郭 亮，段強領

(1.湖北省武漢市消防救援局，武漢 430024；2.中國科學技術大學，合肥 230027)

火災調(diào)查工作不僅與火災事故原因、事故損失、事故責任的確定有關，更為火災有關責任人刑事和民事責任的判定提供依據(jù)[1]。然而在火災調(diào)查中，火災事故調(diào)查人員對于火災事故原因的認定往往比較抽象，不易被接受，基于火災動力學理論和計算機數(shù)值模擬結合的方法，重構火災現(xiàn)場并且模擬火災發(fā)生發(fā)展過程，對于提升火災調(diào)查的科學性和準確性有很大幫助[2]。

趙涵璽[3]對一起酒店縱火案的場景進行重構，并與實際火災現(xiàn)場進行對比分析，通過模擬來完善火災調(diào)查中的細節(jié)問題。姜蓬[4]對某大廈火災進行重構，對兩種可能的起火點建立場景模型進行模擬，并與現(xiàn)場勘驗結果進行對比分析，找到了合理的起火點，解決了火災調(diào)查勘驗無法解決的問題。董艷磊等[5-6]把模擬仿真技術運用到電氣火災事故調(diào)查中，在模擬仿真軟件中建立模型，設置不同的模塊參數(shù)，模擬短路時特定參數(shù)的變化特點，為火災調(diào)查原因認定提供幫助。一些學者[6-8]對倉庫火災場景進行重構，測量溫度分布、煙氣擴散行為等參數(shù)，與專家現(xiàn)場勘驗結果進行對比分析，預測了火災發(fā)展及煙氣運動情況。邰鋒等[9-13]利用經(jīng)驗模型和現(xiàn)場勘驗獲取到的信息，利用FDS軟件構建三維空間模型，進一步驗證火災事故調(diào)查認定的準確性。

因此筆者應用FDS數(shù)值模擬軟件，對火災的發(fā)生發(fā)展過程進行還原，對火災發(fā)展規(guī)律、溫度分布以及可見度進行分析，并將數(shù)值模擬結果與現(xiàn)場勘驗結果進行對比分析，幫助火災調(diào)查人員確定火災起因，為火災調(diào)查工作提供技術支持。

1 火災基本情況及場景描述

1.1 火災基本情況

2021年12月19日早上9時53分左右湖北省某市一居民樓內(nèi)發(fā)生火災，造成兩人死亡(姐妹兩人，分別為16歲和5歲)。該居民樓建筑層數(shù)為7層，一梯兩戶，共2個單元，建筑高度為21米。該建筑的東、南、西三面均與其他居民區(qū)建筑接臨，北鄰大街。火災發(fā)生房間位于建筑頂樓(第7層)。火災起火點位于沙發(fā)中間，由于火災快速蔓延至逃生出口，導致受害人第一時間無法逃離現(xiàn)場?；馂臒龤Х块g內(nèi)的家用電器、家具、地板、衣服，建筑一定程度受損，過火面積約70 m2。

1.2 火災場景信息

火災現(xiàn)場位于該建筑西側單元的第7層701室，場景描述如表1所示，可燃物信息及其分布如表2所示。

表1 場景描述

表2 可燃物信息

2 火災場景模擬

2.1 FDS軟件介紹

FDS是由美國國家標準與技術研究院(NIST)下屬的建筑火災研究實驗室(BFRL)研發(fā)的一款計算火災流體力學場模擬軟件。它把限定空間劃分為多個小的計算單元，計算單元中的溫度、壓力、氣體濃度，通過有限體積技術計算熱輻射以及流體流動中的湍流現(xiàn)象。模型主要分為兩個部分：①求解微分方程的主程序，通過輸入火災場景的各個參數(shù)，計算氣相和固體表面間的輻射與對流傳熱，火焰?zhèn)鞑ヅc火災蔓延，以及水噴淋對火災的抑制效果等；②采用Smokeview實現(xiàn)模擬結果的可視化輸出。FDS也是火災調(diào)查和火災場景重構的一個重要工具[14]，該軟件的計算方法包括直接數(shù)值模擬和大渦數(shù)值模擬，筆者采用大渦模擬(LES)的方法對居民房的火災發(fā)展、溫度分布、煙氣蔓延以及煙氣可見度進行數(shù)值模擬分析。

2.2 模型重構

根據(jù)失火房間平面布置圖以1∶1比例建立模型，并且根據(jù)詢問筆錄記錄的“在火災剛發(fā)生時，臥室2窗口煙氣較小，臥室1和客廳陽臺煙霧較為濃烈”等情況，判斷死者生前居住的臥室2房門處于關閉狀態(tài)，根據(jù)現(xiàn)場勘驗結果以及火災調(diào)查專家分析，火源位置處于沙發(fā)上，據(jù)此重構火災場景如圖1所示。

圖1 火災場景模型圖

在模型中設置切片可以觀察到溫度分布以及煙氣擴散情況，根據(jù)受害者身高設置溫度切片與可見度切片高度為1.5 m。

網(wǎng)格尺寸的設置對數(shù)值模擬的計算結果影響十分重大，網(wǎng)格過大或者過小均會引起較大的計算誤差，在數(shù)值模擬中分別設置網(wǎng)格尺寸為10×10×10(cm3)和5×5×5(cm3)，網(wǎng)格數(shù)量分別為476 000和3 808 000。經(jīng)過網(wǎng)格獨立性測試及時間步長設置，兩種尺寸網(wǎng)格計算結果相同，表明網(wǎng)格尺寸對計算結果沒有影響，考慮到網(wǎng)格越大模擬時間越短，故選取較大的網(wǎng)格尺寸模擬結果進行分析。

2.3 數(shù)值模擬結果及分析

將數(shù)值模擬中火災蔓延和煙氣擴散情況與消防支隊的現(xiàn)場勘驗筆錄、調(diào)查詢問筆錄、現(xiàn)場照片等證據(jù)進行比對，綜合認定火災原因。

2.3.1 火災演化行為規(guī)律

火災發(fā)展過程如圖2所示，可知在火災初期約80 s時，火源引燃沙發(fā)，隨之引燃沙發(fā)整體，玄關鞋柜在火焰熱輻射作用下被點燃，火焰在浮力作用下沿鞋柜壁向上蔓延，隨之引燃整個玄關鞋柜，140 s左右，客廳發(fā)生轟燃，客廳內(nèi)所有可燃物(地板、吊頂、電視柜、沙發(fā)、相框等)均被引燃?？蛷d轟燃發(fā)生后，產(chǎn)生大量熱量，火災向臨近房間蔓延。

圖2 火災演化過程

臥室1中有非常多的可燃物，且通風條件良好，導致臥室1內(nèi)可燃物持續(xù)燃燒，煙氣通過窗戶擴散至外部環(huán)境，所以現(xiàn)場燒損情況十分嚴重，從建筑外部亦可觀察到臥室1窗口有大量煙氣逸出。而臥室2的房門起初處于關閉狀態(tài)，150 s左右臥室2的房門在火焰作用下被燒穿，然后房間內(nèi)其他可燃物，如床墊、床頭柜、床板、衣柜被引燃。由于臥室2的窗戶開啟，向房間內(nèi)持續(xù)供氧，導致房間內(nèi)可燃物一直持續(xù)燃燒，現(xiàn)場燒損情況也非常嚴重。臥室3在被火焰點燃其中的可燃物后，短時間內(nèi)被熄滅。這主要是由于臥室3位于房屋的最里面，房間距離陽臺較遠且無窗戶，因此該臥室通風條件較差，使得被消耗氧氣無法補充支撐可燃物繼續(xù)燃燒。因此，可燃物被點燃后短時間內(nèi)又熄滅，燃燒程度與現(xiàn)場勘驗結果相符(燒損較微弱)。廁所中可燃物較少，只有火焰和煙氣通過的痕跡，廁所處燒損程度也較微弱，火災產(chǎn)生的煙氣經(jīng)廁所窗戶向外部環(huán)境擴散，也與實際火災場景相符(只有過火痕跡)。以上模擬情況均與現(xiàn)場勘驗結果相符。

2.3.2 溫度變化模擬

高度1.5 m處的溫度云圖如圖3所示，顯示了火災前中后期的溫度分布情況，由圖3可知在火災前期，客廳內(nèi)可燃物一直被引燃導致客廳溫度持續(xù)上升，然后客廳到達轟燃條件發(fā)生轟燃，火焰向其他房間蔓延，臨近房間室溫上升，臥室2的房門在客廳達到轟燃后一段時間被燒穿，火焰點燃臥室2中的可燃物，臥室2中溫度急劇上升。

圖3 Z=1.5 m處溫度云圖

2.3.3 煙氣擴散模擬

高度1.5 m處的可見度云圖如圖4所示，顯示房屋內(nèi)火災發(fā)展各個階段的可見度分布情況。由圖4可知在火災前期，沙發(fā)和鞋柜被點燃釋放出濃煙，煙霧充滿客廳和臥室3，可見度迅速降低，接著煙霧向臥室1和廚房廁所擴散；到火災中期，臥室1中的可燃物被點燃釋放出煙霧充滿整個臥室1，部分煙霧通過窗戶擴散至外部環(huán)境，隨后臥室2的房門被燒穿，臥室2內(nèi)可燃物被點燃釋放出濃煙，煙霧迅速充滿臥室2，可見度降低。

圖4 Z=1.5 m處可見度云圖

3 結論

(1)利用FDS對某火災事故進行了場景重構和火災行為演化數(shù)值模擬，通過對建筑內(nèi)火災演化過程、煙氣蔓延行為以及可見度變化規(guī)律的分析，發(fā)現(xiàn)模擬結果與火災現(xiàn)場勘查結果和物證基本吻合，進而驗證了基于數(shù)值模擬的火災場景重構技術的合理性和有效性。

(2)盡管數(shù)值模擬結果不能直接作為火災調(diào)查證據(jù)，但可以作為驗證火災事故原因、認定準確性的有效手段，并且可以為火災調(diào)查員推斷火災的起火原因、起火時間、起火位置提供技術支撐，也可以幫助火災調(diào)查人員了解現(xiàn)場火災蔓延和人員逃生等行為。

(3)未來將進一步開展利用數(shù)值模擬進行火災場景重構的研究工作，將其作為火災調(diào)查的有效補充手段，通過數(shù)值模擬火災場景重構技術與現(xiàn)場物證勘查相結合，相互作證，完善火災調(diào)查平臺，進而提升火災調(diào)查工作水平。