某商鋪火災熱和煙氣危害性數(shù)值研究

陳珊珊，蔣勇，邱榕，李山嶺

(中國科學技術大學 火災科學國家重點實驗室，安徽 合肥 230027)

大量火災統(tǒng)計報告顯示，火災對人的危害主要有3個方面:缺氧窒息，煙氣的毒性作用，以及高溫和熱［1］.與起火前的條件相比，火災中可燃物的燃燒造成空氣中氧含量的減少及一氧化碳等毒性氣體含量的增加，釋放的大量熱量導致溫度的升高，這些都會對人體造成傷害甚至導致死亡.對于煙氣危害性的評價，人們先后提出了許多不同的模型，如NGas模型［2］，F(xiàn)ED 和 FEC 模型［3］，TGAS 模型［4］等.這些模型都存在一些假設條件，使得它們的應用具有一定局限性，而且它們僅關注于煙氣的毒性作用，忽略了高溫和熱對人的危害性，對于實際火災的危害性評價而言是不夠全面的.中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室的相關科研人員提出了危害性指數(shù)(hazard Index，HI)的概念，綜合溫度/濃度和作用時間兩方面因素對溫度和CO的危害性進行評估［5］，具有一定的實際意義.另一方面，隨著人們對火災規(guī)律的深入了解和計算機技術的發(fā)展，建立數(shù)學模型進行火災場景的仿真逐漸成為解決工程實際問題的一個有效手段［6-8］.與全尺寸火災重構實驗相比，數(shù)值模擬具有成本低、周期短、可操作性強、能獲得完整數(shù)據等優(yōu)點，得到了越來越廣泛的應用.本文以廈門某商鋪火災為研究背景，對起火店面進行數(shù)值重構，再現(xiàn)火災過程;分析了氧氣、一氧化碳和二氧化碳氣體以及溫度對人體的影響，通過構建人體模型從熱通量的角度分析熱對人體的危害;引入HI這一概念，并對其計算公式進行了完善，探討導致人員死亡的主要原因.

1 數(shù)值方法

FDS軟件是由美國國家標準技術研究院(NIST)的建筑火災實驗室研究開發(fā)的場模擬軟件，近年來因其優(yōu)異性能和開放性被廣泛用于火災安全工程領域，其計算結果的合理性得到了較多學者的驗證［9］.

模型采用低馬赫數(shù)的Navier-Stokes方程組的近似形式求解低速熱力學驅動流，重點處理火災中的煙氣流動和熱傳遞問題.其控制方程如下:

質量方程:

動量方程:

能量方程:

式中:ρ為密度;t為時間;u為速度矢量;p為壓力;g為重力加速度;fb為作用于流體上的外力(除重力外);τij為粘性力張量;h為比焓;˙q?為熱釋放速率;r?為輻射熱損失速率;k為導熱系數(shù);T為熱力學溫度;Di為第i種組分的擴散系數(shù);Yi為第i種組分的質量分數(shù);ε為粘性耗散率.

理想氣體狀態(tài)方程:

式中:R為氣體常數(shù);W為摩爾分數(shù).

本文采用大渦模擬(LES)方法進行數(shù)值模擬，其基本思想是精確求解某個尺度以上所有湍流尺度(大渦)的運動，而對小于這一尺度的湍流尺度運動采用湍流模型方法.因此，LES能夠捕捉到雷諾平均(RANS)方法所無能為力的許多非穩(wěn)態(tài)、非平衡過程中出現(xiàn)的大尺度效應，同時又克服了直接數(shù)值模擬(LES)由于需要求解所有湍流尺度而帶來的計算量大、耗時多的問題.

2 火災場景數(shù)值模擬

2.1 工程背景

2008年5月17日，福建省廈門市湖里區(qū)福源隆糧油店發(fā)生火災，造成一名4歲兒童死亡.該店面位于一建筑底層，占地面積42 m2，起火部位為店內簡易搭建的夾層.夾層高1.3 m，地板及隔墻均為木板，通過木樓梯與下層連接，樓梯上方正對主臥室，內有雙人床、鐵書架、桌子、電子琴及衣物等，房門寬0.7 m，西側隔墻上開有0.3 m×0.3 m的小窗.死者位于雙人床床尾附近的地板上，呈“拳斗姿勢”，經法醫(yī)鑒定死因為燒死.根據現(xiàn)場勘查結果并結合相關人員的詢問資料，確定起火點位于主臥室內雙人床與衣物之間，起火原因為小孩用打火機點火.

2.2 數(shù)值重構

2.2.1 場景設置

該商鋪建筑長寬高為5 m×8.3 m×5 m，南面和東面為實體墻，北面和西面設有窗口和卷簾門，火災發(fā)生時窗子為開啟狀態(tài)，卷簾門在火災過程中被打開，模擬時設定打開時間為第300 s.根據相關記錄，火災發(fā)生后幾分鐘外部人員發(fā)現(xiàn)火情，組織救火并報警，隨后消防人員趕到火場滅火并搜索救人，設定模擬時間為600 s，此后火勢蔓延受到抑制因此不進行分析.計算場景設置如圖1所示.

圖1 場景設置Fig.1 The scene settings

2.2.2 參數(shù)設置

參照相關資料中對于打火機危害特性的討論，點火源功率設為3 kW，位置如圖1所示.

火災現(xiàn)場可燃物較多，主要可燃材料包括木材、塑料、泡沫、織物和紙等.依據實際火災情況設置材料熱物性參數(shù)及其他特性，經過多次運算，使模擬結果與實際相符.具體參數(shù)設置如表1所示.

表1 可燃材料參數(shù)Table 1 Parameters of combustiblematerials

參考溫度為材料燃燒消失的溫度;所有可燃材料均設定為可燃盡(BURN_AWAY=.TRUE.).

2.2.3 可靠性分析

本文以實際火災案例為研究背景，利用FDS軟件對起火店面進行數(shù)值重構，其計算結果的合理性由以下幾個方面保證:

1)采用大渦模擬方法進行數(shù)值模擬，控制方程遵循質量、動量和能量守恒定律;

2)網格劃分按照10 cm×10 cm×10 cm的網格尺寸，共劃分70×100×50=350 000個網格.經過網格獨立性測試，該網格方案在保證計算精度的同時滿足對效率的要求，適合該案例.

3)設定室內初始溫度為環(huán)境溫度25℃，并在通風口處進行了邊界拓展，假設為自然通風條件.

3 結果與討論

3.1 火災場景重構

圖2給出了火災場景的重構結果，從圖中可以看到600 s內的火蔓延過程:

1)120 s之前火勢發(fā)展較為緩慢，這是因為打火機的功率較小，衣物首先陰燃，隨著熱量累積，溫度不斷升高逐漸發(fā)展為明火，此后火勢才開始迅速發(fā)展.

2)由于熱煙氣的流動及熱輻射的作用，火勢迅速向四周蔓延，一方面從房門蔓延到樓梯口，另一方面通過隔墻上的窗口引燃外部的雜物等.230 s時主臥室內達到全面燃燒狀態(tài)，釋放出大量熱量和煙氣，同時火焰封堵了夾層的唯一出口，這時無論是逃生還是救援都已經非常困難.

3)隨著燃燒不斷消耗氧氣，室內氧氣濃度降低，加之主臥室空間狹小且與外界通風不良，350 s以后氧氣不足以支持燃燒，火焰基本熄滅，外部可燃物穩(wěn)定燃燒;從圖(e)可以看到，此時火勢已蔓延至一層的貨堆上.

圖2 火蔓延過程Fig.2 The fire spread process

由于夾層內可燃物多，火災荷載大，且火源靠近衣物等易燃品，導致火勢發(fā)展極為迅速.

鑒于全尺寸火災重構的困難，無法通過實驗或現(xiàn)場測量得到火場相關數(shù)據，因此只取災后的現(xiàn)場取證與模擬計算的結果相比較，圖3分別給出了夾層主臥室外面與西側隔墻外的燒損情況.

圖3 現(xiàn)場取證與模擬結果對比Fig.3 The comparison between the investigation evidences and the simulations

通過與燃燒現(xiàn)場取證比較，并結合逃生人員的描述，計算結果很好的預測了火災發(fā)展過程，證明了數(shù)值模擬的合理性.

3.2 危害性研究

本案例中，火災造成夾層內一人死亡，就火災中的主要危害因素——熱和煙氣對人體的危害性進行研究.由于夾層內空間狹小(高度僅為1.3 m)，煙氣填充迅速，以夾層地面以上0.8 m(距一層地面高度4.5 m)為監(jiān)測面，提取了火災過程中的氧氣、一氧化碳和二氧化碳氣體濃度以及溫度的數(shù)據，利用時間平均值分析其對人體的影響.

3.2.1 煙氣影響分析

火災過程中，由于燃燒要消耗大量的氧氣，空氣中的氧濃度顯著下降，影響人體生理機能，甚至使人窒息死亡.資料表明，氧含量下降至18%為危險值;降至16%，人體就出現(xiàn)呼吸加快加深等癥狀;達到10%會使人頭痛眼花、惡心嘔吐，甚至喪失意識，繼續(xù)降低則會導致死亡［10］.圖4給出了火災過程中的平均氧氣濃度等值線，夾層內的氧氣濃度低至10%，人體已經出現(xiàn)較嚴重的缺氧癥狀，如不能及時獲救則會窒息死亡.

火災中一般產生大量的一氧化碳氣體，一氧化碳是一種無色無味的毒性氣體，屬于內窒息性毒物［11］.根據研究，人在一氧化碳含量為0.02%的空氣中停留2-3 h感到輕微頭痛;0.04%時1 h后感到頭痛惡心，3 h后威脅生命［12］.圖5給出了火災過程中的平均一氧化碳濃度等值線，夾層主臥內的一氧化碳濃度達到0.0232%，短時間內人并不會感到難受，更不會導致死亡.

圖4 氧氣濃度等值線Fig.4 The isolines of oxygen concentration

圖5 一氧化碳濃度等值線Fig.5 The isolines of carbon monoxide concentration

在一般的火災中，二氧化碳的毒性沒有特別引起注意，在較高濃度下才會對人體有明顯危害.研究表明，空氣中二氧化碳濃度達到3%會使人呼吸、脈搏增加，血壓上升;4%會有頭痛眩暈、耳鳴心悸等癥狀;5%時人會感到呼吸不可忍耐，30 min產生中毒癥狀;達到10%就會使人意識不請，不久導致死亡［13］.圖6給出了火災過程中的平均二氧化碳濃度等值線，夾層主臥內的二氧化碳濃度達到5.6%，此時人已經感到呼吸困難，但短時間內并不會導致死亡.

圖6 二氧化碳濃度等值線Fig.6 The isolines of carbon dioxide concentration

3.2.2 溫度影響分析

除了缺氧窒息和煙氣毒性外，火災造成人員死亡的另一個重要原因是燃燒產生的熱.當煙氣層高度下降至與人直接接觸時，煙氣對人的危害是直接灼傷.資料顯示，要造成皮膚二級燒傷，71℃時只需皮膚在煙氣中持續(xù)暴露60 s，82℃時需30 s，100℃ 時只需要 15 s［5］.對于健康的著裝成年男子，克拉尼(Cranee)推薦了溫度與人體極限忍受時間的關系式為:

式中:t表示極限忍受時間，min;T為空氣溫度，℃;B1和B2分別為常數(shù)［14］0.1和0.考慮到空氣濕度的影響及火災中人體的實際情況，取安全系數(shù)0.6，得到:

根據上式計算得到100、200、300、400℃下的極限耐受時間分別為 889、73、17、6 s.

圖7 煙氣層高度和平均溫度曲線Fig.7 The height and mean temperature curves of smoke layer

圖8 溫度等值線Fig.8 The isolines of temperature

圖7給出了夾層內的煙氣層高度和煙氣層平均溫度隨時間的變化情況，從圖中可以看到，30 s左右煙氣層下降至監(jiān)測面高度(0.8 m)，此時整個煙氣層的平均溫度仍然很低，幾乎不會對人體造成傷害;200 s以后溫度迅速升高，300 s時達到峰值630℃，此時一層卷簾門被打開，溫度有所降低但仍維持在300℃以上，煙氣層高度則幾乎不受到影響.圖8表明，火災過程中夾層主臥內的平均溫度接近300℃，此時人體的極限耐受時間在30 s以內，由此可以判定，火災中高溫對人體的危害性極大，是造成人員死亡的一個重要原因.

3.2.3 熱通量影響分析

實際火災過程中，熱對人體的危害除了與周圍溫度有關外，還取決于人體接收的熱量多少.美國國際消防協(xié)會(NFPA)、歐洲標準化委員會(CEN)等組織對公共場所內的允許熱輻射通量作了相應規(guī)定，一些學者也通過研究給出了體表所能承受的熱通量極限［15-16］.

為了分析熱通量對人體的影響，在夾層內的人員死亡位置構建人體模型，如圖9所示.該模型組成材料包含表皮(epidermis)、真皮(dermis)和皮下組織(subcutaneous tissue)3部分，材料參數(shù)如表2所示［17］.通過在人體模型表面均勻設置監(jiān)測點，得到各點的熱通量-時間曲線，進行時間和空間平均后，得出模型表面在火災過程中的平均熱通量以及考慮皮膚20%的反射率［22］后所吸收的熱量，如表3所示.

圖9 人體模型設置Fig.9 The human model setting

表2 人體各組織熱物性參數(shù)Table 2 Thermal properties of different human tissues

NFPA 59A《液化天然氣(LNG)的生產、儲存和裝運標準》規(guī)定，人體可以承受的最大安全輻射熱通量為5 kW/m2.研究表明，沒有衣物保護的裸露皮膚在5 kW/m2的熱通量下，經過30 s的時間會造成二級燒傷;若考慮皮膚對熱量的反射及衣物的保護作用，140 s造成二級燒傷，270 s造成三級燒傷，致死率［18］50%.參照表3可以知道，較高的熱通量造成體表尤其是近火源部位的嚴重燒傷，若不能及時獲救則有生命危險.

表3 人體模型各面的熱通量大小Table 3 Heat flux values on different surfaces of human model

3.2.4 危害性指數(shù)分析

煙氣對人的危害性與煙氣濃度和作用時間這兩個因素有關，在3.2.1節(jié)僅對火災過程中的平均氧氣、一氧化碳和二氧化碳氣體濃度進行了分析，未考慮隨時間變化的濃度值與持續(xù)時間，為了彌補這一不足，這里引入危害性指數(shù)(Index of hazard，Ih)的概念，來分析高溫、低氧及一氧化碳和二氧化碳氣體的危害性大小，其計算公式為［5］

式中:C(t)為某點隨時間變化的溫度或煙氣成分濃度(如圖10所示);C0(t)為對人體不造成傷害的上限溫度或濃度(即環(huán)境溫度或氣體濃度);對于溫度、氧氣、一氧化碳和二氧化碳這一上限分別為30℃、20.9%、0.005% 和 0.03%;Ccrit為預先選定的溫度閾值或煙氣成分濃度閾值，溫度、氧氣、一氧化碳和二氧化碳分別取100℃、10%、0.02%和5%;tb為C(t)≥Ccrit的起始時刻;ts為C(t)≥Ccrit的終止時刻;t0為對應于 Ccrit的時間常量，分別為15、180、10 800和 1 800 s.

計算得到夾層房間內部和門口的各參量危害性指數(shù)如表4所示.從表中可以看到，房間門口的溫度危害性指數(shù)高于房間內部，而氧氣、一氧化碳和二氧化碳的危害性指數(shù)相對較低，這是由此處通風較好造成的;房間內部的溫度危害性指數(shù)最大，氧氣次之，而一氧化碳和二氧化碳的危害性指數(shù)都小于1，可以認為是安全的，造成人員死亡的最主要原因是高溫，這與前面的討論結果一致，并且符合法醫(yī)關于死因為燒死的鑒定.

圖10 溫度和煙氣成分濃度曲線Fig.10 The temperature and smoke component concentration curves

表4 溫度和各煙氣成分危害性指數(shù)Table 4 The hazard indices of temperature and different smoke components

4 結論

本文以廈門某商鋪火災為研究背景，利用FDS軟件對起火店面進行數(shù)值重構，再現(xiàn)火災過程.通過與燃燒現(xiàn)場取證及逃生人員的描述比較，計算結果很好地預測了火災發(fā)展過程.通過研究得到以下結論:

1)本案例中，燃燒造成室內一氧化碳和二氧化碳含量升高，但未達到短時間的致死濃度;高溫和過低的氧濃度是造成人員死亡的主要原因.

2)溫度的危害性指數(shù)較大，氧氣次之，而一氧化碳和二氧化碳的危害性指數(shù)都遠小于1，可以認為是安全的，這與利用時間平均值分析各因素危害性得到的結論一致，并且符合法醫(yī)關于死因為燒死的鑒定.

3)通過構建人體模型得到火災中體表接收熱量的數(shù)據，從熱通量的角度分析熱對人體的傷害，與以往僅以溫度作為判據相比，更加全面科學，有助于正確判定人員致死原因.

4)人體模型的建立有助于相關數(shù)據的提取和分析，但對于火場中的人如何構建一個完整的模型，F(xiàn)DS數(shù)據庫尚未提供足夠的數(shù)據，本文中所用的人體模型只考慮三種組成材料，對于體內不同器官的熱物性質，有待以后進一步研究充實.

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