基于PyroSim模拟的大跨度、大空间仓库火灾扑救技战术研究

李驰原

(1.中国人民武装警察部队学院 消防指挥系，河北 廊坊 065000；2.灭火救援技术公安部重点实验室，河北 廊坊 065000)

随着国民经济的不断发展，商业企业、生产制造企业、连锁超市、零售业对物流仓储、装卸转运和配送外包的需求逐步增多，为降低生产成本，提高经济效益，不同类型、不同规模的大跨度、大空间物流仓库不断涌现，其火灾危险性也越来越大[1]。2015年，哈尔滨北方南勋陶瓷大市场仓库起火，5名消防员在扑救火灾过程中不幸遇难。大跨度大空间仓库火灾具有温度高、火灾荷载大、烟气蔓延迅速等特点，严重影响了消防员灭火救援行动的开展[2-3]。因此，在扑救此类火灾中，研究如何设置水枪阵地，采取何种排烟技术和战术方法，以及内攻时机的选择是非常重要的。

1　物流仓库模型的建立

1.1　几何模型的建立

图1　仓库几何模型示意图

笔者以某大跨度、大空间物流仓库为对象，结合该仓库火灾荷载、建筑结构情况和《建筑设计防火规范》(GB50074-2014)对仓库设计的规定，对该仓库做适当简化以便利用软件建模，仓库几何模型示意图如图1所示。图1(a)显示，该模型为一个单层丙Ⅱ类可燃固体高架物流仓库，耐火等级二级。仓库尺寸为60 m×30 m×12 m，设有前后两个安全出口。图1(b)显示，在仓库的东西两侧各有2列尺寸为2 m×0.8 m×11 m的单个托盘货架组成的货架组，货架组之间通道的宽度为2.5 m，南侧左右处各设置3个办公桌椅和1个沙发。

1.2　火灾模型的设置

1.2.1火源位置

物流仓库储存的货物大多是电器产品、日用品、纸张和塑料等[4]，且物流仓库多采用木质或塑料的托盘。为了模拟火灾场景最不利情况下的灭火行动，选取东侧第二列货架处为起火点(见图1(b))，并且假设该仓库内机械排烟和自动喷水灭火系统发生故障，未发挥作用。

1.2.2火源模型

参考《建筑防排烟技术规程》中给出的常见火源模型热释放速率的规定[5]，如表1所示。已知该仓库属于“无喷淋的超市、仓库”，故设定模拟火源热释放速率为20 MW。火灾初期按t2规律发展，则火源热释放速率的计算式如式(1)所示。

表1　火灾模型热释放速率　MW

(1)

其中，α为火灾增长因子，根据α值的差异，t2火可分为慢速火、中速火、快速火、超快速火4种类型，物流仓库中托运物品的纸箱、板条架和泡沫塑料大致为快速火，则α取值0.188，计算得出热释放速率在327 s时达到最大值，并保持最大热释放速率不再增长。

1.2.3网格大小与模拟时间的确定

(1)网格大小。利用FDS软件进行模拟时，网格的大小对模拟的准确性起着决定作用。FDS网格敏感性分析表明，当网格尺寸的经验值为特征火焰直径的6.25%～25.00%时较为合适，实际应用中一般取8.00%～12.50%，此处网格尺寸选取特征火焰直径的10.00%[6]。特征火焰直径D*的计算式为：

(2)

根据设计热释放速率为20 MW，计算得出特征火焰直径为3.1 m，由于空间大，FDS计算量很大，所以取网格大小为0.3 m×0.3 m×0.3 m,在保证精度的同时优化计算速度。

(2)模拟时间。消防站的布局一般应以接到出动指令后5 min内消防队可以到达辖区边缘为宜，故将模拟辖区消防队到场时间设为火灾发生300 s后，设定火灾模拟时间为900 s，即火灾发生5 min后，消防队到达现场实施灭火救援作战，模拟灭火战斗10 min内的情况[7]。

1.3　火灾监测设备的设定

火灾过程伴随着热量的释放和烟气扩散两部分,此过程会影响火灾的发展变化，对消防员火灾扑救工作造成困难。因此在利用FDS软件模拟不同水枪阵地设置、不同排烟技术和内攻时机选择3种火灾扑救技战术方法时，设置了热电偶和热辐射探测设备作为衡量作战行动科学合理性的指标。

(1)热电偶。温度是火场上对人员影响较大的因素，故选取温度作为测量指标，根据人眼的特征高度(通常为1.2 ～1.8 m),将热电偶的高度设定为1.8 m。在着火货架正上方高1 m屋顶处设置1个热电偶测点，编号为 THCP01；在距起火点货架南侧5 m处设置1个热电偶测点，编号为THCP02。

(2)热辐射探测设备。热辐射的存在使火灾扑救工作变得更加困难，消防员在进行内攻灭火作业时，较近的距离会使装置和消防员受到大量热辐射的威胁，增加了扑救火灾的难度。根据衡量热辐射危险性的热通量准则，一般人体能承受的热通量值在2 kW/m2左右。试验表明,当人体接受的热通量值超过4 kW/m2时,将造成严重灼伤[8]。因此，在着火货架正上方高1m处设置1个热辐射探测设备，编号为REFUSHE01；在起火货架南侧窗户附近设置1个高为1.8 m的热辐射探测设备，编号为REFUSHE02；在仓库着火货架旁的立柱后面设置1个高为1.8 m的热辐射探测设备，编号为REFUSHE03，在起火货架的北侧相邻货架设置1个高为1.8 m的热辐射探测设备，编号为REFUSHE04。

2　模拟结果及分析

2.1　模拟工况设置

2.1.1模拟不同水枪阵地设置

在模拟过程中用水喷淋代替实际灭火过程中的水枪，为了更符合灭火救援的实际情况，水喷头的位置设置在高0.8 m处，水喷头流量为390 L/min，喷口出口速度为5 m/s，具体设置如表2所示。

2.1.2模拟不同破拆排烟战术

破拆排烟可以分为水平和垂直两个方向的排

表2　工况一具体设置

烟[9]。因此，破拆临近着火点附近的窗户模拟水平排烟，破拆屋顶天窗模拟垂直排烟，为使模拟结果更加明显，在破拆的同时，利用移动正压送风机辅助火场破拆排烟，具体设置如表3所示。

表3　工况二具体设置

2.2　不同工况数值模拟分析

2.2.1工况一模拟分析

针对工况一进行数值模拟，选取THCP01热电偶和THCP02热电偶测出的温度随时间变化的情况进行分析，对比结果分别如图2和图3所示，可以看出，屋顶和货架南侧5 m处在发生火灾后温度迅速升高，达到相应的峰值温度后逐渐趋于稳定。由图2可看出，射水方式A情况下的温度下降速度比较迅速，相对来说，射水方式B的温度下降趋势比较平缓，但射水方式B的温度下降起始时间点比射水方式A提前了大约60 s。在600 s后，两种射水方式的温度发展变化趋势基本一致，比未采取措施的温度下降大约50 ℃。总体来看，屋顶处温度在整个模拟过程中温度较高，最高温度约为250 ℃。由图3可看出，当在400 s处采用射水方式A时，温度发展趋势与未采取措施温度发展变化基本一致；而在此时采用射水方式B后，温度有很明显的变化，比未采取措施下降约10 ℃。货架南侧5 m处温度在整个模拟过程中始终较低，最高温度约为45 ℃。

图2　屋顶处(THCP01)温度-时间变化曲线

图3　货架南侧5 m处(THCP02)温度-时间变化曲线

图4　热通量-时间变化曲线

在未采取灭火救援行动下，分别对REFUSEH01～REFUSHE04测出的热通量随时间变化的情况进行分析，如图4所示，可看出热通量的值随着时间的增长在不断增长，大约在327 s后达到最大值，之后慢慢趋于稳定。在着火货架正上方1 m处的热通量值最高，热辐射危险性最大，货架南侧窗户附近的热通量值比着火货架正上方高1 m屋顶处大约要低0.5 kW/m2,立柱后面的热通量值比货架南侧窗户附近的热通量值大约要低0.2 kW/m2，北侧相邻货架附近的热通量值最低。因此在依托窗户和立柱进行遮挡的情况下布置水枪阵地可一定程度地降低辐射的危险性，从而保护射水消防员使其受到尽量小的热辐射伤害。

2.2.2工况二模拟分析

针对工况二进行数值模拟，选取THCP01热电偶和THCP02热电偶测出的温度随时间的变化的情况进行分析，对比结果分别如图5和图6所示，可以看出屋顶和货架南侧5 m处在发生火灾后温度迅速升高，在达到相应的峰值后温度逐渐趋于稳定。由图5可看出，当采用破拆方式A时，在360 s温度出现波动，在480 s移动风机启动后，温度迅速下降，最后温度曲线变化趋于平缓，比未采取破拆行动之前温度下降约60 ℃；当采用破拆方式B时，在360 s温度出现第一次下降，下降幅度约50 ℃，而在480 s移动风机开始启动后，温度出现第二次下降，比未采取破拆行动之前温度下降约40 ℃。由图6可看出，当采用破拆方式A时，在360 s破拆着火点西侧墙壁后，温度曲线出现波动，在480 s移动风机启动后，温度开始迅速下降至最低，比未破拆之前下降约20 ℃；当采用破拆方式B时，温度曲线下降幅度较小。

图5　屋顶处温度-时间变化曲线

图6　南侧5 m处温度-时间变化曲线

此外，破拆后大量的烟气会在破拆口涌出室外，提高了室内的能见度，降低了有毒有害烟气的浓度，为消防员内攻灭火争取了时间[10]。

3　结论

通过建立大跨度、大空间物流仓库模型，并进行不同灭火作战行动工况的数值模拟分析，得出了不同灭火技战术方法下温度、热辐射、能见度的发展规律和特征。结合量化数据结果，得到如下结论：①仓库的货架发生火灾后，火势蔓延迅速，若机械排烟系统和自动喷水灭火系统没有启动，烟气会迅速蔓延至整个仓库。在这种情况下，如果不及时控制火灾的发展，仓库内的人员生命安全会受到严重威胁，同时给消防员到场进行灭火救援工作带来困难；②从温度-时间变化曲线和热辐射-时间变化曲线对水枪阵地设置情况进行了分析，得出仓库火灾水枪阵地和内攻灭火时间选择的方法：当仓库发生火灾后，初期到场的消防队，在火场能见度较差的情况下，可以依托外墙窗户和仓库立柱位置设置水枪阵地，出1支直流水枪灭火和2支喷雾水枪稀释有毒烟气，控制火势蔓延，同时可以降低温度和热辐射对人员造成的伤害；③消防员到达现场后，要迅速采取排烟战术，为后续的人员疏散和灭火战斗行动的展开提供有利环境条件。通过温度-时间变化曲线对排烟作战方法进行了分析，得出仓库火灾排烟的方法：应采用破拆窗户、屋顶进行自然排烟和利用移动风机送风排烟相结合的方法，在安全第一的情况下，破拆的位置尽量选择起火点的正上方或者尽量靠近起火点的上方。

参考文献：

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