宾馆客房FDS虚拟燃料包的开发与设计

徐丰煜，张　伟

(1.三明市公安消防支队，福建 三明　360000； 2.泉州市公安消防支队，福建 泉州　365000)

0　引言

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。由NIST开发的FDS场模拟软件，能够计算不完全燃烧状况下CO产量，因此，可模拟通风受限室内火灾，研究不同参数对室内燃烧的影响，得到了广泛应用。影响FDS数值模拟输出结果的因素很多，如计算区域、网格、房间尺寸、边界条件、模拟时间、点火源、可燃物的尺寸以及属性、可燃物的摆放位置、材料的气相和固相属性等。其中材料的气相和固相属性对模拟结果的影响最为明显。在实际火灾场景中，可燃物涉及到多种不同材料(木材、塑料、纺织物等)，每种材料所占比例以及燃烧属性不尽相同，对火灾的贡献也不同，如气化热、热值、燃烧速率、密度、点燃温度、化学成分等。在燃烧过程中，由于通风状况的不同，还可能出现完全燃烧和不完全燃烧的情况。为了解决材料属性和质量分布上的多样性，完全燃烧或者不完全燃烧出现的不确定性，提出了FDS虚拟燃料包的概念，其特点是不要求材料属性和实际燃料包的完全一致，只要能够模拟出试验所确定的热释放速率、热烟气温度以及CO、CO2产量即可，设计思路如图1所示。

图1　虚拟燃料包设计思路

加拿大学者E.Zalok[1-3]等对168家商业建筑进行了火灾荷载调查，确定了不同类型店铺的火灾荷载密度、可燃物类型及分布，进行了若干组中等尺寸和全尺寸的燃烧试验，将试验得到的热释放速率、毒性气体产量等数据作为设计虚拟燃料包的基础参数。根据商业建筑可燃物分布特点，在计算机模拟中，将室内可燃物视为均匀分布。以PMMA作为基础材料，通过不断修改PMMA的气相和固相属性，使之接近于试验结果，得到了关于电脑店、书店、鞋店、服装店等七个虚拟燃料包。其中修改的固相属性包括：气化热、燃烧热、最大燃烧速率、材料厚度、密度、点燃温度。修改的气相属性包括：烃类燃料的理想化学当量计算CO2产率、单位质量材料转化为烟气的百分数。具体材料属性见表1。

表1　不同商业店铺的虚拟燃料包参数

此类商业建筑的虚拟燃料包是一组长约1.0 m，截面0.1 m×0.1 m的长方体横条组成的梯形分布体，其梯形分布和横条数量都是通过和试验值不断对比修改来确定的。将虚拟燃料包应用于实际尺寸的商业店铺中，可以预测火灾发展特点及热释放速率峰值，模拟如图2所示。

图2　商业建筑虚拟燃料包在实际场景中的应用

1　虚拟燃料包设计

为了得到可靠的FDS虚拟燃料包，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、可燃物组分比例等关键参数，并将客房可燃物大致划分为两类：一是沙发和床垫的泡沫，为第一类引燃物，影响室内火灾的初期阶段；二是以木材为主，包含一部分塑料、泡沫，为第二类引燃物，在室内火灾发展到一定阶段才会被引燃。在此基础上设计了具有代表性的燃料包[4]，如图3所示。

图3　实体燃料包

利用FDS模拟不同通风条件下的宾馆客房燃料包燃烧规律，选择了两种场景作为不利情况下的火灾场景(见表2)，利用四川消防研究所全尺寸房间火灾综合试验装置进行了房间火试验，得到热释放速率、产烟量、热烟气温度等数据[5]。

表2　两组试验的火灾荷载和通风条件

为了能够对试验结果进行再现，设计两个FDS虚拟燃料包，一个是“FVP”主要为泡沫，另一个是“WVP”主要为木材，含有部分泡沫。通过反复修改模拟，确定两种虚拟燃料包的属性如表3所示。

FDS模拟的房间尺寸采用6 m×4 m×3 m，设门和窗户两个通风口。鉴于之前火灾场景设计的FDS模拟和试验结果的差异性[6]，为了避免泡沫燃烧时

表3　两种虚拟燃料包的材料属性

HRR峰值增长过快，将“FVP”设计为1.8 m×1.2 m×0.2 m类似床垫的板状材料，“WVP”则是由横截面积尺寸为0.1 m×0.1 m、长度为0.8 m的条状材料构成。考虑两种摆放方式：(1)摆放方式1。将FVP放置在房间中心，下方摆放三排由WVP组成的堆垛物。在FVP的两旁分别放置两个由WVP组成的6层高的堆垛。采用丙烷作为气体燃料，引火源位于FVP侧面，靠近窗户一侧，尺寸为0.2 m×0.3 m，功率为60 kW。(2)摆放方式2。在房间中心位置放置两个FVP，尺寸均为1.8 m×0.9 m×0.2 m，中间相隔0.2 m，下方各放置两排由WVP组成的堆垛物。引火源位于两个FVP之间，其余同摆放方式1，具体摆放情况如图4、图5所示。

图4　虚拟燃料包摆放方式1

图5　虚拟燃料包摆放方式2

2　虚拟燃料包模拟结果与讨论

2.1　热释放速率

从图6、图7可以看出，摆放方式1能够较好地模拟试验1火灾初期增长速率，但无法得到两个明显的HRR峰值。摆放方式2能较好地再现试验1的火灾初期增长曲线和两个HRR峰值，由木垛完全燃烧产生的HRR峰值接近于试验值，但达到时间早于试验值。由于FDS模拟燃烧持续时间短，两种摆放方式均无法模拟出火灾衰减阶段。

图6　试验1热释放速率的FDS模拟和试验曲线比较图(摆放方式1)

图7　试验1热释放速率的FDS模拟和试验曲线比较图(摆放方式2)

从图8、图9可以看出，两种摆放方式都能较好地再现试验2火灾增长初期的热释放速率曲线，摆放方式2能较为准确地预测第一个峰值大小，但出峰的时间稍滞后于试验值，由木垛燃烧产生的第二个峰值高于试验值，出现的时间更早。

2.2　热烟气层温度

图10～图13分别给出了热电偶树温度的试验值和模拟值的比较情况。两种摆放方式都能较好地预测最高温度，摆放方式2能更好地再现温度变化趋势。

图8　试验2热释放速率的FDS模拟和试验曲线比较图(摆放方式1)

图10　试验1热电偶树温度的FDS模拟和试验曲线比较图(摆放方式1)

图12　试验2热电偶树温度的FDS模拟和试验曲线比较图(摆放方式1)

3　虚拟燃料包的应用

本文基于火灾荷载调查和燃料包试验数据得到了FDS虚拟燃料包，综合考虑了材料属性和周围环境条件的影响因素，对两组不同通风条件的试验场景进行了模拟，能够较好地反映热释放速率和温度的变化趋势，火灾初期阶段的火灾增长速率均介于快速火和中速火之间，偏向于快速火，与试验结果一致。而且，本次实体试验采用的宾馆客房燃料包，是

图9　试验2热释放速率的FDS模拟和试验曲线比较图(摆放方式2)

图11　试验1热电偶树温度的FDS模拟和试验曲线比较图(摆放方式2)

图13　　　　试验2热电偶树温度的FDS模拟和试验曲线比较图(摆放方式2)

按照火灾荷载调查结果的95th分位数设计的，代表了火灾荷载最不利的情况[6]，因此可以直接应用于实际尺寸的中档宾馆客房中。综合考虑通风条件、消防设施、房间尺寸等影响因素，进行不同火灾场景设计的模拟研究，为研究宾馆客房的火灾发展提供了一种简化可靠的方法。

4　结论

本文在火灾荷载调查和燃料包试验数据基础上，设计了宾馆客房的FDS虚拟燃料包，考虑了两种摆放方式来模拟试验中的火灾场景，发现摆放方式2能较好地再现火灾初期阶段的热释放速率峰值和最高温度，相对误差在5%左右。但是由于FDS模拟的燃烧过程较短，两种摆放方式均无法再现火灾的衰减阶段。

虽然数值模拟不能精准地再现试验结果，但是涉及到可燃物材料属性未知的情况下，FDS虚拟燃料包能为预测火灾发展提供一种简化的方法。要得到较为可靠的FDS虚拟燃料包输入文件，通过火灾荷载调查确定该类场所的火灾荷载、可燃物类型及分布是基础，通过合理的火灾场景设计，进行全尺寸或者中等尺寸试验得到热释放速率、温度等曲线是关键。由此得到的虚拟燃料包可以应用于真实火灾场景中，综合通风条件、房间尺寸、消防设施等影响因素，预测不同场景下的宾馆客房火灾发展特征。