徐豐煜，張　偉

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

0　引言

隨著性能化防火設(shè)計的發(fā)展以及建筑結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜，運用計算機模型模擬建筑內(nèi)火災(zāi)發(fā)展過程和煙氣運動規(guī)律，已經(jīng)成為認識火災(zāi)特點和開展有關(guān)消防安全水平分析的重要手段。由NIST開發(fā)的FDS場模擬軟件，能夠計算不完全燃燒狀況下CO產(chǎn)量，因此，可模擬通風受限室內(nèi)火災(zāi)，研究不同參數(shù)對室內(nèi)燃燒的影響，得到了廣泛應(yīng)用。影響FDS數(shù)值模擬輸出結(jié)果的因素很多，如計算區(qū)域、網(wǎng)格、房間尺寸、邊界條件、模擬時間、點火源、可燃物的尺寸以及屬性、可燃物的擺放位置、材料的氣相和固相屬性等。其中材料的氣相和固相屬性對模擬結(jié)果的影響最為明顯。在實際火災(zāi)場景中，可燃物涉及到多種不同材料(木材、塑料、紡織物等)，每種材料所占比例以及燃燒屬性不盡相同，對火災(zāi)的貢獻也不同，如氣化熱、熱值、燃燒速率、密度、點燃溫度、化學(xué)成分等。在燃燒過程中，由于通風狀況的不同，還可能出現(xiàn)完全燃燒和不完全燃燒的情況。為了解決材料屬性和質(zhì)量分布上的多樣性，完全燃燒或者不完全燃燒出現(xiàn)的不確定性，提出了FDS虛擬燃料包的概念，其特點是不要求材料屬性和實際燃料包的完全一致，只要能夠模擬出試驗所確定的熱釋放速率、熱煙氣溫度以及CO、CO2產(chǎn)量即可，設(shè)計思路如圖1所示。

圖1　虛擬燃料包設(shè)計思路

加拿大學(xué)者E.Zalok[1-3]等對168家商業(yè)建筑進行了火災(zāi)荷載調(diào)查，確定了不同類型店鋪的火災(zāi)荷載密度、可燃物類型及分布，進行了若干組中等尺寸和全尺寸的燃燒試驗，將試驗得到的熱釋放速率、毒性氣體產(chǎn)量等數(shù)據(jù)作為設(shè)計虛擬燃料包的基礎(chǔ)參數(shù)。根據(jù)商業(yè)建筑可燃物分布特點，在計算機模擬中，將室內(nèi)可燃物視為均勻分布。以PMMA作為基礎(chǔ)材料，通過不斷修改PMMA的氣相和固相屬性，使之接近于試驗結(jié)果，得到了關(guān)于電腦店、書店、鞋店、服裝店等七個虛擬燃料包。其中修改的固相屬性包括：氣化熱、燃燒熱、最大燃燒速率、材料厚度、密度、點燃溫度。修改的氣相屬性包括：烴類燃料的理想化學(xué)當量計算CO2產(chǎn)率、單位質(zhì)量材料轉(zhuǎn)化為煙氣的百分數(shù)。具體材料屬性見表1。

表1　不同商業(yè)店鋪的虛擬燃料包參數(shù)

此類商業(yè)建筑的虛擬燃料包是一組長約1.0 m，截面0.1 m×0.1 m的長方體橫條組成的梯形分布體，其梯形分布和橫條數(shù)量都是通過和試驗值不斷對比修改來確定的。將虛擬燃料包應(yīng)用于實際尺寸的商業(yè)店鋪中，可以預(yù)測火災(zāi)發(fā)展特點及熱釋放速率峰值，模擬如圖2所示。

圖2　商業(yè)建筑虛擬燃料包在實際場景中的應(yīng)用

1　虛擬燃料包設(shè)計

為了得到可靠的FDS虛擬燃料包，筆者首先對北京145家中檔賓館客房進行了火災(zāi)荷載調(diào)查，得到了火災(zāi)荷載密度、可燃物組分比例等關(guān)鍵參數(shù)，并將客房可燃物大致劃分為兩類：一是沙發(fā)和床墊的泡沫，為第一類引燃物，影響室內(nèi)火災(zāi)的初期階段；二是以木材為主，包含一部分塑料、泡沫，為第二類引燃物，在室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展到一定階段才會被引燃。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了具有代表性的燃料包[4]，如圖3所示。

圖3　實體燃料包

利用FDS模擬不同通風條件下的賓館客房燃料包燃燒規(guī)律，選擇了兩種場景作為不利情況下的火災(zāi)場景(見表2)，利用四川消防研究所全尺寸房間火災(zāi)綜合試驗裝置進行了房間火試驗，得到熱釋放速率、產(chǎn)煙量、熱煙氣溫度等數(shù)據(jù)[5]。

表2　兩組試驗的火災(zāi)荷載和通風條件

為了能夠?qū)υ囼灲Y(jié)果進行再現(xiàn)，設(shè)計兩個FDS虛擬燃料包，一個是“FVP”主要為泡沫，另一個是“WVP”主要為木材，含有部分泡沫。通過反復(fù)修改模擬，確定兩種虛擬燃料包的屬性如表3所示。

FDS模擬的房間尺寸采用6 m×4 m×3 m，設(shè)門和窗戶兩個通風口。鑒于之前火災(zāi)場景設(shè)計的FDS模擬和試驗結(jié)果的差異性[6]，為了避免泡沫燃燒時

表3　兩種虛擬燃料包的材料屬性

HRR峰值增長過快，將“FVP”設(shè)計為1.8 m×1.2 m×0.2 m類似床墊的板狀材料，“WVP”則是由橫截面積尺寸為0.1 m×0.1 m、長度為0.8 m的條狀材料構(gòu)成?？紤]兩種擺放方式：(1)擺放方式1。將FVP放置在房間中心，下方擺放三排由WVP組成的堆垛物。在FVP的兩旁分別放置兩個由WVP組成的6層高的堆垛。采用丙烷作為氣體燃料，引火源位于FVP側(cè)面，靠近窗戶一側(cè)，尺寸為0.2 m×0.3 m，功率為60 kW。(2)擺放方式2。在房間中心位置放置兩個FVP，尺寸均為1.8 m×0.9 m×0.2 m，中間相隔0.2 m，下方各放置兩排由WVP組成的堆垛物。引火源位于兩個FVP之間，其余同擺放方式1，具體擺放情況如圖4、圖5所示。

圖4　虛擬燃料包擺放方式1

圖5　虛擬燃料包擺放方式2

2　虛擬燃料包模擬結(jié)果與討論

2.1　熱釋放速率

從圖6、圖7可以看出，擺放方式1能夠較好地模擬試驗1火災(zāi)初期增長速率，但無法得到兩個明顯的HRR峰值。擺放方式2能較好地再現(xiàn)試驗1的火災(zāi)初期增長曲線和兩個HRR峰值，由木垛完全燃燒產(chǎn)生的HRR峰值接近于試驗值，但達到時間早于試驗值。由于FDS模擬燃燒持續(xù)時間短，兩種擺放方式均無法模擬出火災(zāi)衰減階段。

圖6　試驗1熱釋放速率的FDS模擬和試驗曲線比較圖(擺放方式1)

圖7　試驗1熱釋放速率的FDS模擬和試驗曲線比較圖(擺放方式2)

從圖8、圖9可以看出，兩種擺放方式都能較好地再現(xiàn)試驗2火災(zāi)增長初期的熱釋放速率曲線，擺放方式2能較為準確地預(yù)測第一個峰值大小，但出峰的時間稍滯后于試驗值，由木垛燃燒產(chǎn)生的第二個峰值高于試驗值，出現(xiàn)的時間更早。

2.2　熱煙氣層溫度

圖10～圖13分別給出了熱電偶樹溫度的試驗值和模擬值的比較情況。兩種擺放方式都能較好地預(yù)測最高溫度，擺放方式2能更好地再現(xiàn)溫度變化趨勢。

圖8　試驗2熱釋放速率的FDS模擬和試驗曲線比較圖(擺放方式1)

圖10　試驗1熱電偶樹溫度的FDS模擬和試驗曲線比較圖(擺放方式1)

圖12　試驗2熱電偶樹溫度的FDS模擬和試驗曲線比較圖(擺放方式1)

3　虛擬燃料包的應(yīng)用

本文基于火災(zāi)荷載調(diào)查和燃料包試驗數(shù)據(jù)得到了FDS虛擬燃料包，綜合考慮了材料屬性和周圍環(huán)境條件的影響因素，對兩組不同通風條件的試驗場景進行了模擬，能夠較好地反映熱釋放速率和溫度的變化趨勢，火災(zāi)初期階段的火災(zāi)增長速率均介于快速火和中速火之間，偏向于快速火，與試驗結(jié)果一致。而且，本次實體試驗采用的賓館客房燃料包，是

圖9　試驗2熱釋放速率的FDS模擬和試驗曲線比較圖(擺放方式2)

圖11　試驗1熱電偶樹溫度的FDS模擬和試驗曲線比較圖(擺放方式2)

圖13　　　　試驗2熱電偶樹溫度的FDS模擬和試驗曲線比較圖(擺放方式2)

按照火災(zāi)荷載調(diào)查結(jié)果的95th分位數(shù)設(shè)計的，代表了火災(zāi)荷載最不利的情況[6]，因此可以直接應(yīng)用于實際尺寸的中檔賓館客房中。綜合考慮通風條件、消防設(shè)施、房間尺寸等影響因素，進行不同火災(zāi)場景設(shè)計的模擬研究，為研究賓館客房的火災(zāi)發(fā)展提供了一種簡化可靠的方法。

4　結(jié)論

本文在火災(zāi)荷載調(diào)查和燃料包試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，設(shè)計了賓館客房的FDS虛擬燃料包，考慮了兩種擺放方式來模擬試驗中的火災(zāi)場景，發(fā)現(xiàn)擺放方式2能較好地再現(xiàn)火災(zāi)初期階段的熱釋放速率峰值和最高溫度，相對誤差在5%左右。但是由于FDS模擬的燃燒過程較短，兩種擺放方式均無法再現(xiàn)火災(zāi)的衰減階段。

雖然數(shù)值模擬不能精準地再現(xiàn)試驗結(jié)果，但是涉及到可燃物材料屬性未知的情況下，F(xiàn)DS虛擬燃料包能為預(yù)測火災(zāi)發(fā)展提供一種簡化的方法。要得到較為可靠的FDS虛擬燃料包輸入文件，通過火災(zāi)荷載調(diào)查確定該類場所的火災(zāi)荷載、可燃物類型及分布是基礎(chǔ)，通過合理的火災(zāi)場景設(shè)計，進行全尺寸或者中等尺寸試驗得到熱釋放速率、溫度等曲線是關(guān)鍵。由此得到的虛擬燃料包可以應(yīng)用于真實火災(zāi)場景中，綜合通風條件、房間尺寸、消防設(shè)施等影響因素，預(yù)測不同場景下的賓館客房火災(zāi)發(fā)展特征。