国防工程火灾烟气成分分布规律研究

余南田， 茅靳丰，毛 维，邓忠凯，向健宇

(1.陆军工程大学国防工程学院，江苏 南京 210007；2.军事科学院国防工程研究院，北京 100036；3.中国人民解放军75714部队，湖南 衡阳 421900)

国防工程作为我国军事工业的重要组成部分，对其火灾安全的研究已经成为地下建筑安全研究的热点。国防工程由于工程轴线长且密闭性好，火灾通常具有如下特点：火灾前期难以发现，火势蔓延快，烟气不易排出，人员逃生和火灾扑救困难。目前，国内外对地下建筑火灾安全的研究主要集中在地铁[1-2]和隧道[3-7]或者是地面建筑中的狭长通道[8-9]。而国防工程的自然条件、工程目的以及人员疏散要求与地铁、隧道和地面建筑有较大的不同，因此研究国防工程火灾安全很有必要。

火灾事故统计表明，火灾中80%以上死亡是由烟气所导致的[10]。因此，国防工程火灾中烟气流动及其分布规律是火灾安全研究的重点，本文采用火灾模拟软件FDS，对国防工程发生火灾时不同走廊开口情况下烟气成分的分布规律进行模拟研究，以期为人员安全疏散提供指导。

1 火灾模拟软件FDS

FDS是由美国国家标准与技术研究院(NIST)开发的一款火灾动力学模拟软件，该软件能够模拟国防工程烟气流动中温度、浓度及流速等各种参数的变化，其采用的微分控制方程组如下：

质量守恒方程：

(1)

动量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

式中：ρ为气体密度(kg/m3)；u为速度矢量(m/s)；g为重力加速度(m/s2)；f为外部力矢量(kg·m/s2)；τij为牛顿流体黏性应力张量(Pa)；h为显焓(J/kg)；p为压力(Pa)；q‴为单位体积的热释放速率(W/m3)；q″为热通量矢量(W/m2)；φ为耗散函数(W/m3)。

此方程组能很好地应用于求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的N-S方程。FDS软件模拟地下建筑火灾所取得的可信度已经被国内外众多学者认可[11-13]，因此本研究选择FDS模拟软件对国防工程发生火灾时烟气成分的分布规律进行数值模拟研究。

2 模型建立

2. 1 物理模型

防火分区是国防工程防火设计的基本单元，因此本文以南京某国防工程一个防火分区为研究对象，利用FDS模拟软件对其发生火灾时不同走廊开口情况下烟气成分在垂直和水平方向上的分布规律进行数值模拟分析。

图1为该国防工程模型图和平面示意图。该工程由走廊和两侧房间组成，走廊长50 m、高3 m、宽2 m，两侧房间按使用用途，可分为会议室、办公室和首长休息室，其中会议室尺寸为9.9 m×4 m×3 m，办公室尺寸为6.6 m×4 m×3 m，首长休息室尺寸为3.3 m×4 m×3 m，门的尺寸为2 m(高)×0.9 m(宽)。

图1 某国防工程模型图和平面示意图Fig.1 Model diagram and plan sketch of a defense engineering

2. 2 火源设定

在国防工程中，火源的位置和规模是火灾发展的基本参数，在模拟过程中火源设定得越合理，其计算结果越可靠。国际上通常用t2(NFPA92B,2000)型火灾来近似非稳态火源，其火源强度可由下式表示:

Q=α(t-t0)2

(4)

式中：Q为火源强度(kW)；(t-t0)为火源有效燃烧时间(s)；α为火源增长系数。

本文根据该国防工程内部结构的特点、房间的布局用途以及内部可燃物状况，以走廊最左侧首长休息室作为火源房间，并根据房间实际功能设定着火房间的火灾场景，按照无喷淋的办公室和客房设定火源热释放速率为6 MW[14]，首长休息室火源主要集中在床上用品，因此选用欧洲标准火庚烷火[15]和超快速火源模型，火源增长系数为0.187 8。

2. 3 模拟工况及测点布置

当左侧首长休息室着火后，人员将向走廊右侧逃生。部分国防工程由于修建时间早或者施工条件限制，工程内未安装排烟系统，本文考虑最不利情况，在没有排烟系统情况下对单向型走廊(靠近火源的出口关闭、远端出口开启)和全封闭型走廊(两端出口均关闭，走廊端部设置火灾避难室)两种工况情况进行模拟。

人员在逃生过程中会受到有毒有害气体和窒息的危害，本次模拟研究以二氧化碳(CO2)及氧气(O2)浓度作为主要研究指标,以走廊左端出口位置为纵向原点，在距走廊左端距离分别为L=4 m、14 m、24 m、34 m、44 m位置处布置5组烟气特征参数测点树，测点树上同一测点位有温度测点以及CO2、CO和O2浓度测点；测点树上最高测点距顶棚的距离为0.4 m(h=2.6 m)，最低测点距地面的距离为0.6 m(h=0.6 m)，每两个相邻测点间相距0.4 m。下面以距火源的距离L分别为4 m、24 m和44 m位置处测点分析烟气成分在垂直方向上的分布规律，以高度h分别为2.6 m、1.8 m和1 m位置处测点分析烟气成分在水平方向上的分布规律。

2. 4 网格划分

FDS模拟软件以网格作为最小计算单元对防火分区进行全尺寸模拟。在火灾的模拟中，网格是决定模拟是否可信的最基本参数。McGrattan等[16]研究指出，可以利用下面公式确定火灾模拟合适的网格尺寸范围：

(5)

D*/σx=4～16

(6)

式中:D*为特征长度(m)；Q为热释放速率(kW);ρ∞为环境密度(kg/m3);T∞为环境温度(K)；CP为定压比热容[J/(kg·K)]；g为重力加速度(kg/s2)；σx为网格尺寸(m)。

该国防工程的火源强度为6 MW，计算得到合适的网格尺寸范围为0.12～0.49 m。综合考虑计算精度和时间成本，模型中以0.2 m×0.2 m×0.2 m划分网格。

2. 5 定解条件

可燃物的燃烧、火灾的蔓延以及烟气的扩散都是非稳态过程，FDS模拟软件求解涉及到的微分控制方程组必须给出流场的初始参数。由于国防工程出入口少，因此假设初始流场为静止状态，初始温度为20℃，压力为1个标准大气压；初始时间步长为0.2 s，在整个计算过程中时间步长将自动调整为满足CFL条件的时间步长[16]。在人员逃生过程中，考虑走廊烟气最不利情况，除着火房间房门开启外，

其他房门均关闭。工程结构材料为钢筋混凝土，传热按一维传热处理，即热厚边界条件；烟气在壁面上无渗透，由于烟气的黏性作用，靠近壁面处烟气速度为零，因此壁面速度采用无滑移边界条件。

3 模拟结果与分析

3. 1 烟气成分在垂直方向上的分布规律

3.1.1 单向型走廊CO2浓度的垂直分布规律

图2为该国防工程发生火灾时单向型走廊内不同位置处CO2浓度的垂直分布情况。

图2 单向型走廊内不同位置处CO2浓度的垂直 分布情况Fig.2 Vertical distribution of CO2 concentration in different places of the unidirectional corridor

由图2可见，单向型走廊上层测点CO2浓度要先于下层测点开始变化，同一位置处CO2浓度随高度的降低而降低，以稳定阶段同一位置处上下相邻两测点的CO2浓度差值与两测点中较高CO2浓度值的比值作为CO2浓度的垂直衰减幅度，计算各测点处浓度的衰减，发现当高度从2.2 m下降到1.8 m时，烟气中CO2浓度会有较大幅度的下降，从走廊门口由近到远下降幅度依次是71.4%、62.5%、57.2%，说明CO2浓度在垂直方向上存在明显的两个分层，走廊上层的CO2浓度远大于走廊下层的CO2浓度；此外，随着距火源距离的增加，走廊上层空间的CO2浓度会下降，而走廊下层空间的CO2浓度变化不大，即走廊垂直截面上CO2浓度的分布随距火源距离的增加变得更均匀，这主要是由于走廊右端防火门开启，新鲜空气会不断地流向火区，而上层烟气在扩散的过程中会与壁面和走廊下部的新鲜空气不断换热，导致烟气温度不断下降，烟气热浮力随即下降，烟气在走廊远端沉降得更为明显，因此走廊远端垂直截面上的CO2浓度分布得更加均匀。

3.1.2 单向型走廊O2浓度的垂直分布规律

图3为该国防工程发生火灾时单向型走廊内不同位置处O2浓度的垂直分布情况。

图3 单向型走廊内不同位置处O2浓度的垂直分布 情况Fig.3 Vertical distribution of O2 concentration in different places of the unidirectional corridor

由图3可见，单向型走廊同一位置上层测点O2浓度要先于下层测点发生变化，同一位置处O2浓度随高度的升高而降低；垂直方向上仍然以稳定阶段纵向同一位置处上下相邻两测点的O2浓度差值与两测点中较高O2浓度值的比值作为O2浓度的垂直衰减幅度，可以发现当高度从1.8 m提升到2.2 m时，O2浓度会有一个剧烈的衰减，由近至远的衰减幅度依次是52.8%、32%、24.5%，说明O2浓度在垂直方向上同样存在两个明显的分层，走廊上层的O2浓度远小于走廊下层的O2浓度；离火源较近的区域，下层测点的O2浓度变化幅度很小，随着距火源距离的增加，走廊下层测点的O2浓度下降得越来越明显，这是因为烟气在扩散过程中与壁面和下层空气换热导致其温度降低、高度下降，加上右侧防火门开启，新鲜空气与烟气在走廊远端掺混程度较高，部分烟气在走廊末端下层回流。

3.1.3 全封闭型走廊CO2浓度的垂直分布规律

图4为该国防工程发生火灾时全封闭型走廊不同位置处CO2浓度的垂直分布情况。

图4 全封闭型走廊内CO2浓度的垂直分布情况Fig.4 Vertical distribution of CO2 concentration in different places of the totally enclosed corridor

由图4可见，与单向型走廊类似，全封闭型走廊同一位置中最高测点的CO2浓度最先开始发生变化，测点高度越低，CO2浓度发生变化越迟；但是离火源越远，同一位置处不同高度测点CO2浓度开始变化的时间差越小，在走廊最右端，垂直方向上几乎是同时发生变化，这主要是由于前期火源燃烧产生的烟气由走廊上层空间从火区流向走廊右端，而走廊右端封闭，烟气受到阻碍后迅速沉降之后发生回流，下层空间由走廊右端回流到火区的烟气填充，因此越靠近火源，下层空间CO2浓度开始发生变化的时间越滞后，不同高度测点的CO2浓度开始发生变化的时间差越大。

与单向型走廊相比，全封闭型走廊出口同一位置处不同高度的CO2浓度在后期将会趋于一致，表明整个走廊最后将会充满烟气。此外，由图4还可以看到，全封闭型走廊上层空间的CO2浓度存在一个最大值，CO2浓度达到峰值之后开始下降，最后保持在一个稳定值。出现这个现象主要是因为：前期O2充足，火源燃烧产生大量的CO2，后期防火分区内O2不足，火源燃烧逐渐变小，直至熄灭，CO2产生量变小；同时全封闭型走廊上层空间的烟气小部分发生沉降，大部分会向走廊远端扩散，最终在远端产生回流，因此全封闭型走廊上层空间的CO2浓度达到峰值后会不断下降，而下层空间的CO2浓度会继续上升，最终全封闭型走廊垂直方向上的CO2浓度保持在一个稳定值。

3.1.4 全封闭型走廊O2浓度的垂直分布规律

图5为该国防工程发生火灾时全封闭型走廊内不同位置处O2浓度的垂直分布情况。

图5 全封闭型走廊内不同位置处O2浓度的垂直 分布情况Fig.5 Vertical distribution of O2 concentration in different places of the totally enclosed corridor

由图5可见，O2浓度的变化规律与CO2浓度的变化规律类似，同一位置处各测点的O2浓度从高至低依次开始变化；离火源越远，同一位置处不同高度测点的O2浓度开始变化的时间差就越小，全封闭型走廊端头处不同高度测点的O2浓度基本是同时发生变化的；除全封闭型走廊最右端外，前期走廊内上层空间的O2浓度要小于下层空间的O2浓度，后期随着烟气充满整个走廊，上下层空间的O2浓度趋于一致。此外，由图5还可以看到，全封闭型走廊上层空间的O2浓度存在一个最低值，O2浓度先下降到最低值，然后上升，最终保持稳定；与图4对比发现，同一测点处O2浓度与CO2浓度发生转折的时刻基本一致。出现这种情况主要是因为火源燃烧前期，全封闭型走廊上层空间不断聚集高温烟气，导致走廊上层空间的O2浓度所占比例不断减小，到了后期，火源减小直到最后熄灭，产烟量不断减小，同时烟气由于沉降和扩散作用，在走廊上层空间所占的比例变小，底部空气和上层烟气掺混充满整个全封闭型走廊，因此上层空间的O2浓度相应地增加，但整个全封闭型走廊总的O2浓度一直下降，直到火源熄灭不再耗氧。

3. 2 烟气成分在水平方向上的分布规律

3.2.1 单向型走廊CO2浓度的水平分布规律

图6为该国防工程发生火灾时单向型走廊内不同高度处CO2浓度的水平分布情况。

图6 单向型走廊内不同高度处CO2浓度的水平 分布情况Fig.6 Horizontal distribution of CO2 concentration at different heights of the unidirectional corridor

由图6可见，总体上来看，单向型走廊内，测点的高度越低，水平面上的CO2浓度越小，危害性越小；在单向型走廊的上层空间(h=2.6 m)，越靠近火源，CO2浓度越高，即沿着单向型走廊纵向正方向，CO2浓度不断下降，走廊末端CO2浓度最小；在h=1.8 m水平面上，CO2浓度沿走廊纵向几乎一致，并且测点波动幅度较大；在h=1 m水平面上，越靠近火源，CO2浓度越低，即沿着单向型走廊纵向正方向，CO2浓度不断升高，单向型走廊末端CO2浓度最大，并且走廊最右端测点的CO2浓度波动幅度较大。不同高度水平面上CO2浓度呈现不同的变化规律主要是因为单向型走廊上层空间烟气的流动方向是由着火房间流向右端开口，而下层空间烟气主要来源于右端开口处产生的烟气回流，即上下层空间的烟气流动方向相反，因此上下层空间的CO2浓度水平分布规律相仿，但衰减方向相反；而h=1.8 m水平面处于上下层空间的过渡区域内，靠近火源处烟气沉降少但上层空间烟气浓度大，远离火源处烟气沉降多但上层空间烟气浓度小，同时上层空间烟气与下层空间新鲜空气掺混剧烈，所以整个水平面烟气浓度基本一致，并且波动幅度大。

3.2.2 单向型走廊O2浓度的水平分布规律

图7为该国防工程发生火灾时单向型走廊内不同高度处O2浓度的水平分布情况。

图7 单向型走廊内不同高度处O2浓度的水平 分布情况Fig.7 Horizontal distribution of O2 concentration at different heights of the unidirectional corridor

由图7可见，单向型走廊内O2浓度的水平分布规律与CO2浓度的水平分布规律相似，不同高度的水平面上O2浓度呈现不同的分布规律，沿走廊纵向正方向上层空间O2浓度不断升高，下层空间O2浓度不断下降；在过渡层O2浓度几乎一致，且波动较大。O2浓度水平分布呈现如此规律也是由于上下层空间烟气流动方向相反，且与过渡层内烟气与空气的掺混有关，在此不再赘述。

3.2.3 全封闭型走廊CO2浓度的水平分布规律

图8为该国防工程发生火灾时全封闭型走廊内不同高度处CO2浓度的水平分布情况。

图8 全封闭型走廊内不同高度处CO2浓度的水平 分布情况Fig.8 Horizontal distribution of CO2 concentration at different heights of the totally enclosed corridor

由图8可见，在火源燃烧前期，全封闭型走廊与单向型走廊的上下层空间CO2浓度的水平分布规律类似，即距火源越远，上层空间的CO2浓度越低，而下层空间的CO2浓度越高；但到了后期，全封闭型走廊与单向型走廊的CO2浓度分布不同，上层空间(h=2.6 m)的CO2浓度会下降，最终保持稳定；全封闭型走廊内不同高度的水平面上CO2浓度会呈现相同的分布规律，即距火源越远，CO2浓度越高，这主要是因为后期火源熄灭，产烟量减小，但靠近火源处烟气温度仍然较高，热扩散能力大，继续向远端扩散，而在全封闭型走廊末端，烟气温度相对较低，热扩散能力弱，造成烟气大量堆积。

此外，由图8还可以看出，由于烟气无法向外排出，水平面上沿全封闭型走廊纵向方向CO2浓度变化幅度较单向型走廊更小，也就是水平面上的CO2浓度分布得更均匀；在全封闭型走廊中层空间(h=1.8 m处)水平面上，由于没有新鲜空气补充，烟气与空气的掺混程度较小，CO2浓度波动幅度小，即全封闭型走廊不存在过渡层。

3.2.4 全封闭型走廊O2浓度的水平分布规律

图9为该国防工程发生火灾时全封闭型走廊内不同高度处O2浓度的水平分布情况。

图9 全封闭型走廊内不同高度处O2浓度的水平 分布情况Fig.9 Horizontal distribution of O2 concentration at different heights of the totally enclosed corridor

由图9可见，该国防工程发生火灾后，全封闭型走廊内O2浓度会不断下降；前期，全封闭型走廊上层水平面上的测点距火源越近，O2浓度越低，随着火源燃烧状态的转变，O2浓度下降到一个最低值后开始上升直到稳定；后期，距火源越近，O2浓度越高[见图9(a)]；全封闭型走廊中下层空间则一直保持距火源越近、O2浓度越高的分布规律[见图9(b)、9(c)]。O2浓度水平分布出现这种规律的原因是前期火源正常燃烧不断消耗O2产生CO2，全封闭型走廊上层空间为流向末端的烟气，而中下层空间为流向火源的空气；后期O2不足导致火源熄灭，大量烟气在走廊末端堆积。

4 结 论

本文基于南京某国防工程中的一个防火分区，设计了火灾场景，选取合适的网格尺寸对防火分区内走廊在不同状态下烟气成分在垂直和水平方向上的分布规律进行了研究，得到以下主要结论：

(1) 单向型走廊上层空间测点CO2浓度和O2浓度要先于下层空间发生变化，下层空间变化幅度很小；烟气浓度分布在垂直方向上存在明显的分层，上层空间的CO2浓度要远大于下层空间，而O2浓度则正好相反。烟气在单向型走廊末端的沉降导致距火源越远，垂直方向上的CO2浓度分布越均匀，走廊下层空间的O2浓度下降得越明显，说明单向型走廊远端人员危险性越高。

(2) 单向型走廊内CO2浓度和O2浓度的水平分布与高度及距火源的距离有较大关系。单向型走廊上层空间烟气与下层空间空气的流动方向相反，CO2浓度和O2浓度在上下层水平面上的衰减方向也就相反：距火源越远，单向型走廊上层空间的CO2浓度越低，下层空间的CO2浓度越高，O2浓度的变化则正好相反。过渡层CO2浓度和O2浓度水平分布较为均匀。

(3) 全封闭型走廊上层空间测点CO2浓度和O2浓度要先于下层空间发生变化，但由于上下层空间烟气流动方向相反，同一位置处不同高度测点开始变化的时间差随距火源距离的增加变得越来越小；全封闭型走廊垂直方向上烟气浓度分布不存在分层现象，火源燃烧状态的转变导致CO2浓度和O2浓度在全封闭型走廊的上层空间分别有一个最大值和最小值，达到极值后再分别下降和上升，最终保持稳定。

(4) 全封闭型走廊内CO2浓度和O2浓度的水平分布在火源燃烧前期与单向型走廊相同：距火源越远，走廊上层空间的CO2浓度越低，下层空间的CO2浓度越高；O2浓度的变化则正好相反。但后期由于氧气不足，火源燃烧强度逐渐下降最终熄灭，上层空间烟气由于浮力继续向远端扩散，导致全封闭型走廊末端堆积大量烟气，走廊上层空间的CO2浓度和O2浓度分布与前期不同，即距火源越远，全封闭型走廊上层空间的CO2浓度越高、O2浓度越低。由于全封闭型走廊端口封闭，CO2浓度和O2浓度在水平面上的分布较单向型走廊更为均匀。