不同通风条件下宾馆客房火灾场景设计的数值模拟

徐丰煜，吴立志

(1.三明市消防支队，福建 三明 360000； 2.武警学院 消防指挥系，河北 廊坊 065000)



不同通风条件下宾馆客房火灾场景设计的数值模拟

徐丰煜1，吴立志2

(1.三明市消防支队，福建 三明 360000； 2.武警学院 消防指挥系，河北 廊坊 065000)

在对北京145家中档宾馆进行火灾荷载调查的基础上，得到了火灾荷载密度、可燃物组分比例、通风开口等影响火灾场景设计的关键参数，设计了具有代表性的宾馆客房燃料包。为了选择合适的火灾场景进行全尺寸房间火试验，采用FDS模拟来观察宾馆客房燃料包的燃烧规律，并改变通风条件以及燃料包的摆放位置，研究不同火灾场景下热释放速率、温度以及烟气浓度的变化情况，为确定实体房间火试验的火灾场景提供参考。

宾馆客房；燃料包；火灾场景；设计火

0 引言

确定合适的设计火灾场景是火灾风险评估中的关键环节。设计火灾场景是对特定场景下火灾随时间变化的定性描述，确定表征火灾的关键事件，如点燃、火灾增长、轰燃、全面发展和衰减阶段。火灾荷载、房间尺寸和通风条件都会影响到火灾的发展。随着性能化防火设计的发展以及建筑结构的日趋复杂，运用计算机模型模拟建筑内火灾发展过程和烟气运动规律，已经成为认识火灾特点和开展有关消防安全水平分析的重要手段[1]。全尺寸燃烧试验成本高，而数值模型可根据设计者需要，进行不同火灾场景下的建筑构件和材料燃烧性能的评估。FDS是一种简化预测在给定环境中物体燃烧行为的工程方法，能够研究起火房间尺寸、燃料类型等参数对室内火灾发展的影响。近年来，国内外学者就FDS模拟室内火灾的可靠性进行了大量试验对比和分析，发现FDS预测室内火灾热环境变化的误差在5%～20%之间[2]。朱五八[3]通过试验和FDS模拟对比分析，指出FDS对软垫家具在敞开和受限空间内燃烧过程的模拟具有一定合理性，且FDS能够很好地模拟受限空间内热反馈作用。杨晓菡[4]在ISO 9705试验房间内进行一定荷载的木垛火试验，并用FDS进行模拟计算，结果表明Multi-block格点配置模拟得到的木垛火热释放速率变化、烟气温度变化、CO2体积分数变化的结果与实测值吻合较好。

笔者首先对北京145家中档宾馆客房进行了火灾荷载调查，得到了火灾荷载密度、可燃物组分比例、通风开口等影响火灾场景设计的关键参数，设计了具有代表性的宾馆客房燃料包[5]。为了验证燃料包的设计思想，为下一步进行全尺寸房间火试验选择合适的火灾场景，笔者采用FDS数值模拟对不同通风条件下的宾馆客房燃料包燃烧规律进行研究。

1 模型建立

为了较为准确地模拟室内火灾发展，需要选取合适的网格尺寸。相关研究表明火灾最小长度尺寸可以用火源特征直径D*表示[6]，如式(1)：

(1)

其中，Q为热释放速率，W；ρ0为环境空气密度，kg·m-3;c0为空气比热，J·kg·K-1；T0为环境温度，K；g为重力加速度，m·s-2。

当网格尺度小于0.1D*时，FDS可以很好地模拟建筑物发生火灾时的烟气沉积与流动，当网格尺度小于0.05D*时，可以精确计算火焰区域中的化学反应及湍流效应。因此，为了很好地模拟室内火灾发展，网格尺度应取0.05D*，但对计算机性能以及运算时间要求甚高。综合考虑计算时间和准确度，将燃料包堆放面积上的网格取为0.1D*≈0.05 m，其他区域采用0.2D*≈0.1 m，总网格数为267 750。网格划分如图1所示。

图1 FDS模拟的网格划分图

FDS模拟的房间尺寸采用四川消防科研所的实验室尺寸6 m×4 m×3 m，共有门和窗户两个通风开口。为精确模拟出气流的流动情况，将计算区域向室外扩展，包括了燃烧室和部分环境空气。同时，考虑到实际情况下门不可能完全密闭，设置了宽度为0.1 m的门缝。

为了使模拟结果尽可能接近于实际情况，燃料包中PUF和木垛的质量、尺寸依照荷载调查的数据确定。PUF的坐垫尺寸为1 800 mm×800 mm×100 mm，靠背尺寸为1 800 mm×600 mm×150 mm，密度设为30 kg·m-3，质量为9.1 kg。木材的密度取376 kg·m-3，单根木条尺寸为50 mm×100 mm×800 mm，木垛总质量为190 kg。引火源为功率20 kW的丙烷，尺寸为0.1 m×0.2 m，放置在PUF坐垫和靠背的交界处，持续时间为80 s。燃料包模型图如2所示。

2 火灾场景设计

根据不同通风情况以及燃料包摆放位置，共设计了9个火灾场景，详见表1。通过模拟发现，由于PUF燃烧迅速，窗户附近的测点在20～30 s之内就达到了300 ℃，因此，窗户开启与300 ℃开启得到的热释放速率(HRR)曲线和温度曲线几乎相同。FDS模拟过程中的燃料包燃烧情况如图3～图8所示。

图2 FDS模拟燃料包的模型图

表1 FDS模拟试验的不同火灾场景

图3 燃料包位于中心

图4 燃料包位于墙角

图5 PUF引燃大木垛

图6 燃料包燃烧过程

图7 PUF燃尽、剩余木垛燃烧

图8 燃烧结束后

3 模拟结果分析

3.1 考察门状态相同的情况下，窗户尺寸对室内燃烧的影响。在门状态相同的条件下，不同的窗户尺寸对火灾发展的HRR峰值和火灾持续时间影响较大，窗户开口面积越大，PUF燃烧引起的第一个HRR峰值越大，由PUF燃烧过渡到木垛完全燃烧的时间越短，通过对流和热辐射的热损失越大，反馈到燃料表面的热辐射越小，火灾持续时间越短。如图9、图10所示。

图9 门关闭时不同窗户尺寸的热释放速率曲线对比

图10 门开启时不同窗户尺寸的热释放速率曲线对比

3.2 窗户尺寸相同的情况下，考察门启闭对室内火灾的影响，如图11所示。由PUF燃烧引起的火灾初期增长速率基本一致，SC3中门始终关闭，通风条件没有发生改变，PUF引燃木垛燃烧后逐渐进入衰减期，第二个HRR峰值最大；SC4门窗都开启，PUF燃烧猛烈，引起的第一个HRR峰值最大，当PUF进入衰减期，木垛剩余量最少，第二个HRR峰值最小；SC5门180 s开启，改善了通风条件，促进了木垛的燃烧，第二个HRR峰值介于SC4和SC3之间。

图11 门不同状态的热释放速率曲线对比图

3.3 考察燃料包位于房间中心和墙角对室内火灾发展的影响。从图12～图14中可以看出，通风条件相同的情况下，两种堆放方式的HRR曲线形状相差不大，火灾初期阶段的HRR峰值相差较小，但随着木垛被引燃，位于墙角的燃料包燃烧更为充分，HRR峰值大，火灾持续时间短。

图12 窗户开启、门关闭状态下不同位置燃料包的热释放速率曲线对比

图13 窗户开启、门开启状态下不同位置燃料包的热释放速率曲线对比

表2给出了各火灾场景中的HRR峰值和达到时间、2.3 m处最高温度和达到时间的比较情况，可以看出，HRR峰值达到时间和最高温度达到时间比较接近，只有SC6场景受通风控制导致两者相差较大。燃料包位于墙角时，HRR峰值较大，达到时间较短；2.3 m处温度也较高，在300 s之前都超过了800 ℃；当燃料包位于房间中心处，SC4门窗始终开启，火势发展迅速，燃烧持续时间最短，HRR峰值最大6 030 kW，最高温度为783 ℃。

图14 窗户300 ℃开启、门180 s开启状态下不同位置燃料包的热释放速率曲线对比

表2 各火灾场景中HRR峰值和

4 结论

通过对各场景热释放速率和温度曲线的比较分析，可以得到以下结论：(1)所有火灾场景中，由于PUF作为第一引燃物，对火灾初始发展起决定性作用，导致火灾初始增长速率几乎相同。待PUF进入衰减期，开始由通风因素影响火灾发展趋势。(2)通风开口对室内火灾发展具有重要影响作用。通风开口面积越大，HRR峰值越大，燃烧越充分，燃烧持续时间越短。通风状态的改变也会导致室内火灾发展状态的改变。如在室内火灾发展过程中，窗户玻璃受热破碎、人员疏散时开启门将导致大量新鲜空气进入，发生轰燃，使得HRR和温度在很短时间内达到峰值。(3)在通风条件良好的情况下，室内4个墙角2.3 m处温度在较短时间内超过600 ℃，最高温度可达808 ℃，会发生轰燃。(4)根据热释放速率和温度曲线图，验证了燃料包的设计思想。PUF作为第一引燃物，在很短时间内达到HRR第一个峰值，并逐渐引燃下方小木垛和旁边大木垛。待PUF燃烧进入衰减期，下方小木垛已经完全燃烧，有足够的能量来继续引燃大木垛，木垛完全燃烧达到第二个HRR峰值，维持室内火灾的发展。

虽然没有合适的试验数据来验证FDS模拟的可靠性，但是FDS模拟结果能够反映出一些火灾发展和烟气运动的规律，帮助选择和确定合适的火灾场景以及试验设备的位置。下一步，将参考数值模拟，综合考虑试验设备的承受能力以及实际火灾中人员疏散可能出现的情况，选择SC5和SC6两种场景作为不利情况下的火灾场景，进行全尺寸房间火试验，为研究宾馆客房火灾发展规律提供一定参考依据。

[1] BILGER R.Computational field model in fire research and engineering[C].Proceduers Forth Internal Symposium,Fire Safety Science,1994.

[2] Piotr Smardz.Validation of fire dynamics simulator(FDS)for forced and natural convection flows[D].University of Ulster,2006.

[3] 朱五八.不同通风状况下典型软垫家具火灾特性研究[D].合肥:中国科学技术大学,2007.

[4] 杨晓菡.基于ISO 9705房间木垛火试验的FDS模拟预测研究[J].消防科学与技术,2009,28(3):151-155.

[5] 郭子东,徐丰煜,吴立志,等.宾馆客房的火灾荷载调查与统计分析[J].安全与环境学报,2011,11(5):149-153.

[6] MA T G, QUINTIERE J G.Numerical simulation of axi-symmetric fire plumes:accuracy and limitations[J].Fire Safety Journal,2003,38:467-492.

(责任编辑 马 龙)

The CFD Simulations of Fire Scenarios Design for a Hotel Room under Different Ventilation Conditions

XU Fengyu1, WU Lizhi2

(1.SanmingMunicipalFireBrigade,FujianProvince360000,China; 2.DepartmentofFireCommanding,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

A fire load survey was conducted in 145 mid-ranged hotels’ rooms in Beijing to collect typical data such as fire load density, type of combustibles, ventilation openings. Based on the analysis of the survey data, a typical fuel package was designed to be used in a hotel room. In order to choose a proper fire scenario for a full-scale room fire test, a FDS simulation was carried out to investigate the impact on a room fire in terms of different ventilation conditions and fuel package locations. The simulated results like HRR, temperature and gas concentration obtained in this study are conducive to the design and instrumentation of a room fire test.

hotel room; fuel package; fire scenario; design fire

2016-05-12

徐丰煜(1985— )，女，福建泉州人，助理工程师； 吴立志(1968— )，男，浙江东阳人，教授，博士。

X932; TU998.1

A

1008-2077(2016)10-0009-05