大空间建筑火灾场景模拟探讨

大空间建筑火灾场景模拟探讨

吴富于

中山市公安消防支队,广东528300

摘要：本文通过对大空间建筑两种火灾模拟方式的研究、比较，分析火灾中大空间建筑烟气流动、温度场和浓度场随时间的变化情况，对完善火灾预防、救灾等方面具有一定作用。

关键词：大空间建筑；性能化防火；火灾场景；模拟

随着现代化城市的快速发展和经济规模的扩大，大空间建筑应用广泛。如果大空间建筑发生火灾，必将导致重大人员伤亡和巨大的经济损失，因此大空间建筑火灾研究也就显得尤为重要。大空间建筑火灾的发展态势直接影响火灾在建筑内的行为，与其他环境中的燃烧相比，其火灾行为更为复杂。目前大空间建筑的计算机火灾模拟主要分为场模拟和区域模拟。场模拟是建立在计算流体力学的基础上，研究大空间建筑烟气流动、温度场和浓度场随时间的变化情况，但是需要大计算机容量和高运算速度；区域模拟计算机运算代价小，它是建立在建筑内热气层和冷气层假设的基础上，针对大空间建筑火灾的主要特征建立火灾计算模型，研究室内烟气的平均温度随时间的变化。本文通过对大空间建筑两种火灾模拟方式的研究，对完善火灾预防、救灾等方面具有一定作用。

1火灾场景的确定原则

火灾场景确定是一项非常严谨的工作，不可以随便想象与简化，必须严格遵守原则。

(1)客观体现真实火灾。设计火灾场景虽然无法完全重复火灾场景，不能通过某一类统一的模式体现全部真实火灾场景，但是必须可以对真实火灾场景特点进行描画，可以表现出性能化防火设计要求。

(2)体现火源特点，突出代表性。联系需要分析的大空间建筑的真实情况，明确火源形式，通过火源试验或者数学模型，得到该火源的火灾特点。并且，这一火源的火灾特性代表被研究对象是最一般的火灾特性。

(3)影响因素充分考虑，突出灵活性。由于建筑结构、使用功能、建筑尺寸、火灾荷载局部不一样，不同建筑的火灾发展和蔓延方式各异。因此，需要在了解火源特点的前提下，对不同建筑物的实际特点灵活组合，把不同的影响因素作为火灾模型的边界条件，在研究火源特点中紧密结合，以便表达不同建筑物火灾发展与蔓延的特点。

2火灾场景可燃物的设定

火灾场景设定必须考虑两方面内容即确定性和随机性，某场景可能发生火灾的几率，若发生了，火灾的发展与蔓延又是如何。

特点等参数，这些参数能够利用火灾试验，或者结合燃烧学、传热学、流体力学的有关理论构建火灾蔓延数学模型实行确定。

(4)在建筑物中设定火源的位置。设定火源是轴对称烟气羽流、靠墙烟气羽流还是墙角烟气羽流。

(5)设定火源面积和形状。可以联系设定火源的热释放速率大小对设定火源的面积进行计算，但是在相同的面积下，可以是正方形和矩形，甚至是不规则形状。设定不同位置的火源，也就是相同面积火源，不同火源形状，获得的火灾发展时间也不相同。

3基于区域模型的大空间建筑火灾模拟

大空间建筑火灾的发展过程常用室内烟气的平均温度随时间的变化，即T~t曲线描述。然而大空间建筑火灾的温度受到的影响因素很多。比如：建筑物的空间大小和开口、可燃物的数量、类型及分布、门窗洞口的位置和面积等。

3.1理论模拟

图1采用区域模型模拟大空间建筑火灾示意图

区域模拟的主要思想类似认为室内分为上部热烟气层和下部冷空气层，在空间上每一层气体的性质都均匀一致。图1就是利用区域模型模拟大空间建筑火灾示意图。对于大空间建筑上部的烟气层，忽略热烟气体积膨胀所产生的功，获得上层烟气层的能量方程，并且假设上层热烟气与空气具备同样的热物性参数，上部烟气层的温度能够根据热力学原理，通过增量式能够逐渐获得大空间建筑火灾上层烟气平均温度随时间的关系。

图2上层烟气平均温度随时间的变化图3上层烟气底部高度随时间的变化

3.2实际模拟结果

图2和图3分别代表空间尺寸是1000m2×6m，火源稳定功率为25MW，火源增长阶段上层烟气平均温度与烟气层底部高度随着时间的变化曲线，计算结果说明，在火灾发生开始阶段，基于区域模型的烟气温度计算结果和基于场模拟的计算结果比较统一，当降低烟气层底部为Z/H=0.2以后，基于区域模型的烟气温度计算结果和基于场模拟的计算结果存在着很大的差别，具体是因为热气填充80%的建筑空间以后。区域模型中计算烟气形成量的经验公式并不适用，之后计算烟气温度缺乏准确性。

4基于场模型的大空间建筑火灾模拟

4.1大空间建筑火灾中简化非定常温度场

大空间建筑发生火灾以后，在高度Z处水平面上某一时刻的温度是有关火源点呈现对称的，所以非定常温度场T可以简化为距离火源点r处的温度随着时间的变化T。在水平方向上空间几何坐标r投影设计为x，竖直方向设计为z。

4.2大空间建筑火灾空气升温函数形式

通过实测与场模型模拟，可以得到大空间建筑火灾在空间任何位置点的温度随着时间的变化关系见图4，即T随着时间凭借一定的速度进行增加，初期是迅速增大，之后逐渐减小增加速度，最后收敛于一定数值。

图4空间某点温度随时间的变化

4.3大空间建筑火灾空气升温影响因素

第一，火源释热率最大数值；第二，建筑面积；第三，建筑高度；第四，与火源的距离。图5-图7充分说明在大空间建筑条件确定的前提下，火源释热率、建筑面积与建筑高度都对火灾空气升温的最大值造成了影响，图8体现出火灾空气升温的最大值和火源距离的联系。可见：第一，火源功率越大，大空间建筑火灾空气升温体现出越大的最大值；第二，建筑面积越大，大空间建筑火灾空气升值的最大值越小，可是当建筑面积超出一定的数值以后，空气升温的最大值不会随着增大的建筑面积而减小；第三，建筑高度越高，大空间建筑火灾空气升温的最大值越小；第四，大空间建筑中与火源的距离越大，这一空气升温的最大值越小。

图5火灾空气升温受火源功率的影响图6火灾空气升温受建筑面积的影响

图7火灾空气升温受建筑高度的影响图8火灾空气升温与火源距离的关系

参考文献

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[2]程彩霞、方正、胡忠日.大型商场建筑性能化防火设计实例分析[J].灾害学，2013，18(3):84-89

[3]王莉.性能化设计在建筑防火领域中的发展方向[J].武警学院学报，2011.

作者简介：吴富于，男，本科，中山市公安消防支队工程师，主要研究方向为消防工程及管理.