计算机房火灾危险性与烟气蔓延的FDS模拟及规律研究

李景瑞,符 凌

(1. 华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201；2.中国石油大学(北京) 安全与海洋工程学院，北京 102249)

0 引言

随着我国经济的快速增长，城镇化步伐加快，使得建筑物势必向高层发展。根据建筑规范，我国将10层及以上的居住建筑或高估超过24米的建筑归为高层建筑。由中国消防网公布的数据显示，截比2018年，我国已有35万余幢高层建筑。高层建筑具有楼层多、人员密集、内部装饰材料多等特点一旦发生火灾将给人们的生命安全和财产带来巨大的威胁和损失，因此火灾危险性远高于普通建筑。每年我国高层建筑火灾占了总火灾的6%，造成了重大的经济损失和人员伤亡，给社会安全带来了较大影响。本文主要论述了高层建筑内火灾危险性较大的计算机房火灾危险性,分析了高层建筑火灾的特性并分析了高层建筑火灾蔓延和烟气分布规律[1，2]。

关于建筑火灾烟气流动与控制的研究主要采用两种方法:一是开展火灾烟流试验,即通过试验来分析、认识、掌握火灾烟气流动规律及其控制原理；二是采用计算机模拟的研究方法。

随着计算机技术的快速发展和模拟软件的日益成熟，因价格低、使用便捷等优势使得数值火灾模拟的方式被广泛的使用。

国外多位学者在包括中庭、场馆、航站楼等大空间火灾[3-5]采用实体试验和计算机数值模拟方法取得了很大的科研成就。Shipp等人通过汽车在隧道中的火灾实验，研究火灾的热释放速率、车辆附近的温度和热流量。Ida Larsson以缩比模型试验研究不同的通风模式对火灾的影响。Chow通过火灾试验得到烟气层温度分布的特点，并与Ingason等人的研究结果进行比较，得到影响烟气层温度分布的因素。Candid等人进行火灾大小为1.6 MW的模型试验，并与数值模拟的对比，得出影响机械排烟的有效性的因素。Chow基于对已有地铁火灾的研究基础，建立三维火灾场景模拟不同通风条件下的烟气扩散情况。Abu Zaid等人选取某地铁换乘站建立火灾模拟模型，研究不同火源位置的温度场和烟气速度矢量场。Deng等建立多个火灾模拟模型，研究了网格划分形式不同对火灾模拟结果的影响。Zhong B借助虚拟现实技术建立火灾模拟场景，根据模拟数据，提出现实火灾时的疏散建议。

国内学者基于FDS针对公共建筑火灾的研究也日渐成熟。

魏东，张希瑜[6]在基于FDS数值模拟的公共建筑首层烟气蔓延对疏散楼梯间的影响分析中利用计算机数值模拟方法，对公共建筑首层发生火灾后烟气流动情况进行研究，分析烟气流场的规律以及对疏散楼梯间的影响，探索进一步改善人员疏散的方法。

金潮，张菁，游国强等在基于FDS的后处理厂有机溶剂火灾事故后果研究为计算乏燃料后处理厂有机溶剂泄漏导致的火灾事故后果影响，基于FDS火灾数值模拟软件，结合火灾过程放射性物质释放量经验公式，建立火灾场景模型，对后处理厂密闭空间内因氧含量不足、有机溶剂泄漏造成的火灾事故持续时间和放射性物质释放量进行计算。

刘晓，蔡治勇[7]等在基于FDS的高层建筑火灾数值模拟研究中利用FDS软件对一幢高层住宅建筑的房间和走廊设置火源进行数值模拟，通过对三个不同测点的烟气浓度、CO浓度、温度和能见度进行测试得出其结果，以此来得到最佳的疏散时间。

郝冠宇使用FDS(Fire Dynamics Simulator)软件进行灾后排烟过程的模拟，重点对排风口风速、诱导风机设置以及通风口位置和形状三个因素对排烟效果的影响进行分析。高明旭通过对比数值模拟结果，通过防火门状态和自然通风排烟、机械负压排烟、全面通风排烟等状态设置了六种火灾场景，对火灾发展及烟气蔓延规律进行了研究，确定了火灾时的最大火灾规模约为8～16 MW。

程远平、R John在德国火灾试验大厅对一辆小汽车进行实体试验研究，得到诸如火场内温度、速度、释热率及烟气浓度等一系列火灾参数的变化规律，并总结出人员逃生和灭火救灾的最佳时间。钟委等人研究热释放速率的设定方法。杨立中等人利用小尺度的试验模型研究烟气浓度的变化特点，以及完全燃烧对烟气浓度的影响。程远平等利用计算机仿真技术研究烟气与热排放在消防安全领域的作用，得出排烟口有效面积与地板面积的百分比对烟气排放体积流量和释热率的影响。

本文运用FDS模拟软件对某一高层教学楼计算机房进行模拟，设置起火点为机房后部纸箱，火源功率为1.0 MW，教室两扇窗户和前门与外界连通，分析烟气蔓延速度、温度以及烟气层分布变化规律。为高层建筑火灾烟气的有效控制、人员疏散、火灾扑救提供理论依据。

1 模型建立

选取某高层教学楼计算机房为例进行火灾场景分析。首先根据可燃物的分布情况分析整栋建筑可能的起火点位置。然后，通过对多个有可能产生严重后果或者较容易引起火灾蔓延的部位进行对比分析，选择最严重的火灾场景，即选取机房后部起火，房间后端疏散门紧闭不能用于人员疏散和排烟使用。

1.1 几何模型

本文以典型计算机房为框架建立模型。机房高2.749 m，俯视图如图1所示。

图1 机房俯视图

1.2 数学模型

本文采用美国国家标准局建筑与火灾研究实验室开发的火灾动态模拟软件FDS进行模拟。火场的大小及其他一些参数可以通过热释放速率来描述。

FDS(Fire Dynamics Simulator)是美国国家技术标准局(NIST:National Institute of Standards and Technology )建筑火灾实验室(Building and Fire Research Laboratory)开发的基于混合分数燃烧模型和数值模拟为基础的三维计算流体动力学软件，可以用两种方式处理火灾湍流流动过程，大涡模拟(LES)和直接数值模拟(DNS)。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的N-S方程，重点计算火灾中的烟气和热传递过程。FDS软件准确性得到了大量试验的验证，因此在火灾科学领域得到了广泛应用。

模拟初始条件设置北部窗户与房间前部门口开启与外界大气联通，外界1个标准大气压，环境温度为20℃。不设置机械通风和灭火系统。

1.3 火灾场景构建

计算机房内部设备基本参数，如表1。

表1 实验对象基本参数

给定一个初始火源以实现对火灾蔓延过程的模拟。以实验房间和设备的实际尺寸建立相应的物理模型，火源位置设置在纸箱的下部，并将箱子2引燃，利用引火源的辐射热自动引燃其他纸箱，火灾过程中引火源不撤去。根据董慧[8]等在标准房间内热释放率的研究，以及张和平、王蔚、杨昀等室内沙发热释放速率全尺寸实验研究[9]中火源的设置方法。屋内物品的热释放速率大约为0.7～2.2 MW，本文中起火点为瓦楞纸箱，取其火源功率为1.0 MW。

物性参数设置：初始时刻，环境温度设置为20℃，门外均设置开口边界，北1、北2窗定义为通风口，Specify Velocity 设置为2.5 m/s。按照FDS软件使用手册中推荐的方法划分网格，计算得到模型的火灾特征直径，为了达到最佳的模拟精度，取 X、Y、Z 三个坐标轴上的网格数为4.8万，模拟时间为300 s，火源功率取1.0 MW。图2为起火面位置的设置。

图2 燃烧面位置

2 模拟结果分析

该模型火源以恒定的热释放速率3000 kW/m2，着火面为0.475 m×0.5 m引燃可燃物。可燃物热释放速率如图3所示。根据该HRR变化曲线可知该火灾场景火灾热释放速率随着时间以幂指数形式增加，在700 kW之后热释放速率趋于稳定，700 kW之后的取平均，得到该火灾场景热释放速率平均值为862.77 kW。

2.1 烟气层高度模拟结果及分析

通过Smokeview对模拟的火灾进行分析观察，得到不同时间烟气到达房间各个位置的情况，如图4～图8。

图3 HRR变化图

图4 在2 s时机房的烟气分布图

图5 在4 s时机房的烟气分布图

图6 在6 s时机房的烟气分布图

图7 在13 s时机房的烟气分布图

图8 在100 s时机房的烟气分布图

根据烟气分布图可以得出：

(1) 烟气在4 s到达房间中部；机房中后部未撤离的人群开始受到烟气威胁。

(2) 烟气在6 s到达房间3/4，已蔓延至房间的大部分位置。

(3) 烟气在13 s时到达机房疏散门。之后烟气层从楼板向下不断下降，30 s之后烟气层稳定在1.6～2.02 m之间。也就是说从地板算起1.6 m以下较为安全，只存在少量烟气。

机房中部烟气层高度随时间的变化曲线如图9所示。

烟气层在第一次下降到2.35 m处后开始逐渐趋于稳定，将该曲线4.51 s之后取烟气层高度的平均值，得机房中部烟气层高度在1.877 m左右。烟气层高度最小值为1.474 m，疏散人员应尽量保持弯腰前行，减少烟气对人体的伤害[10]。

2.2 温度场模拟结果及分析

当火灾发生时，疏散人员需从两个疏散门逃生，但是由于火灾的发展，选择的逃生出口也不同。如果选择出口不当，由于温度过高可能无法接近，造成严重后果。应根据不同的火源位置和火灾时间选择出口。模拟过程在Y取4.71处设置了温度切片，该切片通过火源表面。切片温度分布变化与时间的关系如图10～图15所示。

图9 机房中部烟气层高度变化

图10 在1 s时Y=4.71处机房温度分布图

图11 在2 s时Y=4.71处机房温度分布图

图12 在10 s时Y=4.71处机房温度分布图

图13 在100 s时Y=4.71处机房温度分布图

图14 在200 s时Y=4.71处机房温度分布图

图15 在300 s时Y=4.71处机房温度分布图

由图10～图15可以得出：

(1) 1 s时，火源辐射范围到达距离机房后端墙壁1.471 m位置，机房最后一排桌椅由于火源影响，开始具有燃烧的可能。

(2) 2 s～7 s随着高温烟气沿房间顶部向疏散门蔓延，房间顶部温度升高，范围快速扩大并逐渐向房间前部蔓延。

(3) 10 s后，由于烟气第一次到达房间前端，随着烟气影响，开始在机房前端形成一个温度大于60℃的高温区域，该区域距机房东墙2 m左右，距离地面小于1 m。形成的原因主要是是烟气层在机房顶部流动，遇到机房前端墙壁后受到阻挡形成较大的涡流，由于烟气聚集，形成了该高温区域。人员疏散时应该绕过该区域[11-13]。

(4) 100 s～300 s中部温度层缓慢下降，但比较前端温度升高范围，温度层最低点维持在距离地面1.8 m以上；前端由于烟气聚集，高温区域较大，横向范围为前端1/5区域，纵向范围为距离地面1.5 m左右。

温度变化情况如图16、图17所示，THCP 4最高温度为70.404℃，THCP 5最高温度27.924℃。对比热电偶对应位置的椅子材质的着火点，300 s内火焰并不能蔓延到两热电偶所在位置。该火灾在300 s内并不能扩散到整个机房，引燃房间内所有设备。

图16 THCP 4温度变化图

图17 THCP 5温度变化图

3 结论

本文以高层教学楼为例给出了此类建筑的火灾设定方法，选择火灾危险性较大的火灾场景进行分析，并得到了火源热释放速率变化曲线，对计算机房间火灾蔓延现象进行了研究。将计算机房的火灾类型设定为完全发展型火灾，同时以最不利情况为原则，设定该建筑最危险的火灾场景为计算机房火灾；火灾最大热释放速率为947.50 kW，并描述出其火源热释放速率的变化曲线作为火灾场景设置的输出参数；完整地描述了计算机房火灾的发展蔓延过程，分析了室内烟气温度的变化，结果可为进一步开展教学建筑火灾蔓延的研究提供可靠的基础数据。具体结论如下：

(1) 根据该HRR变化曲线可知火焰功率为1.0 MW的计算机房纸箱起火场景火灾热释放速率在700 kW之后热释放速率趋于稳定，700 kW之后的取平均，得到该火灾场景热释放速率平均值为862.77 kW，由于起火点引燃其他纸箱导致实际的热释放速率超出初始条件中设置的700 kW。

(2) 纸箱起火后10 s，烟气到达机房前部后逐渐形成一个大于60℃的高温区域，该区域内烟气距地面最小高度1.474 m，同时向前部疏散门和机房后部扩散，向后部扩散至距前墙2.1 m位置。高温区域形成是由于烟气层在机房顶部流动，遇到机房前端墙壁后受到阻挡回流聚集后形成较大的烟气高密度区。根据模拟结果建议在机房中部加装挡烟垂壁，有效阻止烟气蔓延至机房前端，增加机房内人员疏散时间。

(3) 烟气在13 s时到达机房前端疏散门。随后烟气层从楼板向下不断下降，30 s之后烟气层稳定在1.6 m～2.02 m之间，即该火灾功率下1.6 m高度内区域较为安全，仅有少量烟气。

(4) 在火灾发生100 s～300 s后中部烟气层缓慢下降，100℃的温度层最低点维持在距离地面1.8 m以上。本文为该场景高层建筑火灾烟气的有效控制、人员疏散、火灾扑救提供了理论依据。

(5) 烟气层在第一次下降到2.35 m处后开始逐渐趋于稳定， 4.51 s之后取烟气层高度的平均值，得到机房中部烟气层高度稳定在1.877 m处。

(4) 根据温度场模拟结果及分析，THCP 4最高温度为70.404℃，THCP 5最高温度27.924℃。对比热电偶对应位置的椅子材质的着火点，300 s内火灾并不能扩散到两热点偶所在位置。该火灾在300 s内并不能扩散到整个机房，引燃所有设备。但由于书本、衣物等可燃物的堆积，势必会增加机房的火灾荷载。一旦遇到火源着火后可能蔓延整个机房，对整栋教学楼造成严重的威胁。建议加强计算机房的管理，禁止堆放易燃物。