(上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

火災(zāi)發(fā)生過(guò)程中，消防滅火導(dǎo)致建筑物倒塌，造成消防員傷亡事故屢有報(bào)道。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)建筑，由于消防水沖刷引起的鋼構(gòu)件溫度改變可能是建筑倒塌的重要原因。建筑火災(zāi)中，建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度升高，引起構(gòu)件材料物理、力學(xué)性能發(fā)生改變。在消防滅火過(guò)程中，由于不均勻降溫，構(gòu)件在約束狀態(tài)下產(chǎn)生附加應(yīng)力，引起整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力重分布，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌。研究結(jié)構(gòu)在火災(zāi)及滅火過(guò)程中的行為，必須準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)火場(chǎng)的升-降溫全過(guò)程。目前，針對(duì)火災(zāi)過(guò)程中溫度場(chǎng)及煙氣已有不少研究。孫冬明等[1]通過(guò)對(duì)升-降溫全過(guò)程中約束鋼梁進(jìn)行試驗(yàn)和有限元分析，發(fā)現(xiàn)在潑水冷卻后梁表面溫度驟降，梁兩端軸向支撐被拉斷，得出結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在降溫過(guò)程中也會(huì)發(fā)生破壞，甚至引起整體倒塌。楊培培等[2]采用FDS對(duì)在噴淋作用下的宿舍火災(zāi)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，得出水噴淋裝置會(huì)對(duì)煙氣溫度和CO生成量產(chǎn)生顯著影響。張琳等[3]對(duì)軟墊家具進(jìn)行全尺寸燃燒試驗(yàn)研究，得出燃燒過(guò)程的冷卻速度及煙氣層溫升抑制效果與水噴淋流量有關(guān)。

選用火場(chǎng)模擬程序FDS (Fire Dynamics Simulator)[4]，結(jié)合一間安裝有水噴淋的客廳小室，模擬小室發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防水壓力改變對(duì)小室火災(zāi)發(fā)展過(guò)程的影響，設(shè)計(jì)了自然燃燒、0.1 MPa水壓強(qiáng)控制、0.2 MPa水壓強(qiáng)控制和0.4 MPa水壓強(qiáng)控制以及改變消防水初始作用的時(shí)間等各種工況，得到一些小室熱釋放率、關(guān)鍵點(diǎn)溫度、溫度在空間的梯度分布及小室在消防水作用下的滅火、控火效果。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 計(jì)算模型簡(jiǎn)介

選用FDS軟件進(jìn)行火災(zāi)發(fā)生全過(guò)程數(shù)值模擬。該計(jì)算流體力學(xué)軟件在模擬火災(zāi)過(guò)程中采用大渦模擬的方式，主要模擬對(duì)象是火場(chǎng)中流體的運(yùn)動(dòng)[4]。FDS采用數(shù)值方法求解受火災(zāi)浮力驅(qū)動(dòng)的低馬赫數(shù)流動(dòng)N-S方程，重點(diǎn)計(jì)算火災(zāi)中的煙氣和熱傳遞過(guò)程[5]。噴水滅火的主要機(jī)理為直接冷卻燃燒物，水滴蒸發(fā)吸收周?chē)臒崃?，冷卻燃燒物附近的物體并且冷卻煙氣層。

1.2 液滴傳質(zhì)模型

由于噴淋霧滴蒸發(fā)引起的質(zhì)量損失方程[6]為

(1)

式中，md為液滴質(zhì)量；D為水蒸氣進(jìn)入空氣的擴(kuò)散系數(shù)；Y為質(zhì)量分?jǐn)?shù)；rd為液滴半徑；ρ為氣體密度；Sh為液滴的舍伍德數(shù)，Sh由雷諾數(shù)(Re)與施密特?cái)?shù)(Sc)的關(guān)系式確定，即Sh=2+0.6Re1/2Sc1/3；Yg為氣體的質(zhì)量比，可由氣體質(zhì)量守恒得出，Yd為液滴的質(zhì)量比，由Clausius-Clapeuron方程式得到

(2)

(3)

式中，Xd為液滴水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)；hv為汽化潛熱；Mw為水的相對(duì)分子質(zhì)量；Ma為空氣的相對(duì)分子質(zhì)量；R為氣體常數(shù)；Tb為水的沸點(diǎn)；Td為液滴的溫度。

1.3 液滴傳熱模型

燃燒煙氣對(duì)液滴的對(duì)流傳熱與液滴蒸發(fā)所需的熱量的差值即為液滴能量增量，其方程式[7]為

(4)

(5)

(6)

式中，Nu為努謝爾數(shù)；k為熱傳導(dǎo)系數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)，其中空氣可取0.7；Re為雷諾數(shù)。

1.4 噴淋導(dǎo)致熱釋放速率改變模型

噴淋系統(tǒng)作用后，造成熱釋放速率改變的方程式[7]為

Q=Q0e-k1(t-t0)

(7)

式中，Q為t0時(shí)的熱釋放速率；k1與燃料和噴淋強(qiáng)度相關(guān)的系數(shù)；t0為噴淋啟動(dòng)時(shí)間。

1.5 燃燒室網(wǎng)格及參數(shù)設(shè)定

燃燒模型計(jì)算區(qū)域?yàn)?.2 m×5.4 m×3 m，環(huán)境溫度設(shè)定20 ℃?；鹪疵娣e為0.2 m×0.3 m，置于沙發(fā)上，其位置如圖1所示，燃料為沙發(fā)及其它雜物。

所有FDS計(jì)算都必須在由網(wǎng)格直線組成的域內(nèi)進(jìn)行，任何超出模擬邊界之外的物體都會(huì)在邊界處被切斷。為使模擬精度達(dá)到最佳，3個(gè)方向的單元格尺寸長(zhǎng)度最好相近[8]。對(duì)網(wǎng)格劃分比較敏感的火源附近，不同的劃分方式會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果造成較大影響，而遠(yuǎn)離火源的區(qū)域受其影響相對(duì)較小[9]?；鹪锤浇O(shè)定了2種劃分網(wǎng)格的方式，分別選取網(wǎng)格大小為0.1 m×0.1 m×0.1 m和0.2 m×0.2 m×0.2 m進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)劃分網(wǎng)格大小為0.1 m×0.1 m×0.1 m時(shí)，所需計(jì)算時(shí)間為18 h，而網(wǎng)格大小劃分為0.2 m×0.2 m×0.2 m時(shí)，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為3 h，兩種網(wǎng)格劃分方式最后得到的關(guān)鍵點(diǎn)熱釋放率、溫度等參數(shù)的結(jié)果基本一致?？紤]到計(jì)算時(shí)間和精度的要求，在相對(duì)合理的運(yùn)算時(shí)間內(nèi)得到較精確的模擬結(jié)果，最后劃分網(wǎng)格大小為0.2 m×0.2 m×0.2 m。

設(shè)定火源的熱釋放速率為500 kW/m2，室內(nèi)初始溫度為20 ℃，噴頭的設(shè)置參照《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》。根據(jù)消防水釋放壓力的不同，建立不同的火災(zāi)工況。本試驗(yàn)設(shè)置自然燃燒工況模型，壓強(qiáng)分別為0.1 MPa，0.2 MPa，0.4 MPa的消防水作用模型，0.4 MPa消防水開(kāi)始作用時(shí)間分別為火災(zāi)發(fā)生后200 s、400 s、600 s模型，其它條件都不變。噴頭的位置坐標(biāo)為(2.6,2.3,2.85)，溫度關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)為(2.6,4.4,2.9)，位于火源上方距頂棚10 cm處。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱釋放率的變化

單位時(shí)間內(nèi)材料燃燒時(shí)所釋放出的總熱量被稱(chēng)為熱釋放速率,是衡量火災(zāi)危險(xiǎn)程度的重要參數(shù)，它控制和影響著其它燃燒性能參數(shù)[3]?；馂?zāi)形成的環(huán)境變化如火災(zāi)羽流、室內(nèi)煙氣溫度以及煙氣層的沉降速度等，很大程度上由室內(nèi)火場(chǎng)的熱釋放速率控制[10]。對(duì)于火災(zāi)發(fā)展過(guò)程，一般采用熱釋放速率隨時(shí)間的變化來(lái)表示。不同水流量下火場(chǎng)熱釋放速率隨時(shí)間變化關(guān)系如圖2所示。

圖2 消防水作用前后室內(nèi)熱釋放率曲線對(duì)比圖

在自然燃燒情形下，室內(nèi)可燃物的燃燒過(guò)程分為3個(gè)階段，即引燃、燃燒和自然熄滅。沙發(fā)引燃后熱釋放速率迅速增大，在燃燒發(fā)生后的490 s，達(dá)到最大峰值4 500 kW。隨后進(jìn)入自然熄滅階段，熱釋放速率開(kāi)始下降。而在消防噴水作用時(shí)，室內(nèi)家具的燃燒過(guò)程分為引燃、燃燒、噴水抑制、熄滅4個(gè)階段。

消防水作用壓力為0.1 MPa時(shí)，此時(shí)水流量為56 L/min，由圖2曲線可知，火場(chǎng)熱釋放速率依然增大，但峰值明顯降低。起火后550 s 時(shí)熱釋放率達(dá)到峰值2 400 kW，相比自然燃燒工況下降低了46%，火災(zāi)得到控制。此后在消防水的持續(xù)冷卻作用下，熱釋放速率趨于平穩(wěn)，保持在1 500 kW左右，直至900 s進(jìn)入撲滅階段，在1 050 s時(shí)基本接近0 kW，火災(zāi)被撲滅。由此可見(jiàn)，消防水作用對(duì)于火場(chǎng)的蔓延有顯著抑制效果。在消防水作用后，可燃物燃燒速度減緩，火場(chǎng)熱釋放率的最大值明顯降低。

當(dāng)改變消防水壓力為0.2 MPa時(shí)，即水流量增大至112 L/min，由熱釋放速率曲線可以看出，噴水后熱釋放速率值略有波動(dòng)，總體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，在消防介入900 s左右熱釋放率值迅速下降到50 kW。但隨后繼續(xù)增大，在1 400 s時(shí)達(dá)到峰值1 800 kW后熱釋放速率出現(xiàn)再次下降，此時(shí)火災(zāi)進(jìn)入撲滅階段。這是由于水流量的增大使家具燃燒相比0.1 MPa時(shí)更快被抑制，但消防水作用范圍限于房間中央，對(duì)于中間部位的沙發(fā)能夠直接抑制其燃燒，而處于邊部的可燃物，在燃燒發(fā)生900 s后達(dá)到引燃狀態(tài)，故出現(xiàn)了熱釋放率再次增大的現(xiàn)象。

當(dāng)水壓力為0.4 MPa時(shí)，即提供流量為158.4 L/min時(shí)，熱釋放率的變化曲線與0.2 MPa基本一致，峰值略有下降。

對(duì)比圖2中水壓力分別為0.1 MPa、0.2 MPa的曲線可以看出，隨著水流量加大，燃燒過(guò)程熱釋放率降低，火場(chǎng)冷卻速度加快。水壓力分別為0.2 MPa和0.4 MPa的兩條曲線表明，水流量增加到一定值后繼續(xù)增大，并不能更快地抑制火災(zāi)的發(fā)展，這是由于模擬分析中噴頭位置固定，導(dǎo)致消防水作用的區(qū)域有限。

2.2 關(guān)鍵點(diǎn)溫度變化特點(diǎn)

測(cè)量點(diǎn)溫度變化曲線如圖3所示。對(duì)比分析圖2可知，溫度曲線與熱釋放率曲線呈現(xiàn)出基本一致的變化趨勢(shì)。由自然燃燒溫度曲線可知在t=250 s時(shí)發(fā)生了轟燃現(xiàn)象，室內(nèi)溫度突然升高。對(duì)于自然燃燒情況，其平穩(wěn)燃燒階段的溫度為400 ℃。當(dāng)消防水作用壓力為0.1 MPa時(shí)，轟燃后能夠達(dá)到最高溫度為325 ℃。當(dāng)消防水作用壓力為0.2 MPa時(shí)，關(guān)鍵點(diǎn)的溫度先下降至室溫左右，由于離噴頭位置較遠(yuǎn)位置的可燃物繼續(xù)燃燒，隨后關(guān)鍵點(diǎn)溫度又開(kāi)始上升直至200 ℃?？梢?jiàn)，單一一定流量下的固定位置的消防噴頭能夠有效減緩燃燒速度，但對(duì)于可燃物較多、堆放不集中的房屋不能起到立即撲滅火災(zāi)的作用。

圖3 消防水作用前后關(guān)鍵點(diǎn)溫度曲線變化圖

2.3 消防介入時(shí)間對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)溫度的影響

實(shí)際發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防人員到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)始滅火的時(shí)間不確定，通過(guò)改變消防水的初始作用時(shí)間，來(lái)模擬真實(shí)的滅火場(chǎng)景。圖4為小室發(fā)生火災(zāi)時(shí)自然燃燒及消防水作用時(shí)間分別為火災(zāi)發(fā)生后200 s、400 s、600 s時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)溫度的變化曲線。當(dāng)消防水介入時(shí)間為200 s時(shí)，關(guān)鍵點(diǎn)溫度立刻下降，由于可燃物正處于轟燃階段，溫度降低幅度不大。隨后出現(xiàn)溫度再次上升，到達(dá)最大值225 ℃后開(kāi)始下降，直至火災(zāi)熄滅。當(dāng)消防水介入時(shí)間為400 s時(shí)，關(guān)鍵點(diǎn)溫度達(dá)到最高為400 ℃，由于有消防水作用，溫度立刻下降至200 ℃，可燃物繼續(xù)燃燒100 s左右后火災(zāi)逐漸熄滅。而當(dāng)消防水介入時(shí)間為600 s時(shí)，由自然燃燒工況下的溫度曲線可知，此時(shí)室內(nèi)可燃物基本燃燒殆盡，燃燒進(jìn)入衰減階段，此時(shí)消防水的作用并不明顯。綜上可知，消防水的介入時(shí)間對(duì)室內(nèi)火災(zāi)的抑制有極大的影響效果。消防水作用于火場(chǎng)的時(shí)間越早，越有利于火災(zāi)的撲滅，并且能夠極大程度降低火場(chǎng)的最高溫度。

圖4 消防水初始作用時(shí)間改變關(guān)鍵點(diǎn)溫度變化曲線

2.4 溫度在空間的梯度分布

火災(zāi)過(guò)程中，消防水介入不僅降低了室內(nèi)的溫度，同時(shí)也會(huì)對(duì)空間溫度梯度造成影響。通過(guò)對(duì)X=2.6 m，且距頂棚10 cm處的溫度場(chǎng)分析，得出了在自然燃燒情況下和消防水初始介入時(shí)間為200 s以及初始介入時(shí)間為400 s時(shí)的空間溫度梯度分布曲線。由圖5可知由于t=200 s時(shí)火災(zāi)正處于發(fā)展階段，自然燃燒工況下頂棚的溫度還未達(dá)到統(tǒng)一，但溫度梯度分布均勻。而當(dāng)消防水作用后，在消防水直接作用的位置，溫度下降了100 ℃，其余位置溫度基本不變。而在400 s時(shí)，如圖6，在自然燃燒工況下火災(zāi)正處于平穩(wěn)燃燒階段，此時(shí)空間溫度梯度平穩(wěn)，在消防水作用過(guò)程中，消防水直接作用位置溫度瞬間下降了150 ℃，其它位置溫度變化不大，導(dǎo)致了空間溫度梯度十分不均勻。對(duì)于構(gòu)件來(lái)說(shuō)，這是極其不利的。因此，在消防滅火過(guò)程中應(yīng)充分考慮這一因素的影響。

圖5 t=200 s時(shí)溫度梯度曲線圖

圖6 t=400 s時(shí)溫度梯度曲線圖

總的來(lái)說(shuō)，增加消防水壓力可以使得小室內(nèi)的溫度降低。消防水開(kāi)始介入的時(shí)間越早，對(duì)火場(chǎng)的抑制效果越好，火場(chǎng)的最高溫度也最低。而由于有消防水的介入，溫度在空間的梯度分布也會(huì)發(fā)生改變。在消防水直接作用位置溫度急速下降到一定值，導(dǎo)致溫度的不均勻分布。因此，消防水的介入對(duì)火災(zāi)的發(fā)展能夠起到抑制的積極作用，同樣也會(huì)造成室內(nèi)溫度分布十分不規(guī)律，在研究消防水對(duì)火災(zāi)的影響效果時(shí)應(yīng)該綜合考慮其兩方面的作用。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)消防水作用下小室火災(zāi)發(fā)展過(guò)程的模擬，研究了自然燃燒、0.1 MPa水作用控制、0.2 MPa水作用控制和0.4 MPa水作用控制以及改變消防水開(kāi)始作用時(shí)間等工況。結(jié)果如下。

(1)在消防水作用下，室內(nèi)溫度下降十分明顯。水壓力為0.1 MPa時(shí)，頂棚附近關(guān)鍵點(diǎn)溫度，從400 ℃降低為300 ℃；而當(dāng)水作用壓力增加到0.2 MPa和0.4 MPa時(shí)，關(guān)鍵點(diǎn)溫度繼續(xù)下降到100 ℃。但是單個(gè)水噴頭對(duì)于可燃物較多的房屋火災(zāi)只能起到抑制作用，不能迅速撲滅火災(zāi)。

(2)火災(zāi)發(fā)生后消防水開(kāi)始作用的時(shí)間不同，其對(duì)火災(zāi)發(fā)展產(chǎn)生的抑制效果也不一樣。消防介入時(shí)間為200 s時(shí)，室內(nèi)能達(dá)到最高溫度為225 ℃；消防介入時(shí)間為400 s時(shí)，室內(nèi)能達(dá)到的最高溫度為400 ℃；消防介入時(shí)間為600 s時(shí)，此時(shí)消防水的作用對(duì)火災(zāi)燃燒狀況幾乎不產(chǎn)生影響。

(3)在消防水作用下，會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)溫度梯度分布極其不規(guī)律。無(wú)消防水作用時(shí)，火場(chǎng)處于發(fā)展階段和平穩(wěn)燃燒階段頂棚空間溫度梯度分布均勻；消防介入后，在消防水直接作用的位置，溫度急速下降，相鄰區(qū)域溫度變化不大，導(dǎo)致其與相鄰位置的溫度差值陡增，即出現(xiàn)溫度梯度分布極不規(guī)律現(xiàn)象。這對(duì)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)是極其不利的因素，故研究消防情況下的火災(zāi)時(shí)應(yīng)充分考慮這種不利情況。