单层多室建筑回燃火灾处置策略研究

王 俊

(北京平谷区消防支队，北京 101204)

0 引言

回燃是建筑火灾过程中的特殊火行为，由于新鲜空气的突然涌入，热解气体迅速达到爆炸极限，从而形成巨大的冲击波，严重威胁消防员的生命安全[1]。例如，1994年3月28日，曼哈顿62号“沃特”街区发生火灾，首层被破拆后，由于爆轰，在二层实施内攻的3名消防员殉职[2]；2015年5月1日，上海市徐汇区龙吴路一高层居民楼突发火灾，受回燃热气浪的推力影响，两名消防员从13楼坠落牺牲。为了最大限度地保护消防员的生命安全，应高度重视回燃条件下的灭火战术研究。

《公安消防部队执勤战斗条令》第3章第69条规定，公安消防部队在灭火战斗中，要灵活运用堵截、突破、排烟、破拆、封堵等11种战术方法。根据马宝磊等[1]的研究成果，当建筑发生回燃时，排烟与破拆是使用频率最高的处置方式。目前，大量学者对回燃现象进行了深入研究。白光[3]使用Phoenics软件模拟了地铁隧道回燃前的烟流分布情况，得出回燃发生的决定性参数是燃料挥发分的质量百分比的结论；谢晓刚等采用小尺寸试验研究回燃的临界条件与机理[4-7]；黄鹂[8]以地下商业街为研究对象，发现在竖井内安装加湿装置能有效抑制回燃的发生；张娜等[9]以多层建筑为研究对象，分析了回燃火灾的烟气运动过程；翁文国[10]利用能量平衡原理及突变原理构建了回燃现象的非线性动力学模型；Guigay[11]分析了正压送风措施对回燃的影响，但是缺乏定量分析。不难发现，鲜有学者讨论回燃的处置策略问题，而这一问题又与消防员的生命安全息息相关。回燃发生后，可能发生二次轰燃，甚至引起连续爆炸。为了研究回燃火灾蔓延的全过程，本文以多室建筑为载体，研究3个房间的火灾动力学特性，以期为消防员科学处置回燃火灾提供参考。

1 模型与工况设计

以Guigay[11]建立的模型为原型，设计14种工况，利用FDS软件模拟破拆及排烟对回燃的影响。

1.1 模型设计

图1为选用的单层多室模型。该模型共有3个房间，房间尺寸如图1(a)所示。其中，切片1与切片2用于查看空间温度分布。设定房间1为起火房间，各探测器位置如图1(b)所示。可燃物的热物性参数参考文献[6]设置，这里不再赘述。FDS技术手册规定，理论上火焰区域应满足火焰直径与网格边长的比值在4～16之间，推荐取值为10[12]。火源的热释放速率取1 MW，环境温度取293 K，空气密度取1.204 kg·m-3，重力加速度取9.8 m·s-2，网格尺寸为0.1 m×0.1 m×0.1 m。

图1 单层多室模型

1.2 破拆工况设计

由于现代建筑的密闭性比较好，发生火灾时，时常出现缺氧状态的阴燃[1]，导致大量可燃气体的聚集。盲目地破拆可能致使可燃气体燃烧爆炸，因此科学应用破拆战术显得尤为重要。根据破拆方位及破拆面积的不同，对破拆区设计9种工况，如图2所示，破拆的部位用阴影表示，任一工况的模拟时间为360 s。研究表明初期阴燃时间占总时间的50%左右[6]，假设建筑内被困人员较多，消防员必须在最短时间内破拆救人，考虑这一不利情况，破拆时刻由理论值180 s提前至150 s。

图2 破拆方式

1.3 排烟工况设计

火灾中造成人员死亡的主要原因是吸入了烟尘或有毒气体而中毒窒息伤亡[13]，因此及时有效地排烟有助于减少人员伤亡。在实施负压式排烟过程中，排烟风机应放置于通道口适当位置，从而增强内部气流由内到外的流动。目前，鲜有人定量研究排烟风机与排烟口间距对排烟效果的影响，为解决这一问题，设计5种工况，见表1。

表1 排烟工况设置

根据Guigay[11]的研究成果，排烟流量在1 000～1 440 m3·h-1范围内，排烟效果最好。工况12分为A、B两种情况，分别研究两个极限值的排烟效果。烟气产量、烟气层温度、能见度是衡量排烟效果的重要指标，计算方程组为：

(1)

式中，A为房间面积，m2；ρs为烟气密度，kg·m-3；H为房间高度，m；z为烟气层高度，m；mp为烟气生成速率，kg·s-1；mg为机械排烟速率，kg·s-1；Qτ为对流热释放速率，kW；z0为火源的虚点源，m；Ts为烟气温度，K；T0为环境温度，K；cp为烟气比热，kJ·kg-1·K-1。

求解方程组(1)，即可得到热烟气的相关参数。

2 模拟结果分析

分别对不同工况下，破拆战术与排烟战术的模拟结果进行分析。

2.1 破拆战术模拟结果及分析

2.1.1 破拆后回燃现象分析

进行破拆后，开口处通常喷出巨大的火球，这是回燃发生的重要判据。以工况8为例，回燃前后的燃烧现象如图3所示。房间1起火后，由于通风不畅，阴燃产生的高温浓烟逐渐填满整个房间，见图3(a)；150 s时，通风口突然开启，大团火焰从开口处向外溢出，回燃发生，见图3(b)；157 s，房间1发生轰燃，随着高温烟气的流动，房间2和房间3温度升高，火势增大，见图3(c)。

图3 回燃前后燃烧现象

2.1.2 气体成分分析

房间起火会产生大量有毒气体，室内人员面临缺氧窒息与CO中毒的双重危险。不同工况下，O2浓度的变化分为4个阶段，如图4所示。前50 s内，可燃物猛烈燃烧，O2浓度直线下降；50～150 s内，由于房间与外界没有气体交换，进入阴燃阶段，O2浓度维持5%不变；第150 s进行破拆，大量空气的涌入使得热解气体重新燃烧，O2浓度降到最低2.5%；最后，可燃物逐渐消耗完全，同时热烟气的流出与冷空气的进入，使得O2浓度再次回升。工况6条件下，平均O2浓度最高，燃烧也最为猛烈，而工况1则最低。得出破拆位置越高，回燃越容易发生的结论。这是因为，在浮力羽流的作用下，高温烟气先在房间上方积聚，若在上部开口，则立即与大量空气混合达到爆炸极限，从而引发回燃。

图4 O2浓度变化

CO浓度的变化如图5所示，工况9产生的CO含量最高，工况1则最低。表明破拆面积越大，回燃越猛烈。同时，工况5与工况6相比，CO的体积分数更高，表明在水平方向上，破拆部位越居中，回燃现象越明显。原因在于工况5的开口部位几乎正对可燃物，缩短了空气与可燃物接触的时间，提高了混合程度，从而燃烧更充分。破拆后50 s，CO浓度开始逐渐低于致死浓度0.64%，这一时刻可作为消防员内攻的临界点。

图5 CO浓度变化

2.1.3 房间温度分析

9种工况下房间1的温度变化如图6所示。0～50 s，可燃物燃烧放热；50～150 s，由于缺氧，燃烧进入衰减阶段，室温降低；150 s时，空气突然进入房间，未燃气体达到爆炸极限，立即燃烧，释放大量的热量使房间温度瞬间达到峰值。回燃结束的瞬间，大量冷空气进入室内，房间温度迅速降低。工况9条件下，温度峰值最高，回燃的危险性也最大。

图6 不同工况温度变化

以工况8为例，不同房间的温度变化如图7所示。可以看出，由于回燃，温度变化出现两个峰值。房间2与房间3的温度变化存在延迟现象，这是因为烟气流动的方向是从房间1依次至房间2与房间3所致。此外，由于高温烟气与壁面之间的对流换热，温度的峰值也依次降低。因此，消防员在内攻救人时，可优先选择进入房间3，最后选择房间1。

图7 不同房间温度变化

2.2 排烟战术模拟结果分析

2.2.1 压强分析

在破拆后50 s，实施排烟战术。破拆口的压强如图8所示，曲线的变化分为4个阶段。前70 s内，可燃物阴燃，生成大量高温烟气，因此压强缓慢上升；70～150 s内，O2与热烟气处于动态平衡，因此压强浮动很小；150～200 s内，由于破拆的影响，大量空气涌入，压强急剧增大；200 s时，启动负压式排烟机，开口处压力不断减小，烟气的溢出速度增大。因为烟气溢出的速度与开口压强呈反比，所以工况11的排烟效果最好，而工况10则最差。可以看出排烟风机距离破拆口0.4 m时，排烟效果最好。此外，工况12B的排烟效果优于12A，说明一定范围内，排烟流量越大，排烟效果越显著。

图8 压强变化

2.2.2 能见度分析

房间1的能见度变化如图9所示。高度小于2 m的空间，当能见度大于10 m时，能保证人员安全逃生[14]。30 s时，能见度由30 m降到10 m。50 s时，室内充满烟气，能见度几乎为零。200 s时，能见度以指数的形式上升；再经过80 s，能见度高于10 m。工况12B，能见度上升的速率最快，表明排烟流量是影响能见度的关键因素。其余曲线中，在同一时刻，工况11与13的能见度最高，说明排烟机与排烟口间距在0.2～0.4 m时，排烟效果最好。

图9 能见度变化

2.2.3 烟气层温度分析

图10为冷烟气层温度变化，150 s发生回燃时，温度达到峰值400 ℃；当烟气温度高于131 ℃时，人员有死亡危险[14]。第200 s开始排烟，温度以对数的形式下降，高于131 ℃的时间共计80 s。图11为热烟气层温度变化，最高温度为900 ℃，高于131 ℃的时间共计120 s。因为冷热烟气层并没有明显的界限，所以两者的温度变化趋势一致。不同工况下，热烟气层温度的峰值差异较大，说明排烟起到了良好的降温效果。其中，工况11热烟气层最高温度400 ℃，冷烟气层最高温度170 ℃，排烟效果最好。相比之下，工况10的排烟效果最差。

图10 冷烟气层温度变化

图11 热烟气层温度变化

3 结论

本文利用FDS软件模拟了14种工况下破拆及排烟对回燃的影响，通过研究，得出以下结论：(1)多室建筑发生火灾时，要综合运用破拆及排烟战术。若建筑内留有人员，首选破拆战术，反之则首选排烟战术。同时要注重两种战术的协同配合，一般情况下，先破拆形成通风口，然后进行排烟。内攻救人时，根据离回燃房间的远近，确定疏散的先后顺序。(2)合理确定破拆位置及面积能有效降低回燃的危害。竖直方向，破拆位置越低，回燃越难发生；水平方向，破拆位置越居中，回燃越易发生；面积上，破拆口越小，回燃越难发生。建议分多次从外墙两侧的较低位置进行小面积破拆，并至少在50 s后组织内攻。(3)排烟机的位置及流量对排烟效果有很大影响。排烟机与排烟口之间的距离处于0.2～0.4 m的范围内时，排烟效果最好；排烟流量越大，排烟效果越好。建议在排烟60 s后，进入房间搜救，避免盲目冒进。