王 新,陳海翔

(中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室,安徽合肥,230026)

城市火災中飛火蔓延距離計算方法研究

王 新,陳海翔＊

(中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室,安徽合肥,230026)

飛火是城市火災特別是城市震后火災的重要蔓延方式之一,它可以使火災在相距較遠的離散可燃物之間進行跳躍式蔓延,從而增加了撲救難度,威脅撲救人員的安全。因此,對飛火蔓延現(xiàn)象的認識和飛火蔓延距離的計算是降低飛火危險性的前提?；贐aum-McCaffrey火焰羽流模型,重點研究在城市火災羽流中球形飛火顆粒的上升行為和環(huán)境風影響下顆粒的蔓延過程,給出了計算飛火蔓延距離的方法和飛火顆粒在火焰羽流中能夠上升的直徑區(qū)間,并探討了火災熱釋放速率、環(huán)境風速和顆粒燃燒特性等因素對飛火蔓延距離的影響。

飛火;蔓延距離;城市火災

0 引言

城市發(fā)生高強度火災時,火災不僅能在建筑物內(nèi)部蔓延,還能蔓延到相鄰建筑物,形成席卷城市區(qū)域火災,造成重大損失。在這種城市火災中,火災向相鄰建筑蔓延的方式主要有三種:熱對流、飛火和熱輻射[1]。飛火是指高強度火災發(fā)生時,未燃盡的細小可燃物顆粒被強烈的上升火焰熱羽流卷起,并受環(huán)境風驅(qū)動在主要火災范圍以外引發(fā)新的火源。在城市火災中,飛火加速了火災的蔓延,甚至使防火隔離帶(如道路、河流等)失效。一個有意思的案例是1997年美國格蘭德?？怂故谐鞘谢馂?。當時洪水圍困市區(qū),并使當?shù)匾粭澑邔咏ㄖl(fā)生電氣火災。此高強度火災產(chǎn)生了大量飛火顆粒,四處散播,導致附近10棟建筑被飛火點燃而發(fā)生火災[2]。盡管建筑之間被洪水分割,但是火災通過飛火方式形成了跳躍式蔓延。

在城市火災中,地震次生火災是一種重要的類型。地震之后,城市中可能出現(xiàn)多處起火點,加上通訊、供水等生命線系統(tǒng)遭到一定程度的破壞、消防能力大大削弱等不利條件,火勢就可能在城市中大規(guī)模蔓延,出現(xiàn)災難性城市特大火災。已有研究表明,地震次生火災的蔓延方式有四種:火焰的直接接觸、熱輻射蔓延、熱煙氣羽流蔓延和飛火蔓延[3,4]。在大風天氣下,熱煙氣羽流蔓延和飛火蔓延占主要地位。在1923年日本關東大地震后,飛火是東京城市火災快速蔓延的重要方式之一[2]。

由于城市火災特別是震后火災的嚴重危害,研究者越來越重視相關技術的開發(fā)。Zhao等開發(fā)的基于GIS的城市地震次生火災仿真系統(tǒng)受到廣泛關注,應用效果很好[5]。該系統(tǒng)對熱輻射和熱羽流蔓延方式進行了建模,但沒有考慮飛火蔓延行為。Himoto等依據(jù)碟形顆粒在邊界層中的運動模擬結(jié)果,提出了飛火蔓延距離的概率模型[6]。隨后Lee發(fā)展的城市地震次生火災仿真程序中采用了此模型[7]。應該說,在城市火災或者震后火災的仿真系統(tǒng)開發(fā)中,對飛火蔓延方式的模擬正逐漸引起重視。

在飛火蔓延的研究中,重點關注飛火蔓延的距離。對應用系統(tǒng)開發(fā)而言,簡便而準確的飛火蔓延距離預測方法極為重要。本文基于描述火災及其羽流的Baum-McCaffrey模型,對飛火蔓延距離進行理論分析,給出由火災熱釋放速率、風速、飛火顆粒直徑等參數(shù)預測飛火蔓延距離的方法。

1 飛火蔓延過程分析

飛火蔓延過程如圖1所示。飛火顆粒首先被高強度火焰及其羽流卷起,上升到一定高度,然后在環(huán)境風的驅(qū)動下,飛行一段距離后散落到附近區(qū)域。如果飛火顆粒能夠點燃其落點處的可燃物,就會造成火災的跳躍式蔓延。因此,飛火顆粒落點與初始火源之間的距離是飛火研究關注的重點之一?？梢灶A見,此距離與初始火源特征、環(huán)境風速和顆粒本身特征有關。下面將分析影響飛火蔓延距離的各個方面,建立蔓延距離的計算方法。

圖1 飛火蔓延過程示意圖Fig.1 Sketchmap of the firebrand propagation

2 火焰羽流模型

在火災中,火焰流場的上升氣流提供飛火顆粒上升運動需要的動力,因此火焰流場結(jié)構直接影響飛火顆粒的上升過程,對研究飛火的軌跡非常重要。對火焰羽流本身而言,已經(jīng)發(fā)展了多種模型,較為經(jīng)典的是Baum-McCaffrey發(fā)展的火焰羽流模型[8,9]。本文將采用此模型來描述火焰流場結(jié)構。該模型把火焰及其羽流在垂直方向上分為連續(xù)火焰區(qū),間歇火焰區(qū)和羽流區(qū),各區(qū)域的無量綱中心線速度均可以表示為:

表1 Baum-McCaffrey火焰羽流模型中心線速度值Table 1 Correlation parameters for Baum-McCaffrey fire plume model

圖2 ˙Q0=50MW時,火羽流中心線速度隨高度的變化曲線Fig.2 Profile of the centerline velocity of fire plume with heat release rate of˙Q0=50MW

3 飛火顆粒運動動力學

質(zhì)量m、速度Vp的飛火顆粒在火焰流場中運動,主要受重力 FG、繞流阻力 FD等作用力,動力學方程為:

此式描述了飛火顆粒的運動過程,包括顆粒在火焰羽流中的上升過程和在風場中的降落過程[10]。這里需要指出顆粒上升過程和下降過程的分界問題。在圖1所示場景中,環(huán)境風一般會導致火焰向下風方向傾斜,傾斜距離主要與風速和火災上升熱氣流速度有關。對高強度火而言,火災上升熱氣流速度很大,而環(huán)境風速在高度較低處較小[11,12],因此火焰傾斜的距離較小,相對于飛火蔓延距離而言可以不予考慮。當飛火顆粒在高強度火災火焰羽流中持續(xù)上升時,顆粒高度逐漸增加,但羽流上升速度逐漸減小,最終環(huán)境風將占據(jù)主導地位,卷起飛火顆粒在水平方向上運動。飛火顆粒上升過程中,火焰羽流上升氣流給予顆粒的拖曳力必須大于顆粒重力。由于羽流速度隨高度逐漸減小,因此,對于給定尺寸的飛火顆粒,在一定高度處拖曳力將可能與顆粒重力平衡。此高度是顆粒穩(wěn)定時所能達到的最大高度。對于火焰不同位置處產(chǎn)生的顆粒而言,只要顆粒尺寸相同,最終都將穩(wěn)定在同一高度。為消除顆粒產(chǎn)生位置的差異性,這里認為此穩(wěn)定高度就是顆粒能夠達到的最大高度,隨后顆粒將被環(huán)境風卷走。

下面對飛火顆粒上升過程和下降過程分別應用式(3)。

3.1 飛火顆粒在火焰羽流中的上升過程

在火焰羽流中,羽流中心線速度最大,飛火顆粒能夠獲得更大的上升動力,從而上升更高,蔓延距離更遠。因此,這里考慮飛火顆粒在羽流中心線上的上升運動行為。對Baum-McCaffrey火焰羽流模型,羽流中心線速度U=Up,則方程(3)變?yōu)?/p>

其中Vz為顆粒豎直方向運動速度。

如前文所述,相同尺寸的飛火顆粒最終都將在火焰羽流中處于一個穩(wěn)定高度(zmax),此時顆粒受到的拖曳力和重力平衡,即:

3.2 飛火顆粒在外部流場中的運動過程

飛火顆粒被水平環(huán)境風卷走后,在空氣流場中運動,水平方向受到風的水平拖曳力,垂直方向受到重力和垂直風阻。在垂直方向,顆粒的運動控制方程即為式(4),式中風的垂直速度為0。由于風的阻力,顆粒在一定時間后將達到沉降速度,然后以沉降速度下降。如果達到沉降速度的時間很短,那么我們就可以忽略此過程中顆粒尺寸的變化和下降的距離,認為顆粒近似以沉降速度勻速下降。同樣,水平方向上也可以近似認為顆粒很快達到風速而隨風勻速飛行。事實上,當風速為0,顆粒質(zhì)量不變的條件下,式(4)的解為:(5)可以得到

圖3 飛火顆粒的傳播距離與風速和火災強度的關系Fig.3 Relationship of firebrand propagation distance with wind speed and fire intensity

4 飛火顆粒燃燒對飛火傳播過程的影響

在運動過程中,飛火顆粒一般仍在燃燒。目前相關研究已經(jīng)建立了球形,圓柱形和碟形顆粒燃燒的燃經(jīng)驗模型[2,14]。對球形飛火顆粒,可以使用直徑消減模型。該模型認為,飛火顆粒燃燒時密度基本不變,顆粒質(zhì)量的變化主要源于顆粒直徑不斷消減[10]。模型表達式為:

這里 dp為顆粒直徑,ρa為空氣密度,ρp為顆粒密度。B為燃料質(zhì)量擴散數(shù),對木質(zhì)顆?？梢匀≈禐?.2[10]。α是空氣的熱擴散率,取值為 2.4×10-5m2/s(300K)。設顆粒初始直徑為 d0,那么顆粒直徑隨時間的變化關系可以通過積分式(11)得到

顆粒的直徑變化對上升過程影響不顯著。在上升階段,計算上升高度時沒有考慮顆粒產(chǎn)生的位置差異和運動歷程,認為顆粒穩(wěn)定時所能達到的最大高度就是顆粒上升高度。此高度(式(6))只與顆粒處于最大高度時的瞬時尺寸有關。然而,顆粒下降過程會受到顆粒直徑變化的影響。顆粒的沉降速度與顆粒直徑有關,從而影響到顆粒運動時間和水平飛行距離。另外,如果顆粒尺寸較小,還可能由于燃燒完全而不能形成飛火。下面將分析顆粒燃盡的臨界尺寸以及顆粒尺寸大于臨界尺寸時的蔓延距離。

由此可以得到一個結(jié)論:在給定參數(shù)的條件下,飛火顆粒直徑存在一個區(qū)間,大于或小于這個區(qū)間的值都不會引發(fā)新的火源。式(16)對應的飛火顆粒直徑取值區(qū)間見圖4。

飛火水平蔓延距離為 xp=tpU∞,其中tp是指式(14)中當 H=zmax時所需的飛行時間。由此可以得到:

圖4 飛火顆粒直徑的取值區(qū)間Fig.4 The range of firebrand diameter

其中zmax可以通過式(6)計算。分析可以發(fā)現(xiàn),如果N →0,式(17)極限就是式(10)。事實上,由于 N比較小,式(17)計算得到的水平傳播距離只稍大于式(10)的數(shù)值,也就是說顆粒緩慢燃燒不會導致飛行距離的明顯增加。

5 結(jié)論

本文研究了城市火災中飛火蔓延距離的簡便計算方法,分析了飛火顆粒燃燒對蔓延過程的影響,主要結(jié)論如下:

(1)飛火顆粒直徑存在一個區(qū)間。大于區(qū)間上界的顆粒不能被火焰羽流卷起,而小于區(qū)間下界的顆粒將會被燃盡而不會引發(fā)新的火源。

(2)不考慮顆粒燃燒的影響時,飛火顆粒水平蔓延距離與環(huán)境風速和火災強度均呈正比關系,與顆粒密度和直徑乘積的平方呈反比關系,另外與空氣密度和溫度等因素相關。如果考慮燃燒過程,飛火蔓延距離將稍微增加。這與本文使用的顆粒緩慢燃燒模型有關。

[1]王宗存.關于火災在建筑之間蔓延的分析[J].消防技術與產(chǎn)品信息,2004,9:34-35.

[2]Koo E.Wildfire Models:Firebrands and Contiguous Spread[D].PhD Dissertation,University Of California,Berkeley,2006.

[3]Pitts WM.Wind Effects on Fires[J].Progress in Energy and Combustion Science,1991,17(2):83-134.

[4]趙思健,任愛珠,熊利亞.城市地震次生火災研究綜述[J].自然災害學報,2006,15(2):57-67.

[5]Zhao SJ.GisFFE-an integrated software system for the dynamic simulation of fires following an earthquake based on GIS[J].Fire Safety Journal,2010,45(2):83-97.

[6]Himoto K and Tanaka T.Development and validation of a physics-based urban fire spread model[J].Fire Safety Journal,2008,43(7):477-494.

[7]Lee SW.Modeling Post-Earthquake Fire Spread[D].Ph.D.dissertation,Cornell University,2009.

[8]Baum HR and McCaffrey BJ.Fire-Induced Flow Field-Theory and Experiment[A],Fire Safety Science-Proceedings of 2nd International Symposium[C].1989:129-148.

[9]Karlsson B and Quintiere J G.Enclosure Fire Dynamics[M].CRC Press(ISBN 0-8493-1300-7),2000.

[10]Woycheese J.Wooden disk combustion for spot fire spread[A],In 9th Fire Science and Engineering Conference Proceedings(INTERFLAM)[C].2001,Ed.S Grayson.

[11]Berneiser A and K?nig G.Full Scale Measurements of Windvelocity atthenew Commerzbank-Building in Frankfurt/Main[A],Leipzig Annual Civil Engineering Report[C].1996,1:303-318.

[12]史慶軒 ,粱興文.高層建筑結(jié)構設計[M].科學出版社2006,第三章.

[13]Tarifa CS,Notario PP del and Moreno FG.On Flight Paths and Lifetimes of Burning Particles of Wood.[A],Proceedings of Tenth Symposium on Combustion,The Combustion Institute[C].1965:1021-1037.

[14]Woycheese J P.Wooden disk combustion for spot fire spread[A],Proceedings of the 9th International Interflam Conference[C].2001:101-112.

Propagation distance of firebrands in large-scale urban fires

WANG Xin,CHEN Hai-Xiang

(State Key Laboratory of Fire Science,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China)

Spotting is one of important propagation mechanisms for large-scale urban fires,especially for post-earthquake urban fires.Firebrands can start new ignitions beyond the continuous fire zone and lead to fire spreading in a non-continuous way,so it can impend fire controlling and threaten to firefighters′safety.Understanding the propagation distance of firebrands is the premise for reducing the risk of spotting fire.Based on research results of Baum-McCaffrey fire plume structure,this work is an effort to study firebrands lofting in large-scale fires and transporting in ambient wind.In this work,one model for predicting the maximum propagation distance of firebrands is proposed and the factors affecting this distance,including heat release rate of fire,wind speed and firebrand combustion characteristics,are analyzed.

Firebrands;Propagation distance;Urban fires

X928.7

A

1004-5309(2011)-0075-06

2010-12-17;修改日期:2011-03-05

國家“十二五”科技支撐計劃項目課題(2011BAK07B01);國家自然科學基金(批準號:50806070)

王新(1984-),男,中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室在讀碩士,主要從事森林火災中飛火現(xiàn)象研究。

陳海翔,副研究員,E-mail:hxchen@ustc.edu.cn.