟, 是经验公式与体现基本规律的数学方程结合, 结合程度和方式的差异决定了模拟的多样性。在现实中, 火灾发生初期有明显的分层现象, 上层烟气和下层冷空气层, 且温度也存在着一定的分层现象。而区域模型采用两个控制体来描述一个房间, 即上层烟气层和下层冷空气层, 其较好反映了现实火灾中的分层现象, 因而区域模型可在大多数条件下对真实火灾场景进行相当现实的模拟[5]。CFAST软件方法将火灾房间分为上下两个区域, 即上部的热烟气区和下部的冷空气区, 并且假设两个区域内的参数是均匀的, 针对两个区域分别列出质量守恒和能量守恒方程, 得到一组描述火灾动力学演化的基本方程, 进而运用计算机进行模拟。该软件的计算结果能够满足一般工程设计的要求[6]。

2 火灾情形设置

火灾房间如图1所示, 两间尺寸同为4 m×6 m×3 m的房间相邻, 其中门与外界连通的是1室, 门与相邻房间连通的是2室。室1和室2的房门尺寸为0.8 m×2 m, 窗户尺寸为2 m×1 m, 窗台距地板高度为1 m, 顶棚材料和墙壁材料为石膏, 地板材料为混凝土。内部初始温度和外部初始温度皆为20℃, 内外压力为101 300 Pa。为了明显的比较相邻房间可燃物间距对火灾蔓延的影响, 两房间的火源设置相同, 仅有1个沙发。其中, 1室为起火房间, 沙发在0 s时点燃。2室的沙发引燃温度为280℃。两房间的窗设定始终为开启状态, 门的缝隙系数约为0.01, 两房间的门开启状态设置为轰然时开启。

运用CFAST6.0模拟房间1在房门紧闭的情况下的燃烧, 获得房间1的烟气温度数据。通过Origin8.0绘图如图2所示。

在小规模实验火灾中热烟气层温度变化曲线都可以明显地分为3个区域, 分别为强轰燃、弱轰燃和不轰燃3种情况。对应在固体燃料条件下, 这3个区域对应的热烟气层峰值温度分别为Tp<650℃, 550℃<Tp<650℃, Tp<550℃。且强轰燃时温度变化率达到6.2℃/s, 弱轰燃时为2.3℃/s, 不轰燃时仅为0.9℃/s。此值也是室内能够发生火灾时温度变化率峰值的最小值, 而要发生轰燃温度变化率峰值须达到1.3℃/s以上[7]。故可以判断1室的烟气层温度在360 s时达到轰然, 因此设置1室与外界连通的门及其与2室连通的门在360 s时打开。

3 模拟结果分析

本文为分析相邻房间可燃物距离对火灾蔓延的影响设置了三种情况, test1, test2, test3, 1室沙发与2室沙发的距离分别为0 m, 2 m, 4 m。其中2室的沙发位置始终不变, 靠着2室与1室相隔的墙壁, 改变的是1室沙发的位置。通过CFAST6.0软件模拟这三种情况并导出计算结果, 应用Origin8.0软件进行绘图, 得到三种情况下火灾中1室的烟气层温度、烟气层界面高度、烟气层中CO含量曲线随时间的变化情况分别见图3~图5, 以及2室的烟气层温度、烟气层界面高度、烟气层中CO含量曲线随时间的变化情况分别见图6~图8。

1) 1室的烟气层温度变化情况。与烟气层界面高度变化情况一样, test1, 2, 3情况下前360 s内1室的烟气层温度变化基本相同, 温度迅速上升至605.5℃左右。360 s~600 s间, test1, test2曲线走势基本相同, 与test3渐渐产生微小差异。test1, test2在600 s时温度再次大幅上升, 在830 s时温度分别升高至325.5℃, 325.0℃, 随后温度缓慢下降。而test3则始终保持缓慢下降。在模拟结束1 800 s时, test1, test2与test3的温度分别为169.6℃, 170.0℃, 153.2℃。

2) 1室的烟气层界面高度变化情况。test1, 2, 3情况下, 前400 s内1室烟气层界面高度变化基本相同。烟气层界面在前360 s内迅速下降到0.3 m, 其后因为轰燃房间门打开, 烟气层高度迅速回升, 360 s后test1, test2与test3渐渐开始产生差异。test1, test2的烟气层界面高度在600 s时再次下降, 在830 s左右降至1.2 m后缓慢上升, 最终皆稳定在1.5 m。而test3的烟气层界面高度最终稳定在1.7 m。

3) 1室的烟气CO浓度变化情况。test1, 2, 3在前360 s内烟气层温度变化基本相同, 在360 s内迅速升至3 223.5 ppm, 随后开始下降。360 s~600 s间, test1, test2曲线走势基本相同, 与test3差异不大。600 s后test1, test2情况下的烟气层CO浓度再次开始显著上升, 在830 s时一起达到1 120.5 ppm, 之后开始下降。test3则始终保持下降。1 800 s时test1, test2, test3的烟气CO浓度分别达到341.8 ppm, 342.2 ppm, 296.4 ppm。

4) 2室的烟气层温度变化情况。前360 s, test1, 2, 3情况下2室的烟气层温度变化很小。360 s后, 2室的温度迅速上升至246.0℃。随后test1, 2情况下, 2室的烟气层温度再次上升, 830 s时升到顶点615.7℃, 615.0℃。而test3情况下, 2室的烟气层温度缓慢下降。在模拟结束1 800 s时, test1, 2, 3情况下2室的烟气层温度分别为186.3℃, 186.0℃, 89.2℃。

5) 2室的烟气层界面高度变化情况。前360 s, test1, 2, 3情况下的2室的烟气层界面高度变化基本相同, 从3 m迅速下降至1.5 m。在360 s~600 s间, test1, test2曲线走势基本相同, 并与test3渐渐产生微小差异。600 s后, test1, test2情况下2室的烟气层界面高度再次迅速下降, 在830 s时降至最低点0.5 m后开始上升, 最终稳定保持在1.6 m。而test3情况下, 2室的烟气层界面高度略有上升, 最终稳定在1.7 m。

6) 2室的烟气CO浓度变化情况 (见图8) 。前360 s, test1, 2, 3情况下2室的烟气CO浓度略有升高, 360 s后几十秒2室的温度迅速上升至1 176.3 ppm。随后test1, 2情况下, 2室的烟气CO浓度再次上升, 830 s时分别升到顶点2 046.6 ppm, 2 046.0 ppm。而test3情况下, 2室的烟气CO浓度逐渐下降。在模拟结束1 800 s时, test1, 2, 3情况下2室的烟气层温度分别为334.1 ppm, 278.7 ppm, 334.2 ppm。

4 结论

1) 当1室的沙发距2室沙发4 m时, 2室的沙发将不会被点燃, 2室的烟气温度最高达到246.0℃, 烟气高度最低为0.9 m, CO浓度最高才1 160.7 ppm。

2) 当1室的沙发距2室2 m或0 m时, 2室的沙发将会被点燃。2室的烟气温度最高达到615.7℃或615.0℃, 烟气高度最低为0.5 m, CO浓度最高为2 046.6 ppm或2 046.0 ppm。

3) 2室沙发的燃烧将造成1室的烟气温度、烟气层界面高度和CO浓度的二次上升, 增加1室的火灾危害性, 为消防救援带来困难。

5 结语

本文利用CFAST软件模拟两相邻房间的火灾在三种不同设置情况下, 起火房间1室和相邻房间2室烟气层界面高度、烟气温度、烟气层CO浓度随时间的变化情况, 对两室的燃烧之间的影响做了分析。在模拟的过程中, 本文存在一些不足, 如燃烧材料的选择, 室内装修及其他可燃物的设置, 因此得到的结果只能作为参考。

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