FDS在原木火灾研究中的应用探讨

薛 伟，耿志伟 (东北林业大学工程技术学院，黑龙江哈尔滨150040)

贮木场具有木材生产、贮存和销售三大特性，在木材的产销之间起调节和缓冲作用。因木材生产季节性强，贮木场内长时间存放大量原木、原条和木材加工产品，一旦发生火灾，经济损失非常惨重。因此，为预防火灾的发生并在火灾发生后能够及时控制火情，一系列针对原木及其楞堆燃烧规律的研究也相应展开。目前主要的研究方法为试验模拟与数值模拟，而FDS(Fire Dynamics Simulator，简称FDS)作为重要的场模拟软件之一，在原木以及楞堆火灾的数值模拟中发挥了重要的作用。FDS数值模拟在国内的使用与研究不断发展，其主要的应用领域已涉及到机场、隧道、剧院、核电厂及大型厂房等的火灾［1］。但是关于FDS在原木火灾研究的应用并没有系统的探讨及总结。笔者从FDS软件的应用出发，归纳FDS在原木火灾研究中的应用现状，并对FDS在原木火灾数值模拟应用过程中的问题进行探讨，以促进原木火灾发展规律研究的开展以及FDS在原木火灾研究中的广泛运用。

1 FDS的基本介绍

FDS模拟是美国国家标准研究所(NIST)建筑与火灾研究实验室(BFRL)开发的三维计算流体动力学软件。结合Smokeview这一可视化程序，对火灾湍流流动过程进行模拟并直观地展示模拟结果。FDS的主要使用流程如图1所示。

场模拟中处理湍流的方法可分为直接数值模拟(Direct Numerieal Simulation，简称DNS)、雷诺平均模拟(Rynld Averaged Navier-stokes Simulation，简称 RANS)以及大涡模拟(Large Eddy Simulation，简称LES)。DNS可得到所有时间尺度和空间尺度上的湍流特征量，但其计算量巨大，因此一般用于解决简单的小尺度的流动问题。RANS求解的最小时间尺度和空间尺度是和流动特征值可比的，对网格划分要求不高，计算量相对较小，可用于复杂物理场景的模拟。LES直接求解表征流体流动特性的含能大涡，而对随机性较强的耗散小涡则采用亚网格模型进行模拟，既克服了RANS不能反映流体瞬时特性的缺点，又减少了数值模拟的计算量，目前正处于发展的活跃阶段。

原木及其楞堆的火灾多发生在贮木场这种开放环境中，计算区域较大，物理场景也较为复杂，且原木火灾是集烟气流动、传热、辐射、燃烧、炭化及其相互作用的复杂燃烧过程，模拟计算量大，而LES不仅可以满足场景模拟要求而且计算量相对较小。因此，目前在原木火灾的数值模拟中主要采用的是LES方法。

2 FDS在原木火灾研究中的应用探讨

FDS自2000年公开发布以来就受到普遍的关注。据统计，该模型大约有50%应用于烟气控制系统，50%应用于居民和工业建筑火灾后的重建和修复［2］。随着贮木场消防安全管理的发展，原木及其楞堆燃烧的理论有待进一步深入研究的情况下，原木火灾的实验研究与数值模拟也逐渐展开。

2.1 FDS在原木火灾研究中的应用现状 最初卞伟等［3－4］在森工贮木场楞堆火灾模拟模型分析与评价中分析讨论了FDS场模型的可行性，之后FDS在原木火灾研究中的应用逐渐多起来。总体来看，FDS在原木火灾研究中的应用主要在以下方面。

2.1.1 原木楞堆火灾温度场的数值模拟。张光俊等［5－6］通过室外原木燃烧模拟试验，验证数值模拟程序的通用性与可靠性。试验对象为直径在0.10～0.12 m，长度为1 m的云杉原木，其平均含水率为20%，楞堆由下至上依次为10－9－8－7－6根原木排列，环境温度13℃，平均风速3 m/s。

运用LES方法对大空间的原木楞堆燃烧进行模拟，模拟结果分析包括楞堆的端面温度与楞堆的燃烧周围温度场2个方面。模拟燃烧过程采用固定热释放速率。所建立的适用于原木火灾研究的数学物理模型，包括基本方程组、辐射模型、燃烧模型。对比分析的结果表明，在输入参数合理的情况下FDS可以对贮木场楞堆燃烧进行合理的预测，而且模拟曲线比实测温度变化平稳且规律性更强，因此将FDS应用于贮木场防火领域是可行的，且对于研究原木火灾的发展规律具有现实意义。

2.1.2 原木楞堆火灾烟气温度变化的数值模拟。辛颖等［7］采用FDS软件对原木楞堆在长方体单室结构的烟气变化规律进行了数值模拟。单室(10 m×10 m×7 m)内有一个可燃原木楞堆，顶部设置一个矩形通风口，右侧设置一个2 m×4 m的门，墙壁厚度为0.025 m;可燃单根原木尺寸为0.25 m×0.25 m ×1.00 m，位于单室内中央。

通过提取楞堆中心线所在平面的温度切片，原木在燃烧过程时会在楞堆上方形成连续火焰区、间断火焰区和无火焰热气流区。楞堆火源上方形成高温烟气羽流，并在流动过程中与沿程区域不断进行热交换，使得楞堆周围环境温度不断升高。通过提取不同高度Z=2、4、6 m烟气温度，原木楞堆火灾经过一段时间的燃烧后会进入稳定燃烧的状态(该试验条件下是300 s)，此时会有比较稳定的烟气分层现象，而且在原木楞堆燃烧的垂直往上的空间环境中，火灾烟气的温度与水平方向上距离的关系大致呈现出双Lorentzian曲线的规律，且距离原木楞堆越近，曲线的峰值会越大，但是并没有能够得出温度随垂直高度变化的规律公式。

2.1.3 细水雾作用下灭火过程的数值模拟。李双玉等［8］对细水雾作用下原木楞堆燃烧温度场进行了试验研究与数值模拟，以落叶松为试验原料，选用长度为1 m、直径0.25～0.30 m的原木，其含水率在18%～24%。原木堆码方式为逐层减一的间压式，最底层8根，最上层3根，共6层33根原木。

模拟过程中采用热释放速率随时间变化而改变的火源。考虑到原木楞堆从初起到蔓延需1 100 s左右，试验在1 200 s时施加细水雾，并计算温度下降速率。在比照试验过程对细水雾灭火过程进行模拟时，重点分析细水雾施加30 s内原木火灾的变化，并动态展示了原木火灾的灭火过程，计算不同状况下的温度下降速率。同时，运用FDS分析不同雾滴直径、不同喷雾速度和喷头距离原木楞堆顶面不同距离等情况下热烟气温度的变化规律，深化了对细水雾灭火机理的认识，为细水雾化消防技术用于贮木场火灾提供了科学指导和理论依据。

2.2 FDS在原木火灾研究应用中的探讨 火灾研究最直接最有效的方式就是火灾场景的再现，但大尺度火灾试验也是破坏性的和消耗性的，尤其是原木楞堆火灾的模拟试验，不仅要消耗大量木材与测试元件，而且火灾场景的再现也不完美。但借助于FDS数值模拟结合Smokeview可视化程序，不仅可以将所求解的原木火灾温度场、烟气场以形象、直观地方式表现出来，而且降低了试验成本。但统观研究发现在原木火灾的FDS数值模拟过程中存在以下问题。

2.2.1 FDS模拟原木火灾范围受限。实际中原木是圆柱形，但FDS只给出长方体的构造方法，且过于细致的构造原木又极大地增加了编写程序的难度与运行程序时的计算量。因此在原木火灾的数值模拟过程中都是将原木进行简化，以长方体来代替，这样的模型模拟出来的结果必然存在一定的误差。随其辅助软件的发展，如Firesim建模软件，可以构造较为复杂的场景，因此在将来运用FDS模拟原木火灾可以适当采用辅助软件，以提高其模拟精度与可靠性。

2.2.2 FDS对室外原木火灾环境的模拟不够精确。FDS通过时间平均方程求解，对流场的紊流解析存在误差，无法精确模拟强通风或火旋风等现象，而燃烧时间与燃烧速度、风速大小及方向等都是影响结果的重要因素。在原木楞堆火灾温度场的数值模拟中就发现受传热方式、通风条件等不确定条件的影响，模拟曲线的最高温度比实际测量要高，最高温度差异最大可达100℃，所以在计算区域、网格划分、边界条件的设置中要检验其合理性，使得FDS壁面条件设定尽量满足对室外之一特定的空间环境的模拟要求。

2.2.3 火源热释放速率描述曲线的准确度不够。FDS软件中火源设置采用了体积热源法，以降低模拟的难度。如果将火源设计为一个有限大小的固定热源，则是将火源热释放速率设计为稳态火源或按t2规律变化。但是不恰当的火源性质以及热释放速率曲线也会使得模拟结果误差很大，或者不能够精确描述火场分布。火源的热释放速率变化规律影响火灾的蔓延过程，同时辐射换热量超过一定的限度时也会加速火灾的蔓延，甚至引起轰燃现象。在模拟过程中，应当对火源设定的准确性予以检验，以满足原木火灾计算区域尺度大、各控制方程耦合求解的要求，同时也能注意火源的燃烧及蔓延过程对于烟气流动的影响。

2.2.4 网格划分单一。在FDS模拟过程中根据模拟对象的特征尺度来划分网格。为保证计算的精度，一般是选取比特征尺度小1～2个数量级的网格维度。因此在原木火灾的数值模拟中，网格大小均小了1个数量级。但在实际的模拟中，不同位置的计算区域所起的作用不同，受网格大小影响也不同。比如火源周围及其他关键部位的网格尺寸应该足够小以确保计算的正确性;而远离火源受到影响较小的区域可以适当地放大网格尺寸，以减少计算时间。因此，应当根据实际情况，采用多种网格划分的方式来减少模拟的计算量。

2.2.5 FDS软件中木材性质的种类少。木材的种类、含水率等木材性质都对模拟结果有影响，但FDS软件只给出了一种木材以供参考，所以有必要改写其属性，使它的化学性质更加接近于试验所选原木的燃烧特性，使模拟试验更加接近于实际燃烧情况。因此，在固定火源燃烧时间及燃烧温度的情况下，合理设置木材燃烧性质也是实现正确模拟试验的关键。

2.2.6 FDS在原木火灾的数值模拟中应用范围有待拓展。FDS在原木火灾研究中的应用主要在原木楞堆火灾温度场、烟气温度变化、细水雾灭火过程几方面，主要观察其温度场、烟气温度变化、烟气层分布以及一氧化碳等物质的分布情况，对风的考虑较少并且目前还没有对原木火灾速度场变化的研究，如质量流率、卷吸速度等。将来的研究中可以引入不同的气流组织方式，对在不同风速下的原木火灾进行模拟，求解其速度场的分布。

3 结语

FDS软件在原木火灾研究中的应用正在逐渐发展与完善，不仅借助Smokeview可视化软件实现了原木火灾场景的再现，将所求解的温度场以直观的方式表现出来，同时降低了原木火灾试验研究的消耗性，并得到更多的数据以供参考。FDS成本低、速度快，能够适应各种情况和计算条件，可以从可能的设计方案快速地选择出最优方案，但FDS也存在建模不灵活、火源设置不确切等问题，因此在分析建模、设置火灾场景时，一定要以科学负责的态度对待，重视关键性因素与计算细节。在今后的研究中不断修正原木火灾的FDS模型，充分发挥FDS的优势，为贮木场原木火灾理论的丰富、先进消防技术的运用提供了一定的科学指导和理论依据。

［1］丛北华，廖光煊，韦亚星.计算机模拟在火灾科学与工程研究中的应用［J］.防灾减灾工程学报，2003，23(2):63 －68.

［2］赵泽文.常用火灾数值模拟软件FDS的应用探讨［J］.山西建筑，2010，36(13):364－365.

［3］卞伟，薛伟.森工贮木场楞堆火灾模拟模型分析与评价［J］.林业机械与木工设备，2006(4):36－38.

［4］FLOYD J E，MCGRATTAN K B，HOSTIKKA S.CFD fire simulation using mixture fraction combustion and finite volume radiative heat transfer［J］.Journal of Fire Protection Engineering，2003(13):11 －36.

［5］薛伟，张光俊.FDS 火灾模拟与应用［J］.吉林林业科技，2006，35(6):18－20.

［6］张光俊.贮木场楞堆燃烧的数值模拟［D］.哈尔滨:东北林业大学，2007.

［7］辛颖，薛伟.原木楞堆火灾烟温变化数值模拟研究［J］.消防科学与技术，2011，30(3):183 －185.

［8］李双玉.细水雾作用下原木楞堆燃烧过程实验研究［D］.哈尔滨:东北林业大学，2013.