郜 冶，霍 巖，武紅梅

外界溫度對(duì)民宅室內(nèi)火災(zāi)影響的數(shù)值仿真

郜 冶，霍 巖，武紅梅

(哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

為了研究不同的外界溫度情況對(duì)民宅室內(nèi)火災(zāi)的影響，應(yīng)用湍流大渦模擬(LES)對(duì)哈爾濱市某小區(qū)內(nèi)的一小戶型民宅室內(nèi)火災(zāi)進(jìn)行了數(shù)值模擬．模擬結(jié)果表明，進(jìn)入室內(nèi)的外界不同溫度的處界氣體對(duì)火勢(shì)發(fā)展初期影響不大，但會(huì)影響房間內(nèi)的熱積累，隨著火勢(shì)的發(fā)展，對(duì)熱煙氣流動(dòng)的影響也逐漸明顯．進(jìn)入室內(nèi)的不同溫度的外界氣體對(duì)火災(zāi)煙氣在水平方向上擴(kuò)散影響較??；煙氣層沉降速度會(huì)隨著進(jìn)入室內(nèi)的外界氣體溫度降低而加快；外界溫度越低，越有利于抑制火勢(shì)的擴(kuò)大，但同時(shí)越不利于火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣等有毒物質(zhì)的排出．

火災(zāi)；外界溫度；場(chǎng)模擬

與同類火災(zāi)(房屋建筑物火災(zāi))相比，居民住宅是發(fā)生火災(zāi)頻率最高的場(chǎng)所，嚴(yán)重威脅著家庭成員的生命和財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)也給社會(huì)穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)巨大影響．居民住宅火災(zāi)形勢(shì)的嚴(yán)峻性，要求我們認(rèn)真研究分析其火災(zāi)原因、特點(diǎn)，制定相應(yīng)的防范對(duì)策，這是當(dāng)前乃至今后消防監(jiān)督工作中的主要任務(wù)之一．

我國(guó)現(xiàn)代居民住宅通常都是單元式的，其火災(zāi)特點(diǎn)為：火場(chǎng)溫度高，空氣壓力大；由于可燃物較多，因此局部空間內(nèi)火勢(shì)猛烈，且蔓延速度快；易造成巨大人員傷亡．在我國(guó)北方冬季氣溫較低，外界氣溫可達(dá)到-30,℃左右，夏季的平均溫度高于30,℃，而居民住宅室內(nèi)的溫度在空調(diào)或暖氣的作用下全年可維持在24,℃，因此一旦發(fā)生火災(zāi)，不同的季節(jié)會(huì)有不同外界溫度的空氣由門、窗等開口進(jìn)入室內(nèi)，這種進(jìn)入室內(nèi)的不同溫度的外界氣體究竟會(huì)對(duì)室內(nèi)的熱煙氣運(yùn)動(dòng)和火勢(shì)的蔓延發(fā)展存在什么樣的影響是筆者所要研究的主要問(wèn)題．

研究火災(zāi)最直接并且最可靠的方法是全尺寸實(shí)驗(yàn)法，但火災(zāi)試驗(yàn)是一種損毀性實(shí)驗(yàn)，全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用十分昂貴，并且能產(chǎn)生不同外界氣體溫度條件的全尺寸實(shí)驗(yàn)裝置也比較復(fù)雜．近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，火災(zāi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬技術(shù)迅速發(fā)展，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)的不足，該技術(shù)是將火災(zāi)過(guò)程中的確定性規(guī)律抽象成數(shù)學(xué)表達(dá)式(微分方程或代數(shù)方程)，通過(guò)對(duì)控制方程的求解來(lái)模擬再現(xiàn)這種規(guī)律．目前，火災(zāi)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)已經(jīng)成為火災(zāi)科學(xué)研究的重要方法之一[1-2]．

1 模型場(chǎng)景及計(jì)算設(shè)置

模擬場(chǎng)景選擇為哈爾濱市某小區(qū)內(nèi)一小戶型住房，三維模型結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示．住宅共分為A、B、C、D 4個(gè)房間，各房間通過(guò)1.0,m×1.9,m(寬×高)的門相通；A、C房間在距地面1.0,m高的位置各有一個(gè)1.1,m×1.2,m(寬×高)的窗口與外界大氣相通，B房間也有一個(gè)門與外界大氣相通(圖1(b))．室內(nèi)的初始溫度設(shè)定為24,℃，分別考慮室外的外界溫度為-25,℃、-10,℃、0、10,℃、20,℃和35,℃ 6種情況對(duì)室內(nèi)火災(zāi)流場(chǎng)的影響．為對(duì)火災(zāi)流場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬，選擇美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)開發(fā)的數(shù)值軟件FDS4.07(Fire Dynamic Simulator 4.07)[3-4]為模擬平臺(tái)．目前，F(xiàn)DS軟件計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性已得到了大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[5-6]，并且已被認(rèn)為是火災(zāi)研究的重要工具之一[7]．其主要求解適用于低馬赫數(shù)的浮力驅(qū)動(dòng)流方程[8]，主要方程為

圖1 民宅結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic layout of habitation

式中：ρ為氣體的密度；v為氣流速度矢量；g為重力加速度矢量；pc為定壓比熱；θ 為氣流溫度；?為旋度張量；k為熱傳導(dǎo)率；q˙為體積熱釋放率；σ為應(yīng)力張量；R為氣體常數(shù)．

湍流場(chǎng)采用Smagorinsky形式的大渦模擬(LES)計(jì)算方法；輻射熱傳遞采用有限體積法(FVM)來(lái)求解；計(jì)算中燃燒模型采用混合分?jǐn)?shù)模型[3-4,9]．所有的空間量采用二階有限差分法離散，時(shí)間的微分項(xiàng)則以顯性二階Runge-Kutta法離散化．墻體邊界條件設(shè)定為0.15,m厚的水泥混凝土，其密度、熱導(dǎo)率和比熱容分別設(shè)置為2,100,kg/m3、1.0,W/(m·K)和0.88,kJ/ (kg·K)．設(shè)定初始火源為位于房間A角落處的可被燃盡的沙發(fā)，引燃沙發(fā)的火源面積為0.2,m×0.3,m，熱釋放率的值為60,kW，位置為沙發(fā)坐墊處，模擬掉在沙發(fā)上的煙頭等所引發(fā)的火災(zāi)，沙發(fā)對(duì)面放置一個(gè)云杉木材料的電視柜，其是否能被引燃也作為判斷火勢(shì)的依據(jù)之一，沙發(fā)和電視柜引燃溫度分別為280,℃和360,℃，一旦被引燃后，沙發(fā)材料的蒸發(fā)熱值和燃燒熱值分別為1.5×103kJ/kg和3.0×104,kJ/kg，電視柜為可碳化固體燃料[3,10]．在平衡模型精度[11]和計(jì)算機(jī)性能基礎(chǔ)上，設(shè)定網(wǎng)格劃分密度為Nx×Ny×Nz＝76×74×28．

2 模擬結(jié)果及分析

不同進(jìn)入氣體溫度條件下的火災(zāi)熱釋放率曲線如圖2所示，由圖2中可以看出，熱釋放率的值均在100,s內(nèi)迅速升到1.2,MW附近后開始波動(dòng)，這是由于沙發(fā)上的火源面積迅速擴(kuò)大，此時(shí)，外界進(jìn)入室內(nèi)的不同溫度的氣體對(duì)火勢(shì)影響并不明顯．隨著燃燒的進(jìn)行，室內(nèi)熱量不斷積累，在220,s左右火勢(shì)蔓延至整個(gè)沙發(fā)表面，外界氣體為-25,℃情況下的火災(zāi)熱釋放率在短暫的升高以后迅速降低，最終降低至0附近，這是由于隨著燃燒的進(jìn)行，耗氧量逐漸增大，加上在可燃物逐漸減少的同時(shí)，室內(nèi)外的大密度差使外界的低溫氣體快速地進(jìn)入室內(nèi)，降低了室內(nèi)和剩余可燃物附近的溫度，由于在溫度較低時(shí)，維持燃燒需要更高的氧氣濃度[12-13]，因此，在剩余的可燃物附近的溫度和氧氣濃度不能維持剩余的可燃物繼續(xù)劇烈地燃燒，燃燒方式轉(zhuǎn)以部分陰燃為主；外界環(huán)境溫度高于-10,℃時(shí)，熱釋放率值均有不同程度升高，并且在外界環(huán)境溫度為10,℃、20,℃和35,℃ 3種情況下，熱釋放率均在不同的時(shí)刻有一個(gè)值的跳躍，這是由于隨著熱量的積累，沙發(fā)前面的電視桌被引燃所致．

圖2 不同外界溫度情況下的火災(zāi)熱釋放率Fig.2 Heat release rates at different ambient temperatures

圖3 在600 s時(shí)刻的火勢(shì)Fig.3 Fire development in habitation at 600 s

圖3 是600,s時(shí)刻火災(zāi)蔓延模擬結(jié)果，由圖中也可以看出，在外界氣體為-25,℃情況下的火焰基本消失，沙發(fā)前面的電視桌在外界氣體溫度為10,℃、20,℃和35,℃ 3種情況下被引燃．

在火災(zāi)發(fā)生初期，房間A與房間B相通的門口處煙氣層高度隨時(shí)間變化如圖4所示，由圖中可以看出，外界溫度越低，煙氣層高度下降的速度越快，而且煙氣層高度也越低，這說(shuō)明進(jìn)入室內(nèi)的外界低溫氣體會(huì)加速煙氣的垂直沉降速度，外界溫度越低，這種加速現(xiàn)象越明顯．

圖4 房間A門口煙氣層高度隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Variation of smoke interface height at door of room A with time

房間A、B、C在50,s、200,s、400,s和600,s時(shí)刻的溫度結(jié)果曲線分別如圖5～圖8所示．由圖中可以看出50,s時(shí)候煙氣還沒有擴(kuò)散到C房間，但外界的氣體已經(jīng)進(jìn)入房間內(nèi)，造成房間下部分的溫度值降低，隨著熱煙氣的不斷擴(kuò)散進(jìn)入房間，房間內(nèi)上部分的溫度逐漸升高，隨著煙氣的不斷積累與煙氣層高度的降低，加上熱煙氣的輻射作用下使房間下部分的溫度也有所提高．但當(dāng)外界進(jìn)入房間的氣體溫度較低時(shí)，在自然對(duì)流的作用下，整個(gè)房間內(nèi)的溫度均被降低，使房間內(nèi)的熱量累積速度變緩．在房間A內(nèi)，整個(gè)著火房間內(nèi)由于受火源高溫的影響溫度較高，但房間下部分的溫度受外界進(jìn)入氣體溫度的不同影響也比較明顯．在400,s(圖7)和600,s(圖8)時(shí)刻，外界環(huán)境溫度為-25,℃時(shí)的各房間溫度低于其他情況時(shí)的溫度，這是由于此時(shí)火源熱釋放率降低，致使房間內(nèi)的溫度在外界低溫氣體的作用下迅速降低．

圖5 在50 s時(shí)刻各房間的溫度曲線Fig.5 Temperature with height in different rooms at 50 s

圖6 在200 s時(shí)刻各房間的溫度曲線Fig.6 Temperature with height in different rooms at 200 s

房間D中心位置在頂棚下0.1,m高度處的溫度隨時(shí)間變化曲線如圖9所示，由此處的溫度變化可以預(yù)測(cè)出熱煙氣擴(kuò)散到房間D的時(shí)間，假設(shè)溫度達(dá)到50,℃的時(shí)刻為煙氣已充分?jǐn)U散到此處，從圖中可以看出，在不同的外界溫度條件下，到達(dá)50,℃的時(shí)間均為100,s左右，這說(shuō)明不同的外界溫度條件對(duì)熱煙氣在水平方向上蔓延速度影響不大．

圖7 在400 s時(shí)刻各房間的溫度曲線Fig.7 Temperature with height in different rooms at 400 s

外界溫度為-25,℃和35,℃在200,s時(shí)，房間C的窗口中心位置處沿y軸的切面的速度矢量圖如圖10所示．由圖10中可以看出，當(dāng)外界溫度較低時(shí)，在右側(cè)的窗口處速度方向大部分是向下的，這是由于房間內(nèi)的熱空氣迅速被外界的冷空氣冷卻，使之下沉，隨著外界溫度的升高，這種現(xiàn)象逐漸消失．這種在窗口處由于溫度差的作用形成的流場(chǎng)對(duì)于排煙有一定影響，向下的速度較大時(shí)，煙氣在窗口迅速下沉，同時(shí)，大部分煙氣會(huì)隨著外界進(jìn)入室內(nèi)的氣體一同卷回室內(nèi)，不利于煙氣的排出，這也是造成在外界環(huán)境溫度為-25 ℃時(shí)室內(nèi)氧氣濃度降低從而不能使殘留的可燃物繼續(xù)劇烈燃燒的原因之一．

圖8 在600 s時(shí)刻各房間的溫度曲線Fig.8 Temperature with height in different rooms at 600 s

圖9 房間D靠近頂棚位置溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Variations of temperature near ceiling in room D Fig.8 with time

圖10 200 s時(shí)刻房間C窗口中心位置沿y軸切面的速度矢量圖Fig.10 Flow velocity vectors along y-axis at center of window in room C at 200 s

3 結(jié) 論

(1)在火災(zāi)發(fā)展初期，進(jìn)入不同溫度的外界氣體對(duì)火勢(shì)的發(fā)展影響不大．

(2)隨著火災(zāi)的發(fā)展，進(jìn)入室內(nèi)的不同溫度的外界氣體會(huì)影響房間內(nèi)的熱量的累積，同時(shí)，當(dāng)外界進(jìn)入房間內(nèi)的氣體溫度較低時(shí)，更有利于抑制火勢(shì)的擴(kuò)大．

(3)進(jìn)入室內(nèi)的外界低溫氣體對(duì)熱煙氣的橫向蔓延速度影響不大，但會(huì)加速煙氣層的縱向沉降速度，進(jìn)入室內(nèi)的外界溫度越低，這種加速效果越明顯．

(4)外界與室內(nèi)的溫度差會(huì)改變煙氣在窗口處的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，外界溫度越低，越不利于火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣等有毒物質(zhì)從窗口的排出．

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Numerical Simulation of Effect of Ambient Temperature on Fire in Habitation

GAO Ye，HUO Yan，WU Hong-mei
(College of Aerospace and Civil Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)

In order to assess the effect of ambient temperature on fires in habitation，numerical simulations of fires in a small apartment in Harbin were conducted using large-eddy simulation(LES). Simulation results show that different ambient temperatures did not have much effect on fire development in the early stage but had influence on heat builtup of the apartment. The effect of smoke became more significant with the development of the fire. The sedimentation rate of smoke layer increased with the decrease of the ambient temperature，however，the horizontal motion rateof smoke was not affected by the ambient temperatures significantly. In addition，fire spreading could be suppressed due to lower ambient temperature yet toxic productions of the fire found it more difficult to be exhausted from the window at low ambient temperature.

fire；ambient temperature；field simulation

TU998.12；X932

A

0493-2137(2010)09-0777-06

2009-04-10；

2010-02-26.

郜 冶（1953— ），男，教授.

郜 冶，gaoye66@126.com.