半圆筒状充气膜不同火灾场景下温度场分布特性

申跃奎 王张萍 彭成波

（西安建筑科技大学土木工程学院，西安710055）

半圆筒状充气膜不同火灾场景下温度场分布特性

申跃奎 王张萍*彭成波

（西安建筑科技大学土木工程学院，西安710055）

利用计算流体动力学FDS软件分析不同火灾场景下充气膜结构的火灾特性，重点分析了单一火源在不同位置、风扇进气量、内压及排烟口时的膜面温度场分布。结果表明：离膜面较远的火源，其纵向温度分布较均匀，环向温度分布梯度悬殊；离膜面较近的火源，纵、环向温度分布梯度都较小，温度较为均匀。风扇打开只会显著降低风扇口处的膜面温度，对膜面整体降温效果不明显。内压对膜面温度场分布基本无影响。采用自然排烟系统时，膜面整体降温效果不佳，需采取合理的机械排烟方法。

充气膜结构，FDS，数值模拟，温度场分布

1 引 言

充气膜结构作为一种特殊的大跨空间结构，其火灾特性与传统建筑相比有着明显的区别：充气膜结构属于富氧空间，发生火灾的安全隐患多；结构属于封闭式的，排烟口少而小，自然排烟受到很大限制，且为防止内压泄露，出入口处一般都采用气锁门，门洞尺寸较小，不利人员疏散；内部空间大，烟气纵横向蔓延速率快，空间中任一点离出口距离远，疏散时间长；仅靠空气支承，内部无梁柱支撑物，一般建筑中的防烟划分方式不再适用；消防人员对该类建筑接触不多，经验不足，火灾扑救难度大等，因而我国现行的防火规范已不再适用。国内外近年来多数采用性能化防火设计方法［1，2］，针对不同的结构建立不同的火灾模型，探索空间及结构构件的温度场在时空上的分布，进而考虑材料属性，分析火灾中结构整体受力性能，其中准确计算温度场的分布是问题的关键。

虽然膜材多数是难燃或不燃材料，能够有效阻止火焰扩散，但一旦发生火灾后，当环境温度达到膜材热分解温度时，膜材不但被烧融烧穿，而且会生成大量有毒气体。此外，为了满足外观和承载力需求，一般膜面有钢索加固，高温下钢索预应力的损失、材料力学性能的改变等均会对结构承载力产生严重影响，因而对火灾作用下结构温度场分布特性进行深入研究至关重要。国内外在充气膜结构火灾性能方面的研究甚少：德国建筑材料研究所及魏玛探矿安全研究所对直径为25 m、有防火聚氯乙烯涂层的聚酰胺织物制造的半球体薄膜进行过一些火灾试验［3］，利用4种不同火源测试了火焰的发展、烟气的流动、着火的洞口尺寸及房屋坍陷等情况，并得出相关结论。瑞典研究实验室也进行了类似试验［4］，研究了不同涂层、不同风速的气承式充气膜结构在同一火源作用下的火灾发展情况。美国马里兰大学的Custer教授［5］对不规则的聚乙烯涂层充气索膜结构进行火灾试验，通过观察膜材的燃烧性能、对比膜材内外表面温度及结构失效过程，探讨了火灾作用下充气膜结构的失效模式，得出如下结论：膜材外表面温度较室内温度低，随着火灾的发展，膜材撕裂出现破洞，烟气和内压不断外泄，结构逐渐坍塌；风扇开启后，内压得到及时补充，烟气的上浮力可延缓结构倒塌；实际工程中为避免膜材破损及结构破坏，应选用熔点高性能好的材料等。国内对充气膜结构的抗火性能研究还处于起步阶段，可供参考的文献不多。中国矿业大学的朱国庆教授［6］利用FDS软件对一充气膜煤棚进行数值模拟，以性能化防火设计为基础，从人员安全疏散角度出发，分析了不同火源位置时结构内部的烟气流动特性，包括烟气层温度、CO浓度及烟气能见度，并对人员能否安全撤离作出判断。

传统的结构抗火研究主要是进行结构受真实火灾的试验研究。由于进行整体结构火灾试验费用大、耗时长［7］，本文基于FDS数值模拟软件，以半圆筒状充气膜结构为研究对象，分析不同火灾场景下膜面温度场分布特性，为相关工程提供参考。

2 软件模拟的实验验证

2.1 FDS软件简介

FDS软件是美国NIST建筑与火灾研究实验室开发的基于场模拟的一种火灾模拟程序。场模拟的基本原理是［8］：将着火空间离散化，划分为许多三维小单元，然后运用计算流体动力学（CFD）和计算燃烧学理论对每一个小单元建立质量、能量、动量守恒方程和气体状态平衡微分方程，并进行数值求解，得出火灾中各物理参数在时空上的变化。

FDS模型简述：

（1）流体动力学模型：一般包含两种数值模拟方法，即直接数值模拟（DNS）和大涡模拟（LES），由于DNS自身的缺陷，FDS计算时一般都采用大涡模拟［9］。

（2）燃烧模型：LES采用混合分数模型，DNS采用有限反应模型。

（3）热辐射模型：FDS一般采用有限容分法（FVM），该法所得离散方程组的物理意义明确，且可以保证整个区域的守恒特性，优势明显［10］。

（4）边界条件：FDS中所有固体介质表面均需定义相应的材料燃烧特性和热边界条件，建模时可从软件数据库中直接调用；对于壁面热交换，LES模拟时一般采用经验公式计算，DNS则直接利用理论方法求解。

FDS建模步骤：确定目标物的详细资料→建立FDS数据库（包括模型的建立和详细的热边界条件等）→执行FDS→查看smokeview，校核结果，提取结果文件。

2.2 实验验证

1972年美国Hopkinson教授对半筒状充气膜结构做了大量火灾实验［11］，包括7个烟气实验和3个火灾破坏实验，本文以此为参考，以便验证FDS分析充气膜结构的可行性。实验内容如下：实验模型水平投影长×宽＝19 m×9 m，高4 m，初始环境温度为37℃，内压130 Pa，风扇打开通风，排烟口关闭，观察员在室内全程记录，4 min时打开门，观察员出来，结构内部共设有10个热电偶（分别位于1.8 m高处和膜顶面），燃料为1 L汽油，置于结构中央，燃烧时间10 min。

软件模拟时，利用PYROSIM软件建模，导入FDS，并定义材料燃烧特性、热边界条件及相应的燃烧反应，取均匀网格0.05 m×0.05 m×0.05 m，测点布置同实验。火源热释放速率曲线如图1所示，实验所得温度变化曲线与FDS模拟结果对比如图2所示。

图1 火源热释放速率曲线Fig.1 HRRPUA curve

由图1可知，火源热释放速率于240 s左右降为0，说明此刻材料已燃烧完。图2中屋顶及1.8 m处温度首先随着火源热释放率的增大而不断上升，当材料燃尽后，温度开始下降。可见，室内温度的变化与火源热释放速率密切相关，曲线变化趋势相一致。比较图2中不同测点的温度分布可知，FDS模拟结果与实验所得数据吻合较好，实际中汽油燃烧过程复杂，质量损失、燃烧速率、辐射热等是随机变量，软件模拟只能在一定简化的基础上进行，所以二者曲线不能完全重合，有一定差别，但整体而言，FDS软件可以较好地用来模拟充气膜结构的温度场分布。

3 不同火灾场景下膜面温度场分布特性

图2 屋顶及1.8 m处温度变化曲线Fig.2 Temperature on the roof and at 1.8 m

本文以30 m×15 m×7.5 m的半圆筒状充气膜结构作为研究对象，综合考虑计算结果的准确性和运行总时间，选用0.25 m×0.25 m×0.25 m的网格，单元总数为230 400。以1.5 m×1.5 m ×0.005 m的PMMA热塑性材料作为燃料，燃烧功率参考文献［12］的实验数据，以边长0.25 m的立方块作为稳定火源，热释放速率为500 kW／m2，忽略火源的影响。设环境温度为20℃，燃烧时间为800 s，热电偶紧靠膜面布置，分析不同火灾场景下膜面温度场分布规律。具体模型及测点布置如图3所示。

图3 模型几何尺寸及测点布置（单位：m）Fig.3 Model size and arrangement ofmeasuring points（Unit：m）

3.1 不同火源位置

设充气膜内压为250 Pa，门、风扇及排烟口均不打开，分析火源位于结构中央（火源1）、离墙面1 m（火源2）和主轴1／4（火源3）处的燃烧情况。

选取各情况下的典型测点，不同火源位置时膜面温度场分布及切片Y＝0处烟气温度云图分别见图4、图5。

图4反映了膜面温度场变化规律：同一情况不同测点膜面温度分布很不均匀，温度梯度悬殊，火源正上方烟羽流影响区域内温度较高，最高达到150℃，远离火源处温度梯度逐渐减小。温度曲线于600～700 s出现下降段，说明此时材料燃尽，热释放速率减小，烟气温度下降。火源正上方火焰发展不稳定，上下波动大，因而其测点温度曲线较不光滑；而远离火源处曲线较为平缓、光滑。图4（a）、图4（c）可知，远离膜面的火源1，3，膜面温度场分布规律较相似：对于纵向，离火源越远，沿纵向布置的测温度越低（如1，5，6点）；对于环向，距地面越近或Z值越小，温度越低（如1，2，3，4点）；沿纵向布置的测点，除火源正上方外，温度梯度相差不大，温度分布较均匀，而沿环向布置的测点，温度梯度相差明显，温度分布不均匀，且高温区集中于膜顶面，这与烟气流动规律相适应：火源1，3正上方膜面位于结构最高处，热烟羽流沿着火源中心迅速向上运动，到达顶面后形成顶棚射流，向四周拓展，同时由上至下蔓延，蔓延过程热量不断损失，因而以火源正上方为中心，温度沿膜环向从上至下逐级降低。从图4（b）可看出，离膜面较近的火源2，膜面温度场分布规律是：温度沿横轴对称分布；无论纵向或环向，离火源越远，温度越低（如3，10，11，7点或3，2，1，12点）；除火源正上方外，纵向布置的测点有一定温差，但最大温差不超过10℃，环向布置的测点温度梯度甚小，即火源2膜面温度分布在纵、环两方向都比较均匀。可见，火源2环向膜面温度分布规律与火源1，3存在较大差异，这是因为火源2位于横截面端部，离墙面较近，其正上方膜面高度距地面较小，热烟气沿环向流动规律不同于火源1，3。对于火源1，3，膜顶面烟气纵向流动迅速，沿环面向下运动缓慢，不同高度烟气层温度梯度较大。对于火源2，烟羽流到达火源正上方膜面后，沿纵向迅速蔓延的同时，由于热烟气层温度较高、密度较小，上浮力推动作用下烟气沿火源一侧环向膜面不断向上运动，且运动速度较快，热量损失较小，温度梯度相差不大，直至烟气到达顶棚运动受阻后，则沿着另一侧环向膜面逐渐向下运动，热量局部损失，存在部分温度梯度，但整体而言，火源2膜面沿环向温度分布较均匀。

图4 不同火源位置时测点温度分布图Fig.4 Temperature distribution under different fire source positions

图5 不同火源位置Y＝0处温度切片云图Fig.5 Temperature field at Y＝0 under different fire source positions

图5反映了结构内部温度在竖向空间的变化及烟羽流运动情况：温度在竖向呈层状分布，相邻两层温度梯度约6℃，上层温度高，底层温度低。同一火源不同时刻，800 s时顶面第二烟气层厚度较400 s明显增加，整体烟气层下沉。火源1，2温度在纵向切面沿羽流中心呈对称分布；火源1，3在整个垂直平面内温度数值基本相同；火源2中上层温度较火源1，3低9℃左右，下层烟气温度基本相同，这是因为火源2离纵轴较远，热烟气沿火源正上方较低膜面向顶面蔓延时热量损失所致。

3.2 不同风扇进气量

选用火源1，初始内压250 Pa，门于200 s时打开，排烟口关闭，风扇全程打开并吹入20℃的空气，分析不同气流量2.5 m3／s（情况一）、3.5 m3／s（情况二）、4.5 m3／s（情况三）的温度场变化情况。选取测点1，7，8，9，膜面温度场分布见图6，切面Y＝0处烟气温度云图见图7。

图6 不同气流量时测点温度分布图Fig.6 Temperature distribution under different air inflows

图7 不同情况Y＝0处温度切片云图Fig.7 Temperature field at Y＝0 under different situations

由图6可知：风扇和气锁门打开后，冷气流的进入及热烟气的流出可适当降低膜面温度。1点位于火源正上方，情况二和情况三由于气流量较大，风扇口附近气体对流现象明显；而情况一气流量小，影响相对较小，曲线变化趋势与风扇关闭时基本接近；但气流量越大，膜面温度不一定降低越多，这与火焰发展趋势有关。7点离风扇口较近，受冷空气影响较大，情况一、二、三分别在100 s、 250 s和350 s时开始升温，说明风扇影响区域内，气流量越大，烟气持续室温的时间越长，膜面受温度应力影响时长越短，对结构较有利。8点远离风扇，情况三较情况一、情况二影响稍大，温度降低10℃左右。9点靠近风扇口，受冷气流影响最为明显，降温效果显著，膜面温度偏低，接近室温，与风扇关闭时相比，温度梯度明显，相差20℃左右。

选取温度较高t＝640 s时的切片云图进行分析比较，由图7可知：温度在竖向呈层状分布，风扇打开左侧烟气形成一定漩涡，温度层分界面不规则，漩涡部分温度相对周边稍低，气流量越大，漩涡部分越明显。与风扇关闭时相比，情况三中上部烟气温度降低约10℃，情况一、二温度基本无变化。从左侧门洞处云图可看出，气流量越大，烟气泄漏量越多。

可见，气流量越大，火源功率越不稳定；风扇打开只对风扇口处膜面起到降温作用，其余区域降温效果不明显；风扇气流量的大小对纵向膜面降温有一定影响，气流量大，膜面温度降低较多（火源正上方除外）；气流量越大，门洞处烟气泄漏量越多。

3.3 不同内压

选用火源1，设充气膜内部全封闭，分析不同内压150 Pa（情况一）、250 Pa（情况二）和350 Pa（情况三）时的燃烧情况，温度场分布见图8。

图8 不同内压时测点温度分布图Fig.8 Temperature distribution under different internal pressures

气承式充气膜结构属于低压结构体系，正常使用状态下，室内气压一般为室外的1.001～1.003倍，所以本文分析的内压符合实际要求。由图8可知，图中1点处温度变化曲率稍有不同，其余各点温度曲线基本重合，这说明内压对膜面温度场分布及材料燃烧功率基本无影响，与文献［13］中Hietaniemi所提出的热释放速率修正公式的计算结果相吻合。1点处的误差主要是因为该点位于火源正上方，火源热释放速率自身很不稳定，波动幅度较大，内压作用下火焰发展受一定影响，达到极值点的时间不同。

3.4 不同排烟口

选用火源1，内压250 Pa，采用自然排烟，200 s时打开排烟口，由于充气膜结构气密性要求高，所以开口尺寸不宜过大，假设排烟口面积为0.1 m×0.1 m，模拟过程门、风扇均关闭，分析不同开口位置：侧排开或顶排开时的燃烧情况，并与全封闭时做比较，选择测点1，2，3，6，膜面温度场分布见图9，切面Y＝0处烟气温度云图见图10。

图9 不同开口位置时测点温度分布图Fig.9 Temperature distribution under different open positions

图10 不同开口位置时测点温度分布云图Fig.10 Temperature field under different open positions

由图9可知：火源正上方1点三种情况下膜面温度场分布规律基本相同，这是因为火源正上方受强热辐射影响，膜面是否开口对其温度无影响。远离火源的纵向或环向测点，有着相似的分布规律：侧排打开时，膜面温度与封闭状态下相比稍有降低，约3℃；顶排打开时，膜面温度降低相对前者而言较为明显。可见，火灾发生时顶排打开较侧排打开对膜面温度降低更有利。但由于受到洞口尺寸限制，整体而言自然排烟法对膜面降温效果较差，应采取合理的机械排烟方式。

选取温度较高t＝640 s时的切片云图进行分析比较，由图10可知：自然排烟口打开对烟气垂直平面内的层状分布特性基本无影响；顶排开启时中上层烟气温度较侧排打开时低5℃左右，下层烟气温度无明显变化；排烟口附近热烟气由于受到室外冷空气对流影响，膜面温度较其余位置低5℃～10℃。

4 结 论

（1）竖向烟气温度呈层状分布，温度由上至下逐层降低；随着时间的增加，热烟气层会不断下降，热烟气层厚度增加。

（2）离膜面较远的火源，纵向膜面温度较均匀，温度梯度小，而环向膜面温度均匀性差，温度梯度相差悬殊；离膜面较近的火源，纵、环向膜面温度分布都比较均匀，温度梯度相差较小。

（3）风扇打开，风扇口附近烟气呈旋涡状，竖向温度层分界面不规则；冷空气进入仅对风扇口处膜面起到明显降温作用，其余区域降温效果不明显；风扇气流量的大小对纵向膜面降温有一定影响，气流量大，膜面温度降低较多（火源正上方除外），门洞处烟气泄漏量越多。

（4）若采用自然排烟，顶排打开时膜面降温效果较侧排好，但由于开口尺寸较小，整体降温效果不佳，应采取合理的机械排烟系统。

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Tem perature Field Distribution Characteristics of Half Cylinder Pneumatic M embrane Structure under Different Fire Scenarios

SHEN Yuekui WANG Zhangping*PENG Chengbo
（School of Civil Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China）

A CFD soft ware package，FDS，was used to simulate burning characteristics of air-supported structures under different types of fire scenarios.Temperature distributions onmembrane surfacewere analyzed with factors including a single fire source located at divergent location，air supply，internal pressure and smoke vent.The results show thatwhen the fire source is far from membrane surface，the temperature along the longitude direction is uniform；butwhen the fire source is close tomembrane surface，the temperature gradient is small along both the longitude and transverse directions.When the fan is open，temperature just near the fan drops off，while the cooling effect is not prominenton allmembrane surface.Internal pressure has no effect on temperature.Additionally，when the natural smoke extraction system is open，the cooling effect is poor.Mechanical smoke exhaust systems should be used in practical engineering projects.

air-supported structure，FDS，numerical simulation，temperature distribution

2013－11－08

*联系作者，Email：869130645＠qq.com