某酒吧特大火災(zāi)場(chǎng)景的數(shù)值重構(gòu)＊

陳 南

（中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院，河北 廊坊，065000）

某酒吧特大火災(zāi)場(chǎng)景的數(shù)值重構(gòu)＊

陳 南

（中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院，河北 廊坊，065000）

基于FDS對(duì)某酒吧特大火災(zāi)事故進(jìn)行數(shù)值重構(gòu)研究，再現(xiàn)了火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展的全過(guò)程，并與火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘查報(bào)告、現(xiàn)場(chǎng)照片比對(duì)；與此同時(shí)，詳細(xì)地分析和研究了火場(chǎng)中典型部位的溫度、CO濃度及FED指數(shù)等細(xì)節(jié)性參數(shù)的發(fā)展變化趨勢(shì)，結(jié)果表明，模擬中的火災(zāi)蔓延過(guò)程、煙氣填充過(guò)程、熱釋放速率、溫度等參數(shù)與火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘查筆錄和電子物證基本吻合，可與火災(zāi)調(diào)查其它證據(jù)相佐證，完善火災(zāi)調(diào)查結(jié)論，為進(jìn)一步研究和改善此類場(chǎng)所的防火措施和滅火救援方案提供了依據(jù)。

數(shù)值重構(gòu)；火災(zāi)調(diào)查；酒吧火災(zāi)

0 引言

火災(zāi)數(shù)值重構(gòu)，即根據(jù)物理和化學(xué)的基本定律以及一些合理的簡(jiǎn)化假設(shè)，通過(guò)歸納反映火災(zāi)過(guò)程機(jī)理和規(guī)律的參數(shù)變化趨勢(shì)和數(shù)學(xué)表達(dá)式，用語(yǔ)言圖表或數(shù)學(xué)公式，構(gòu)造描述火災(zāi)現(xiàn)象和過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，然后借助計(jì)算機(jī)定量算出火災(zāi)發(fā)生及發(fā)展過(guò)程［1］。隨著人們對(duì)火災(zāi)調(diào)查結(jié)論的科學(xué)性的要求不斷提高，火災(zāi)數(shù)值重構(gòu)技術(shù)逐漸運(yùn)用到火災(zāi)調(diào)查工作中，并成為重要的輔助工具之一［2］。對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行數(shù)值重構(gòu)，不僅可以得到火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中熱、煙、毒等相關(guān)數(shù)據(jù)信息，而且還能夠提高從事火災(zāi)相關(guān)工作人員對(duì)火災(zāi)的感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)［3］。Daniel Madrzykowski［4］等人利用 FDS軟件對(duì)1999年12月22日發(fā)生在愛(ài)荷華州某二層復(fù)式結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)進(jìn)行了事后計(jì)算，較好地重現(xiàn)了該火災(zāi)中重要的火焰面快速蔓延過(guò)程，但指出，鑒于“正向”模擬，許多輸入?yún)?shù)不確定，因而需要進(jìn)行多次模擬，反復(fù)與痕跡物證和證人證言對(duì)比。Robert L.Vettori［5］等人對(duì)2000年2月14日發(fā)生在美國(guó)得克薩斯州的某單層飯店火災(zāi)進(jìn)行重構(gòu)，再現(xiàn)了火災(zāi)由辦公區(qū)域蔓延至頂棚天花板的全過(guò)程，計(jì)算出火場(chǎng)溫度、氧濃度等參數(shù)的變化過(guò)程。此外，重構(gòu)結(jié)果還表明消防隊(duì)員在飯店門(mén)口使用的正壓送風(fēng)機(jī)并未對(duì)火勢(shì)的控制產(chǎn)生顯著作用。

1 火災(zāi)基本情況

2009年1月31日23時(shí)55分許，某酒吧發(fā)生特大火災(zāi)，造成15人死亡，22人受傷，過(guò)火面積30m2，燒毀電視機(jī)、音像設(shè)備、燈光設(shè)備、裝修裝飾物等物品，火災(zāi)直接財(cái)產(chǎn)損失109702元［6］。

起火建筑原為辦公室和車(chē)庫(kù)用房，2008年5月業(yè)主將其擅自改造裝修成酒吧。酒吧為一層，建筑面積為229m2，層高約5.3m，內(nèi)部周邊設(shè)有類似“凹”型夾層，夾層面積為84m2。酒吧一層中部為“回”形吧臺(tái)，周邊設(shè)有卡座，酒吧四周?chē)鷫呍O(shè)軟包。該酒吧分別在中部東側(cè)（前門(mén)）和西南角（后門(mén)）開(kāi)設(shè)出口，如圖1所示?；馂?zāi)系酒吧內(nèi)前10號(hào)桌顧客燃放煙花引燃頂棚處的吸音棉所致，酒吧天花板頂部全部過(guò)火，均有濃重的煙熏痕跡，一層中部東側(cè)門(mén)斗、前10、前9、前8、前7、前6、前5及“回”形吧臺(tái)東側(cè)過(guò)火，一層其它部位及夾層未過(guò)火或僅有煙熏或較輕的火烤痕跡。

圖1 酒吧平面圖Fig.1 Plane graph of the bar

2 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置

2.1 FDS模擬軟件

FDS（Fire Dynamics Simulator）是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所NIST的建筑火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室BFRL研發(fā)的模擬火災(zāi)中流體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件。該軟件采用數(shù)值方法求解受火災(zāi)浮力驅(qū)動(dòng)的低馬赫數(shù)流動(dòng)的N-S（Navis Stokes）方程，重點(diǎn)計(jì)算火災(zāi)過(guò)程中的煙氣和熱傳遞過(guò)程［7－10］。

本文利用FDS軟件對(duì)該起火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值重構(gòu)，分析火災(zāi)的發(fā)展與蔓延情況。

2.2 模型概況

根據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘查報(bào)告和火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)照片利用Pyrosim軟件建立三維模型。隱藏吊頂后的實(shí)體模型如圖2所示。

圖2 起火酒吧實(shí)體模型Fig.2 The model of bar

其中，頂棚以及四周墻壁的上部材料為聚氨酯泡沫，外墻材料為石膏，夾層地板、樓梯、欄桿、酒桌以及包廂隔墻材料為木材，“回”形吧臺(tái)外表面以及椅子面為軟包，飲水機(jī)以及“回”形吧臺(tái)前的卡座材料為塑料。酒吧內(nèi)可燃材料以聚氨酯泡沫為主。材料的熱物性參數(shù)參照NIST發(fā)布的典型材料熱物性參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

2.3 網(wǎng)格劃分與模型初始設(shè)定

模型計(jì)算區(qū)域?yàn)?0.0m×15m×6.0m，網(wǎng)格區(qū)域劃分比例為1∶5。初始環(huán)境溫度為20℃。根據(jù)火場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)定邊界條件共劃分100×75×30＝225000個(gè)網(wǎng)格。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)試及時(shí)間步長(zhǎng)的調(diào)整，該網(wǎng)格方案能夠保證計(jì)算效率和精度，適合該案例。火災(zāi)勘查結(jié)果指出，該酒吧除前后門(mén)外，沒(méi)有窗戶；根據(jù)監(jiān)控錄像顯示，將前門(mén)開(kāi)啟時(shí)間設(shè)為模擬開(kāi)始后34s；考慮到后門(mén)距起火點(diǎn)稍遠(yuǎn)，應(yīng)有所延遲，故后門(mén)開(kāi)啟時(shí)間為模擬開(kāi)始后39s。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 火災(zāi)蔓延過(guò)程

數(shù)值重構(gòu)結(jié)果表明，如圖3所示，從模擬開(kāi)始后21s時(shí)頂棚處的火焰呈環(huán)狀；影像資料顯示，在此時(shí)顧客發(fā)現(xiàn)火災(zāi)。證明重構(gòu)結(jié)果與實(shí)際情況較為接近，并且火焰形狀與酒吧歌手賈龍飛等人的證詞相符?；馂?zāi)發(fā)展到32.4s左右，頂棚處的吸音棉燃燒現(xiàn)象明顯，影像資料也顯示在23h55m20s出現(xiàn)滴落物，與此同時(shí)顧客開(kāi)始疏散。34s時(shí)前門(mén)的開(kāi)啟以及39s時(shí)后門(mén)的開(kāi)啟加速了火勢(shì)的蔓延，火苗從起火點(diǎn)向四周擴(kuò)散燃燒，隨著被引燃的吸音棉的面積的增加，火勢(shì)越來(lái)越猛。到52.8s時(shí)引燃前9號(hào)、前10號(hào)桌子，重構(gòu)結(jié)果與影像資料記錄結(jié)果相符。到57.6s時(shí)，酒吧內(nèi)頂棚以及四周墻壁上的吸音棉達(dá)到猛烈燃燒，與消防部門(mén)做出的火災(zāi)勘查結(jié)論“該起火災(zāi)從起火到頂棚、墻面吸音棉猛烈燃燒（轟燃）的時(shí)間僅64s”接近。通常在一個(gè)通風(fēng)良好、有家具陳設(shè)的房間內(nèi)，沒(méi)有加速的火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中，從起火到發(fā)生轟燃大概需要10min，此時(shí)熱煙氣層達(dá)到600℃的臨界溫度。而該酒吧頂棚及四周墻壁大量鋪設(shè)吸音棉，這種材料的火焰溫度高達(dá)1300℃，著火后，產(chǎn)生的高溫?zé)煔庵苯臃e聚在頂棚，因此在極短時(shí)間內(nèi)，使頂棚的溫度超過(guò)聚氨酯泡沫的燃點(diǎn)，導(dǎo)致全面發(fā)生轟燃。

3.2 煙氣填充過(guò)程

圖4重現(xiàn)了火災(zāi)蔓延過(guò)程中煙氣在酒吧內(nèi)填充的過(guò)程。由圖可以看出，煙氣在酒吧內(nèi)的填充速度非?？?，到54s時(shí)，煙氣已經(jīng)由頂棚開(kāi)始向下蔓延，并且主要集中在前9號(hào)和前10號(hào)桌上方；到66s時(shí)，煙氣將前5至前10桌全部吞噬；到79.2s時(shí)，煙氣已經(jīng)將酒吧內(nèi)完全填充。從煙氣的填充過(guò)程可以看出，在短短80s時(shí)間內(nèi)，煙氣已經(jīng)下降到酒吧內(nèi)地面，酒吧內(nèi)能見(jiàn)度幾乎為零，這為搶救酒吧內(nèi)人員造成了很大困難。

3.3 熱釋放速率

圖3 火勢(shì)發(fā)展圖片集Fig.3 Schematic diagrams of fire development

圖4 煙氣填充過(guò)程Fig.4 Process of somke movement

熱釋放速率是衡量火災(zāi)規(guī)模的指標(biāo)［11］，酒吧火災(zāi)的熱釋放速率隨時(shí)間發(fā)展的情況如圖5所示。由圖可知，熱釋放速率前期增長(zhǎng)迅速，酒吧頂棚處的吸音棉被煙花引燃后，在70.8s時(shí)，熱釋放速率達(dá)到峰值55.9MW。熱釋放速率在32s時(shí)間內(nèi)由1MW增長(zhǎng)到峰值，其增長(zhǎng)速率高達(dá)1.7MW／s。隨著火勢(shì)的發(fā)展，火災(zāi)在后期轉(zhuǎn)為通風(fēng)控制燃燒，其熱釋放速率最終維持在16.5MW左右。

3.4 溫度

當(dāng)煙氣高度低于人眼特征高度（1.2m～1.8m）時(shí)將會(huì)對(duì)人的呼吸和逃生帶來(lái)直接不利的影響，因此本文將對(duì)人體造成直接傷害的煙氣的臨界溫度定為120℃［12－16］，對(duì)酒吧內(nèi)距地高度1.6m 以及4.4m處的溫度場(chǎng)以及逃生出口和通道處的溫度變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。

3.4.1 1.6m以及4.4m 處的溫度場(chǎng)

由圖6可知，距地面1.6m高度處，在55.2s時(shí)只有前7、8、9、10桌局部溫度超過(guò)120℃；5s后高溫區(qū)域逐漸擴(kuò)大，覆蓋了酒吧的東南角；到74.4s時(shí)，酒吧內(nèi)1.6m處的溫度高達(dá)570℃；隨著火勢(shì)發(fā)展到平穩(wěn)階段，溫度維持在200℃左右。

圖5 熱釋放速率隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Heat release rate versus time

圖6 Z＝1.6m處平切面的溫度分布Fig.6 The slice z＝1.6mof temperature distribution

由于起火點(diǎn)位于頂棚，因此距地面4.4m處溫度比1.6m處溫度上升快，如圖7所示，在31.2s時(shí)，在起火點(diǎn)附近溫度已超過(guò)120℃；隨著火勢(shì)的蔓延，高溫區(qū)域向四周蔓延，到50.4s時(shí)，夾層內(nèi)除北側(cè)包廂外，其他各處溫度均已超過(guò)120℃，而且在木質(zhì)斗門(mén)上方南側(cè)出現(xiàn)超過(guò)580℃的高溫；到86.4s時(shí)，夾層內(nèi)溫度上升至500℃以上；最后下降到230℃左右維持穩(wěn)定。

3.4.2 前門(mén)、后門(mén)及樓梯口的溫度變化

在前門(mén)、后門(mén)及樓梯口距地1.6m處各設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，觀察其溫度變化趨勢(shì)，如圖8所示。

根據(jù)溫度－時(shí)間曲線，在酒吧內(nèi)的三個(gè)逃生通道中，后門(mén)距離起火點(diǎn)最遠(yuǎn)，其溫度也是相對(duì)最低的，意味著后門(mén)應(yīng)該是發(fā)生火災(zāi)時(shí)酒吧內(nèi)最有利的疏散出口。但是影像資料（圖9）顯示，在火災(zāi)發(fā)生后，絕大部分顧客從酒吧東側(cè)的正大門(mén)逃生，而忽視了酒吧西南角的另一個(gè)安全出口；只有一些熟悉環(huán)境的員工在第一時(shí)間內(nèi)經(jīng)后門(mén)順利逃生。盡管后門(mén)溫度較低，但是在120℃也僅維持了66s，這就要求發(fā)生火災(zāi)后人員要迅速撤離，但影像資料顯示，火災(zāi)初期，場(chǎng)內(nèi)顧客或觀望或收拾個(gè)人物品，有的甚至仍然進(jìn)行娛樂(lè)，在火勢(shì)已較大的情況下才開(kāi)始逃生，貽誤了最佳的逃生時(shí)機(jī)。這也說(shuō)明消費(fèi)者應(yīng)提高安全意識(shí)，進(jìn)入公共娛樂(lè)場(chǎng)所應(yīng)該首先觀察了解場(chǎng)所的疏散出口，在發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)，要保持清醒的頭腦，冷靜迅 速地選擇逃生通道，把握最佳逃生時(shí)機(jī)。

圖7 Z＝4.4m處平切面的溫度分布Fig.7 The slice z＝4.4mof temperature distribution

圖8 前門(mén)、后門(mén)及樓梯口的溫度隨時(shí)間的曲線Fig.8 The temperature of front door，back door，stair versus time

圖9 影像資料Fig.9 video data

4 結(jié)論

（1）案例數(shù)值重構(gòu)結(jié)果與火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘查筆錄和電子物證基本吻合，進(jìn)而驗(yàn)證了火災(zāi)數(shù)值重構(gòu)技術(shù)的合理性和有效性，說(shuō)明利用數(shù)值模擬手段進(jìn)行火災(zāi)重構(gòu)具有一定的可行性，相比全尺度實(shí)驗(yàn)，具有周期短、成本低、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是火災(zāi)調(diào)查的有效補(bǔ)充手段，對(duì)提升火災(zāi)調(diào)查工作水平有重要意義。

（2）通過(guò)再現(xiàn)火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展的全過(guò)程，可視化地反映了該起火災(zāi)的特點(diǎn)——火勢(shì)猛烈、蔓延迅速。由此可見(jiàn)，在加強(qiáng)高層、地下等場(chǎng)所防滅火研究的同時(shí)，還要持續(xù)關(guān)注諸如該酒吧之類，一旦發(fā)生火災(zāi)容易在短時(shí)間造成大傷亡的“九小”場(chǎng)所的防滅火工作，深入思考并逐步完善“快速火”滅火理念。

（3）通過(guò)數(shù)值重構(gòu)，清晰生動(dòng)地再現(xiàn)了該起火災(zāi)過(guò)程，使消防工作人員對(duì)火災(zāi)過(guò)程有更直觀的認(rèn)識(shí)，幫助滅火救援人員積累經(jīng)驗(yàn)、提高心理素質(zhì)，以便在日后類似的火場(chǎng)救援過(guò)程中臨危不懼、從容鎮(zhèn)定，更好更快的完成救援任務(wù)。

數(shù)值重構(gòu)技術(shù)發(fā)展成熟后可在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)作為第一手資料提供直接理論依據(jù)，為推算起火時(shí)間、判斷起火原因提供技術(shù)支持，與其他人證、物證相結(jié)合，形成相互佐證的證據(jù)鏈，完善火災(zāi)調(diào)查平臺(tái)。

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Numerical simulation on a large fire accident in a bar

CHEN Nan

（Chinese People’s Armed Police Force Academy，Langfang Hebei 065000，China）

In this paper a fire accident which ever occurred in a bar is simulated by FDS.The results show that the parameters related to the processes of fire propagation and smoke filling，including heat release rate and temperature，are consistent with the electronic evidence and fire scene investigation.This indicates that the FDS simulation can be combined with other fire investigation evidences to reinforce the investigation conclusions.

Numerical simulation；Fire investigation；Bar fire

X928.7；X932

A

1004-5309（2012）-0045-06

2011-10-17；修改日期：2011-12-19

公安部應(yīng)用科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（2011YYCXWJXY134）

陳 南（1960-），男，浙江麗水人，中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院教授，主要從事火災(zāi)監(jiān)控與電氣防火技術(shù)研究。