房间开口尺寸对室内火灾危险性影响的CFAST模拟研究

王江舵，牛贵来

(驻马店市消防支队 防火监督处，河南 驻马店 463000)

安全工程

房间开口尺寸对室内火灾危险性影响的CFAST模拟研究

王江舵，牛贵来

(驻马店市消防支队 防火监督处，河南 驻马店 463000)

利用CFAST火灾模拟软件对不同房间开口大小和高宽比条件下室内火灾进行模拟。结果表明，室内可燃物较多时，保持开口高度或宽度不变，火灾危险性在某一宽度或高度时达到最大；且当开口面积较小时，火灾危险性随开口高宽比增大而增大；当开口面积较大时，火灾危险性随开口高宽比增大而减小；室内可燃物相对较少时，火灾危险性受房间开口尺寸影响小。

室内火灾；火灾危险性；开口尺寸；CFAST模拟

火灾是各种灾害中发生最频繁且极具危害性的灾害之一，其直接损失约为地震的五倍，火灾防治已经成为保障社会安全的重要组成部分[1]。各类建筑是人们生产生活的主要场所，也是财产极为集中的地方。因此，建筑火灾对人们生命财产的危害最大、最直接，是火灾预防控制的主要方面，据火灾资料统计，火灾事故中室内火灾造成的损失占首要位置[2]。影响室内火灾发生发展的因素很多，比如火源大小、房间开口情况、内衬材料热惯性等[3]，但这些研究都还是初步的，特别是关于房间开口尺寸影响的系统研究还不多见。基于此，本文尝试利用CFAST模拟软件对不同房间开口尺寸下的室内火灾危险性进行一些探讨，以期对建筑防火设计提供参考。

1 实验设置

1.1 CFAST模拟软件简介

CFAST是由美国国家标准和技术研究所(NIST)的火灾研究中心开发的火灾模拟软件，是继HAZARDⅠ和FASTLite之后应用在火灾危险计算上的第二代软件[4-6]，现在的最新版本是CFAST6.2.0。CFAST是一个多室火灾模拟程序，是根据质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律建立的。CFAST火灾模型是建立在双区域模型理论基础之上的，着火房间被划分为两个控制体，即上部烟气层和下部的冷空气层[7]。

该软件主要由环境参数模块、房间参数模块、水平通风模块、垂直通风模块、机械排烟模块、火源设定模块等九个模块组成。通过确定各个模块中需要设定的参数值，描述火灾发生前的场景，就可对火灾进行模拟[8]。

1.2 模拟参数设置

假设发生火灾的房间为长方体，在一长面正中位置开设一扇门，火灾过程中门始终保持敞开，火源在室内地板正中心位置，如图1所示。火源为软件系统提供的沙发火的参数[9]，火源功率大小如图2所示。分别改变门的长、宽、面积等参数，运用CFAST软件进行火灾模拟，研究不同开口情况下火灾时室内烟气温度的最大值。作为对比，上述所有模拟均在两种不同大小的房间内进行，第一组模拟房间的长、宽、高分别为3.6 m、2.4 m、2.4 m，第二组模拟房间的长、宽、高分别为36 m、24 m、3 m。

图1 房间开口示意图

图2 火源功率

2 模拟结果

2.1 开口宽度的影响

保持开口高2m不变，改变开口宽度，不同宽度下的模拟结果见表1。

表1 不同房间开口宽度下室内烟气层最高温度

第一组模拟结果见图3。

2.2 开口高度的影响

保持开口宽1.2 m不变，改变开口高度，不同高度下的模拟结果见表2。

第一组模拟结果见图4。

表2 不同房间开口高度下室内烟气层最高温度

图3 不同房间开口宽度下室内烟气层最高温度

图4 不同房间开口高度下室内烟气层最高温度

2.3 开口高宽比的影响

保持开口面积1 m2不变，改变开口高宽比，不同高宽比下的模拟结果见表3。

表3 不同房间开口高宽比下室内烟气层最高温度

第一组模拟结果见图5。

保持开口面积3 m2不变，改变开口高宽比，不同高宽比下的模拟结果见表4。

第一组模拟结果见图6。

表4 不同房间开口高宽比下室内烟气层最高温度

图5 不同房间开口高宽比下室内烟气层最高温度

图6 不同房间开口高宽比下室内烟气层最高温度

3 分析讨论

从表1、表2和图3、图4可以看到，在第一组模拟的房间大小下，分别保持房间开口高度和宽度不变，则存在使火灾危险性最大的宽度和高度值，此时室内烟气层最高温度达到最大值，当宽度和高度小于该值时，烟气层最高温度随宽度或高度的增加而增大，大于该值时，烟气层最高温度随宽度或高度的增加而减小。这是因为火灾中室内烟气层能达到的最大温度取决于火灾放热和室内向室外散热的对比，当房间开口较小时，虽然向室外散失的热量也小，但火灾过程中随着室内氧气的消耗，燃烧因缺氧而受到抑制，放热量也小，且后者对燃烧的影响更大，导致室内净热量减少，烟气层温度较低。随着开口的增大，供氧不足的状况得到改善，燃烧变得充分，室内净热量增大，温度增高，直到某个极值点，室内最高温度达到最大。超过该值，继续增大宽度或高度，因开口增大导致室内向室外热量散失的效应比因供氧状况改善导致燃烧加剧的效应明显，此时室内净热量减少，烟气层最高温度反而下降[10-11]。

从表3、表4和图5、图6可以看到，在第一组模拟的房间大小下，当房间开口面积为1 m2时，保持开口面积不变，室内烟气层最高温度随开口高宽比的增大而增大。当房间开口面积为3 m2时，保持开口面积不变，室内烟气层最高温度随开口高宽比的增大而减小。这可能是因为当房间开口面积较小时，高宽比大，则室内外对流程度较高宽比小时大，外界向室内供氧使燃烧状况得到改善，燃烧放热增多，虽然同时室内向外界散失的热量也增多，但其影响小于前者，结果室内净热量增大，烟气层最大温度增大。而当房间开口面积较大时，高宽比增大，一方面外界向室内供氧使燃烧状况得到改善，燃烧放热增多，另一方面室内向外界散失的热量也增多，且其影响大于前者，结果室内净热量减少，烟气层最大温度减小[12-13]。

上述所有第二组模拟和第一组相比，均是在房间较大的情况下进行，表1-4的结果表明，火灾时室内烟气层能达到的最大温度受房间开口尺寸的影响不大。这可能是因为房间较大时，室内空气充足，可燃物类似在空旷的不受限空间燃烧，燃烧始终处于燃料控制状态[14-15]，燃烧释放的热量和散失的热量几乎不受开口大小和高宽比影响。

4 结论

(1)室内空间相对可燃物较“空旷”时，火灾危险性受房间开口大小、高宽比等开口尺寸因素影响小。因此，一些大型建筑如体育场馆的防火设计可忽略开口对室内火灾危险性的影响，而主要考虑满足人员安全疏散、功能需求和美观等方面的要求。

(2)保持开口高度或宽度不变，大多数建筑在开口达到某一宽度或高度时火灾危险性最大。对此类建筑的防火设计在满足功能、美观需求的同时，还应充分考虑如何最大限度降低其火灾风险。

(3)可燃物较多的建筑，房间开口面积较小时，火灾危险性随开口高宽比的增大而增大，开口面积较大时，火灾危险性随开口高宽比的增大而减小。实践中储存可燃物品较多的仓库、商场等建筑能够开启的外窗相对室内大量可燃物来说为小开口，因此外窗设计应多采用“扁平”的“长条”形，而尽量避免采用“瘦高”的“窄条”形。

[1]刘海生,张鑫磊,宋丽霞.基于统计数据的全国火灾形势综合评价与预测[J].中国安全科学学报,2011,21(6):54-60.

[2]唐永国,夏长天,牛贵来.建筑消防安全疏散设计方法研究[J].沈阳航空航天大学学报,2011,28(4):75-79.

[3]牛贵来,夏长天.室内火灾中非连续介质着火危险性影响因素[J].消防科学与技术,2011,30(7):605-607.

[4] Peacock R D,Jones W W,Reneke P A,et al.CFAST-consolidated model of fire growth and smoke transport(version 6)user′s guide[M].NIST Special Publication 1041,Gaithersburg,USA,2005:3-7.

[5] Jones W W,Peacock R D,Forney G P,et al.CFAST-consolidated model of fire growth and smoke transport(version 6)technical reference guide[M].NIST Special Publication 1041,Gaithersburg,USA,2005:5-10.

[6]杜鹏,黄有群.基于CFAST的建筑物火灾中烟气模拟的实现[J].计算机技术与发展,2009,19(2):240-242.

[7]陆时正,何重斌,陈爱平.室内火灾均一温度假设实验研究[J].消防科学与技术,2012,31(3):239-242.

[8]靳自兵.建筑火灾CFAST模拟软件的应用[J].消防科学与技术,2013,32(2):143-147.

[9]段彦炜,黄崇福,赵思健.基于情景的建筑火灾风险分析方法及CFAST软件应用[J].中国安全科学学报,2010,20(3):57-63.

[10]霍然,胡源,李元洲.建筑火灾安全工程导论[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2009:30-45.

[11]杜红.防排烟工程[M].北京:中国人民公安大学出版社,2003:40-50.

[12]牛贵来,刘雪源,赵洪光.高温烟气层对室内非连续介质着火的影响[J].河南理工大学学报,2011,30(4)：396-400.

[13]刘嘉.通风开口对轰燃影响的试验研究[D].成都:西南交通大学,2010:20-28.

[14]杜文锋.消防燃烧学[M].北京:中国人民公安大学出版社,1997:90-102.

[15]兰锦安,胡伟,谭海,等.受限空间内高温热辐射对火灾规模增长特性的影响[J].燃烧科学与技术,2013,19(6):562-566.

(责任编辑：赵金兰 英文审校：宋晓英)

CFASTsimulationstudiesontheinfluencesofventdimensiononfirehazardincompartmentfires

WANG Jiang-duo,NIU Gui-lai

(Fire Prevention and Supervision Division,Zhumadian Municipal Fire Brigade,Zhumadian 463000,China)

The compartment fires under different vent size and aspect ratio are simulated with the application of CFAST fire simulation software.The results indicate that,with the much combustible in compartment,the fire hazard will reach the maximum at a certain width or height in the condition of the fixed height or width of the vent,and increase with the enlargement of the aspect ratio of a small vent,decrease with the enlargement of the aspect ratio of a large vent;when there is relatively little combustible in compartment,the fire hazard is less affected by the vent dimension.

compartment fire;fire hazard;vent dimension;CFAST simulation

2014-09-01

王江舵(1977-)，男，河南南阳人，工程师，主要研究方向：消防监督管理，E-mail:zhmdxf119@163.com。

2095-1248(2014)06-0078-05

X932

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.06.014