基于FDS的防火間距對工業(yè)建筑間火災(zāi)蔓延的影響分析

關(guān)忠慧 李 麗 劉 新

(長春工程學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院,長春 130012)

防火間距是指建筑著火后,防止其在熱輻射作用下,引燃蔓延至相鄰的、沒有任何保護(hù)措施的建筑物,且便于消防撲救的間隔距離[1].防火間距是保證人員安全疏散和降低火災(zāi)時熱輻射的必要間距.所以,為了有效地防止火災(zāi)向鄰近的建筑物蔓延,工業(yè)建筑必須要設(shè)置合理的防火間距.《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB50016-2014)中,規(guī)定了不同工業(yè)建筑的防火間距值,其參考依據(jù)主要來源于當(dāng)前消防滅火經(jīng)驗和撲救能力等因素[2].本文主要通過FDS數(shù)值模擬直觀呈現(xiàn)不同防火間距下著火建筑物火災(zāi)的具體情況.

1 FDS理論基礎(chǔ)

1.1 控制方程

FDS是一種可對火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行模擬的軟件,研究熱傳遞過程以及煙氣流動,通過數(shù)值模擬觀測火勢的蔓延,得到溫度場、能見度的變化等情況,數(shù)值計算過程中需要求解Navier-Stokes方程[3],它是描述熱驅(qū)動的流動性方程組,主要包括:

質(zhì)量守恒方程:

(1)

動量守恒方程:

(2)

能量守恒方程:

(3)

式中,τ為 時間,s;ρ為密度,kg/m3;ui為流體速度在i方向上的分量,m/s;gi為重力加速度,m/s2;p為流體靜壓力,Pa;Fi為作用于流體上的外力,N;τij為 粘性力張量,N;h為比焓,J/kg;k為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);qr為 體積熱釋放率,W/m3.

1.2 數(shù)學(xué)模型

FDS應(yīng)用的亞網(wǎng)格應(yīng)力模型主要依據(jù)大漩渦模擬技術(shù),該技術(shù)中包含大尺度和小尺度的渦,通過濾波函數(shù)可將兩者分離開來,大尺度的渦直接模擬,小尺度的渦則需用模型來封閉[4].本文主要采用大渦模擬計算,選擇基于組分的混合物燃燒模型.混合物燃燒模型中有幾點假設(shè):首先燃燒是混合控制的,其次燃料與氧氣的反應(yīng)速度趨于無窮大,最后通過簡化分析和測量,得到經(jīng)驗表達(dá)式中的混合比,即反應(yīng)物和產(chǎn)物的質(zhì)量關(guān)系,并用狀態(tài)關(guān)系式表示出來.反應(yīng)形式如下:

CxHyOZNVOtherw+VCO2O2→VCO2CO2+VH2OH2O+VCOCO+VsootSoot+VN2N2+VH2H2+VOtherOther

(4)

2 火災(zāi)模型及參數(shù)設(shè)置

假設(shè)模型的整體尺寸參數(shù)為18m×8m×5m,在該計算區(qū)域內(nèi)有兩個相鄰的單層工業(yè)建筑,其結(jié)構(gòu)均為磚混結(jié)構(gòu),墻壁厚度為0.02m.設(shè)該模型其中一個建筑遭受火災(zāi),其幾何尺寸為6m×4m×3m,內(nèi)部設(shè)有開關(guān)柜和電纜設(shè)備.另一個建筑幾何尺寸為4m×4m×5m,兩相鄰建筑物相距4m,建筑模型外部設(shè)置為外界大氣環(huán)境.具體物理模型如圖1、圖2所示.

圖1 整體模型框架圖Fig.1 The whole model framework

圖2 整體模型三維效果圖Fig.2 The whole model 3D rendering

假定事故發(fā)生是由開關(guān)箱內(nèi)線路老化導(dǎo)致系統(tǒng)短路而引發(fā)的火災(zāi).點火源的大小設(shè)為0.6m×0.5m,根據(jù)相關(guān)資料可知,火災(zāi)的熱釋放速率最大應(yīng)選取4.0MW.依據(jù)最不利原則,考慮火勢情況為嚴(yán)重,將該工業(yè)建筑的火災(zāi)確定為快速發(fā)展火,故可得出火災(zāi)增長系數(shù)a=0.046 9,再通過計算得出熱釋放速率為4.0MW時所對應(yīng)的時間為60s.用戶在計算時可以根據(jù)需要直接調(diào)用FDS數(shù)據(jù)庫中自帶的材料燃燒特性.建筑的熱邊界條件選取為軟件默認(rèn)的熱厚層邊界,即整體結(jié)構(gòu)的熱量傳遞為一維導(dǎo)熱問題.初始溫度設(shè)為25℃,氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓.除建筑物所在區(qū)域外,其余計算區(qū)域都將邊界設(shè)定為開放環(huán)境.通風(fēng)情況設(shè)為以4m/s的速度沿正x方向送風(fēng),即風(fēng)向與其相鄰的建筑所在方向一致,最后模擬計算的時間設(shè)為600s.具體設(shè)置詳見表1.

表1 不同防火間距設(shè)置參數(shù)Table 1 Setting parameters of different fire separations

3 模擬結(jié)果與對比分析

3.1 煙氣溫度對比分析

考慮人員臉部五官的位置,假定平均高度為1.6m,因此將熱電偶設(shè)置在兩建筑門口中心的1.6m高處,以此來監(jiān)測煙氣的溫度值,具體溫度變化曲線見圖3.由圖3可明顯得出不同間距下的溫度變化趨勢,即隨著間距的增大曲線的斜率逐漸降低.若將此高度處的煙氣的危險溫度設(shè)為60℃,從圖3中可以觀察到,間距2m的先達(dá)到60℃,歷時220s左右,此時相鄰建筑狀態(tài)達(dá)到危險級別；間距4m的達(dá)到60℃歷時500s左右,危險程度有所降低；而間距6m的最高溫度不足50℃,所以在這種情況下相鄰的建筑仍是處于一個相對安全的狀態(tài).

圖3 三種間距下相鄰建筑門中心處溫度變化Fig.3 Temperature variation at the door center of adjacent the building under three fire separations

圖4 三種間距下相鄰建筑門中心處熱輻射變化Fig.4 Thermal radiation variation at the door center of the adjacent building under three fire separations

3.2 熱輻射監(jiān)測點結(jié)果分析

同理將熱輻射監(jiān)測點設(shè)置在兩建筑門口中心的1.6m高處,根據(jù)它們的熱輻射輸出值E,繪出變化曲線見圖4.由圖4可明顯看出熱輻射值E曲線變化與圖3中的溫度t曲線變化大致相同.根據(jù)熱輻射對人員產(chǎn)生危害的基本理論可知,熱輻射值E上升至4.0kW/m2時會令人身體產(chǎn)生灼痛感,間距2m在300s時達(dá)到這一數(shù)值,而500s時熱輻射值甚至超過了12.5kW/m2,此時會造成人員燒傷;間距4m在450s時熱輻射值上升至4.0kW/m2,但最大值不超過5kW/m2,較間距2m程度輕;而間距6m熱輻射最大值未到達(dá)4.0kW/m2,因此相對安全.

3.3 可見度云圖對比分析

圖5～圖7分別表示1.6m高度處三種間距在150s，300s，480s時刻的可見度云圖對比.

由圖5可見，間距2m的能見度出現(xiàn)明顯下降,主要集中在門口和著火建筑內(nèi)火源附近部位,建筑物間部分區(qū)域的能見度也受到些許影響,而間距4m，6m的能見度均未出現(xiàn)較明顯的變化.

圖5 150s時不同防火間距可見度云圖對比Fig.5 Contrast of visibility nephogram for different fire separations at 300s

由圖6可見，間距2m的建筑物間的大部分區(qū)域能見度出現(xiàn)大幅度下降,著火建筑的能見度已下降至10m,可以看出發(fā)生了顯著的變化,而此時間距4m，6m的能見度僅有輕微波動.

圖6 300s時不同防火間距可見度云圖對比Fig.6 Contrast of visibility nephogram for different fire separations at 300s

由圖7可見，間距2m的著火建筑對相鄰建筑內(nèi)部人員已經(jīng)構(gòu)成嚴(yán)重威脅,相鄰建筑的能見度已降到10m以下,因此必須對人員進(jìn)行安全疏散和采取必要的應(yīng)急救援措施；間距4m的能見度仍保持在18m左右,所以對人員影響較小,但相鄰建筑門口處的能見度卻受到較大影響；而間距6m的能見度相對來說比較清晰,整體上看似乎仍未受到相鄰著火建筑的影響.

圖7 480s時不同防火間距可見度云圖對比Fig.7 Contrast of visibility nephogram for different fire separations at 480s

4 結(jié)論

(1) 模擬給出了1.6m高度處煙氣溫度、熱輻射值隨時間變化的規(guī)律.

(2) 模擬條件下,在2m,4m和6m等三種防火間距中,6m間距時相鄰建筑始終處于安全狀態(tài),不受著火建筑的影響;2m間距受影響最大,達(dá)到危險狀態(tài)的時間最短,約為250s;4m間距時危險程度次之.如將防火間距設(shè)為6m,則相鄰建筑處于相對安全的狀態(tài)即不受著火建筑的影響.

(3) 防火間距在很大程度上影響火災(zāi)的蔓延,為有效防止火災(zāi)在相鄰建筑間的蔓延,須設(shè)置適當(dāng)?shù)姆阑痖g距;

[1] 楊雪松.淺論防火間距[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2012(4):47.

[2] 李引擎.建筑防火性能化設(shè)計[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[3] 譚科峰.基于FDS的水噴淋熱輻射防護(hù)效用研究[D].北京:中國石油大學(xué),2011.

[4] 徐艷秋,王振東,李智男.高層建筑室外火災(zāi)的數(shù)值模擬與分析[J].研究與探索,2011(6):8-11.