羅敏 高學(xué)文

（昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，大型建筑越來(lái)越多的出現(xiàn)，滿(mǎn)足了人們對(duì)空間利用率和生活質(zhì)量提高的期望。由于開(kāi)放式對(duì)流環(huán)境，大空間結(jié)構(gòu)影響煙氣擴(kuò)散過(guò)程，增加了火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。因此，大型建筑中的煙氣擴(kuò)散過(guò)程是一個(gè)意義重大的研究課題，已經(jīng)引起了眾多研究者的關(guān)注。廖署江等［1］根據(jù)中庭建筑與普通大空間建筑的形式不同導(dǎo)致煙氣外溢及分層問(wèn)題，從而對(duì)火災(zāi)探測(cè)器的選擇和布置進(jìn)行探討研究，進(jìn)一步驗(yàn)證了在建筑中庭位置安裝火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的重要性。王東等［2］通過(guò)研究感煙型火災(zāi)探測(cè)器在環(huán)境溫度和水平安裝位置存在差異的情況下，此種類(lèi)型探測(cè)器報(bào)警時(shí)間的變化情況。馬偉明等［3］通過(guò)在建筑水平方向不同位置布置感煙型火災(zāi)探測(cè)器，分析得到建筑內(nèi)不同位置感煙探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間的差異性和規(guī)律性。本文運(yùn)用FDS數(shù)值模擬技術(shù)研究了建筑中庭在不同天花板高度下的溫度變化、煙氣蔓延過(guò)程及火災(zāi)探測(cè)器響應(yīng)敏感度，得出不同種類(lèi)火災(zāi)探測(cè)器在火災(zāi)發(fā)生時(shí)的報(bào)警響應(yīng)時(shí)間曲線特征，為建筑火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝提供參考。

1 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

1.1 火災(zāi)參數(shù)設(shè)置

FDS是一種以火災(zāi)中流體運(yùn)動(dòng)為主要模擬對(duì)象的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，其重點(diǎn)是計(jì)算火災(zāi)中煙氣蔓延和熱傳遞過(guò)程，可以得到火場(chǎng)溫度、火場(chǎng)煙氣濃度、火場(chǎng)能見(jiàn)度［4］等物理量比較詳細(xì)的時(shí)間及空間分布規(guī)律，同時(shí)可直觀地看到仿真模擬結(jié)果。

在火源燃燒的過(guò)程中，火源的熱釋放速率通常是非穩(wěn)態(tài)的，這里采用式（1）t2火災(zāi)模型。

式中，Q為穩(wěn)態(tài)火災(zāi)的熱釋放速率；a為火災(zāi)發(fā)展系數(shù)，kW/s2；t為火災(zāi)發(fā)生后時(shí)間，s?？紤]可燃物為單人沙發(fā)，火災(zāi)類(lèi)別為t2快速火，火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)a為0.044?；鹪疵娣e為1.0 m×1.0 m，火源功率為1 000 kW/m2，火災(zāi)發(fā)生到146 s時(shí)，火源的熱釋放速率達(dá)到最大值，直到模擬結(jié)束。

1.2 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置

本文采用FDS數(shù)值模擬的房屋模型13 m×13 m的方形結(jié)構(gòu)，設(shè)置5個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景工況，考慮天花高度分別為4 m、5 m、6 m、7 m和8 m。在火源周?chē)惭b有多個(gè)探測(cè)器，火源與探測(cè)器點(diǎn)的水平方向距離為3 m，每個(gè)探測(cè)器之間的角度為90°，命名為探測(cè)器1至探測(cè)器4，如圖1所示。探測(cè)器點(diǎn)低于天花板高度0.1 m為參考高度。此外，在每個(gè)探測(cè)點(diǎn)都安裝有一個(gè)點(diǎn)型感溫、感煙探測(cè)器以及紅外光束線型感煙探測(cè)器，如圖2所示。

圖1 火災(zāi)場(chǎng)景的平面圖

圖2 火災(zāi)場(chǎng)景的剖面圖

2 火災(zāi)探測(cè)器選擇

選擇火災(zāi)探測(cè)器種類(lèi)時(shí)，要根據(jù)探測(cè)區(qū)域內(nèi)可能發(fā)生的初起火災(zāi)特征、環(huán)境條件及房間高度等因素綜合進(jìn)行選擇，參考《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50116—2013），如表1所示。

表1 探測(cè)器高度

2.1 點(diǎn)型感溫探測(cè)器

感溫探測(cè)器的原理同噴頭啟動(dòng)算法，采用噴頭的敏感元件升溫公式的第1項(xiàng)即：

式中，T1為探測(cè)器溫度，℃；u為探測(cè)器周?chē)鷼饬鞯臏囟龋琺/s；RTI為探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間指數(shù)，（m·s）1/2；Tg為探測(cè)器周?chē)鷼饬鳒囟?，℃?/p>

2.2 點(diǎn)型感煙探測(cè)器

感煙探測(cè)器的原理比感溫探測(cè)器復(fù)雜，主要原因包括火災(zāi)早期階段煙氣產(chǎn)生和蔓延規(guī)律并不十分清楚；感煙探測(cè)器的啟動(dòng)往往采用復(fù)雜算法，而不是單一的閾值法，感煙探測(cè)器對(duì)煙粒子密度、粒徑分布、折射率及煙的組成均很敏感，F(xiàn)DS中點(diǎn)型感煙探測(cè)器有2種模型。

1）Heskestad模型。Heskestad模型表達(dá)式為：

式中，Yc為檢測(cè)室中煙氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Ye為周?chē)鷼怏w中煙氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；L為探測(cè)器的特征長(zhǎng)度，m；u為氣流速度，m/s。

2）Cleary模型。Cleary模型共有4個(gè)參數(shù)，詳細(xì)考慮了感煙探測(cè)器的探測(cè)過(guò)程?；馂?zāi)中，煙氣先達(dá)到探測(cè)器的外部空腔，穿過(guò)過(guò)濾裝置后進(jìn)入探測(cè)室，兩者之間有一個(gè)時(shí)間差。外部空間的煙氣充填時(shí)間用te表示，檢測(cè)室的煙氣充填時(shí)間用tc表示，兩者均是探測(cè)器外部煙氣速度的函數(shù)，表達(dá)式為：

式中，ae、e、ac和 c對(duì)于特定尺寸的探測(cè)器為常量，某些離子探測(cè)器的推薦值見(jiàn)表2。

表2 Cleary模型參數(shù)

檢測(cè)室中煙氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：

計(jì)算時(shí)，將探測(cè)室內(nèi)的煙氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成每米減光率，其表達(dá)式為：

式中，Obscuration為每米減光率，%/m；Km為質(zhì)量消光系數(shù)，其推薦值為8 700 m2/kg；為探測(cè)器外部煙氣密度，kg/m3；l為單位長(zhǎng)度，m。

2.3 紅外光束線型感煙探測(cè)器

紅外光束線型感煙探測(cè)器屬于火焰探測(cè)器，由發(fā)射器和接收器2部分組成，如圖3所示。其工作原理是：紅外光束探測(cè)器的發(fā)射器發(fā)送一個(gè)不可見(jiàn)的、波長(zhǎng)為940 nm的脈沖紅外光束，紅外光束經(jīng)過(guò)保護(hù)空間發(fā)射到接收器的光敏元件上。

圖3 紅外光束線型感煙火災(zāi)探測(cè)器原理

式中，Obsc為每米減光率，%/m；Km為質(zhì)量消光系數(shù)；N為光束經(jīng)過(guò)的網(wǎng)格數(shù)； 為第i個(gè)網(wǎng)格的煙氣密度，kg/m3；為光束在第i個(gè)網(wǎng)格穿過(guò)的距離，m。

紅外光束線性感煙探測(cè)器模擬時(shí)，應(yīng)該設(shè)置發(fā)生器和接收器的位置，并給出每米減光率的報(bào)警閾值，每米減光率采用下式計(jì)算：

3 數(shù)值分析

3.1 溫度、能見(jiàn)度變化切片

運(yùn)用火災(zāi)模擬軟件FDS模擬得到不同天花板高度下的溫度和能見(jiàn)度切片圖，圖4、圖5表示同一時(shí)間點(diǎn)170 s時(shí)不同天花板高度的溫度云圖和能見(jiàn)度云圖。天花板高度越高，火焰到達(dá)天花板的距離越遠(yuǎn)，相應(yīng)的溫度值越低，因此天花板高度由4 m至8 m時(shí)，溫度到達(dá)到黑色標(biāo)記的閾值的距離逐漸升高。由于火災(zāi)場(chǎng)景具有相同的起火功率，較高的天花板意味著較長(zhǎng)的路徑，因此在煙霧擴(kuò)散過(guò)程中存在熱量釋放，圖5為天花板高度為4 m至8 m下的能見(jiàn)度分布云圖，黑色標(biāo)記為不同天花高度下的相同能見(jiàn)度閾值，可見(jiàn)隨著天花板高度的增加，能見(jiàn)度到達(dá)黑色閾值的距離逐漸上升。

圖4 不同天花板高度下溫度分布

圖5 不同天花板高度下能見(jiàn)度分布

3.2 探測(cè)器報(bào)警響應(yīng)時(shí)間

如表3所示為感溫火災(zāi)探測(cè)器、感煙火災(zāi)探測(cè)器和紅外光束火災(zāi)探測(cè)器在天花板高度為4.0m、5.0m、6.0 m、7.0 m、8.0 m下的報(bào)警響應(yīng)時(shí)間，在火源周?chē)惭b有多個(gè)火災(zāi)探測(cè)器，火源與探測(cè)器點(diǎn)的水平方向距離為3.0 m，每個(gè)探測(cè)器之間的角度為90°，命名為探測(cè)器1、探測(cè)器2、探測(cè)器3、探測(cè)器4，最后結(jié)果取不同方向上的4個(gè)探測(cè)器報(bào)警響應(yīng)的平均值，避免位置差異導(dǎo)致的數(shù)據(jù)偏移，從而保證了數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。

3.3 探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間曲線

如圖6至圖9為點(diǎn)型感溫、感煙探測(cè)器和紅外光束線型感煙探測(cè)器在不同天花板高度下的溫度變化曲線值和遮光率變化曲線值，其中感溫探測(cè)器的報(bào)警閾值為70℃，感煙探測(cè)器的報(bào)警響應(yīng)閾值為3.24%/m，紅外光束感煙探測(cè)器的報(bào)警響應(yīng)閾值為50%/m。當(dāng)天花板高度由4.0 m增高至8.0 m時(shí)，感溫探測(cè)器的變化幅度相對(duì)于感煙探測(cè)器和紅外光束感煙探測(cè)器度的變化較大，且存在明顯報(bào)警時(shí)間延遲。其中，Cleary型感煙探測(cè)器報(bào)警響應(yīng)時(shí)間稍早于Heskestad型感煙探測(cè)器，紅外光束線型感煙探測(cè)器的報(bào)警響應(yīng)時(shí)間隨高度變化的變化幅度最小。對(duì)上述不同種類(lèi)的火災(zāi)探測(cè)器報(bào)警響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行分析，取表3中探測(cè)器1號(hào)至4號(hào)報(bào)警響應(yīng)時(shí)間的平均值作為探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，如圖10所示。

圖6 感溫探測(cè)器的溫度變化

圖7 Heskestad型感煙探測(cè)器遮光率變化

圖8 Cleary型感煙探測(cè)器遮光率變化

圖9 紅外光束感煙遮光率變化

圖10 不同天花板高度下探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間

4 結(jié)論

本文采用FDS數(shù)值模擬的方法，研究了不同天花板高度下的溫度變化、煙氣蔓延及火災(zāi)探測(cè)器報(bào)警響應(yīng)時(shí)間規(guī)律，得出了以下結(jié)論：

1）從能見(jiàn)度云圖和溫度云圖可以看出，隨著天花板高度的增高，溫度的變化比能見(jiàn)度的變化更劇烈，天花板高度與火災(zāi)探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間呈線性關(guān)系。

2）通過(guò)探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間圖可以分析出，隨著天花板高度的上升，感溫探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間變化的幅度值明顯大于感煙探測(cè)器和紅外光束探測(cè)器，且存在明顯的報(bào)警延時(shí)情況。如當(dāng)天花板高度為4 m時(shí)，其報(bào)警時(shí)間延遲于感煙探測(cè)器110.3 s；當(dāng)天花板高度為8 m時(shí)，其報(bào)警時(shí)間延遲于感煙探測(cè)器133.2 s。

3）當(dāng)天花板高度為4 m至8 m的同一高度時(shí)，感煙型探測(cè)器和紅外光束感煙探測(cè)器對(duì)火災(zāi)有較靈敏的報(bào)警預(yù)測(cè)作用，可以運(yùn)用于薄高中庭的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝。