房間開口尺寸對室內(nèi)火災(zāi)危險性影響的CFAST模擬研究

王江舵，牛貴來

(駐馬店市消防支隊 防火監(jiān)督處，河南 駐馬店 463000)

安全工程

房間開口尺寸對室內(nèi)火災(zāi)危險性影響的CFAST模擬研究

王江舵，牛貴來

(駐馬店市消防支隊 防火監(jiān)督處，河南 駐馬店 463000)

利用CFAST火災(zāi)模擬軟件對不同房間開口大小和高寬比條件下室內(nèi)火災(zāi)進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，室內(nèi)可燃物較多時，保持開口高度或?qū)挾炔蛔?，火?zāi)危險性在某一寬度或高度時達(dá)到最大；且當(dāng)開口面積較小時，火災(zāi)危險性隨開口高寬比增大而增大；當(dāng)開口面積較大時，火災(zāi)危險性隨開口高寬比增大而減小；室內(nèi)可燃物相對較少時，火災(zāi)危險性受房間開口尺寸影響小。

室內(nèi)火災(zāi)；火災(zāi)危險性；開口尺寸；CFAST模擬

火災(zāi)是各種災(zāi)害中發(fā)生最頻繁且極具危害性的災(zāi)害之一，其直接損失約為地震的五倍，火災(zāi)防治已經(jīng)成為保障社會安全的重要組成部分[1]。各類建筑是人們生產(chǎn)生活的主要場所，也是財產(chǎn)極為集中的地方。因此，建筑火災(zāi)對人們生命財產(chǎn)的危害最大、最直接，是火災(zāi)預(yù)防控制的主要方面，據(jù)火災(zāi)資料統(tǒng)計，火災(zāi)事故中室內(nèi)火災(zāi)造成的損失占首要位置[2]。影響室內(nèi)火災(zāi)發(fā)生發(fā)展的因素很多，比如火源大小、房間開口情況、內(nèi)襯材料熱慣性等[3]，但這些研究都還是初步的，特別是關(guān)于房間開口尺寸影響的系統(tǒng)研究還不多見?；诖?，本文嘗試?yán)肅FAST模擬軟件對不同房間開口尺寸下的室內(nèi)火災(zāi)危險性進(jìn)行一些探討，以期對建筑防火設(shè)計提供參考。

1 實驗設(shè)置

1.1 CFAST模擬軟件簡介

CFAST是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所(NIST)的火災(zāi)研究中心開發(fā)的火災(zāi)模擬軟件，是繼HAZARDⅠ和FASTLite之后應(yīng)用在火災(zāi)危險計算上的第二代軟件[4-6]，現(xiàn)在的最新版本是CFAST6.2.0。CFAST是一個多室火災(zāi)模擬程序，是根據(jù)質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒等基本物理定律建立的。CFAST火災(zāi)模型是建立在雙區(qū)域模型理論基礎(chǔ)之上的，著火房間被劃分為兩個控制體，即上部煙氣層和下部的冷空氣層[7]。

該軟件主要由環(huán)境參數(shù)模塊、房間參數(shù)模塊、水平通風(fēng)模塊、垂直通風(fēng)模塊、機(jī)械排煙模塊、火源設(shè)定模塊等九個模塊組成。通過確定各個模塊中需要設(shè)定的參數(shù)值，描述火災(zāi)發(fā)生前的場景，就可對火災(zāi)進(jìn)行模擬[8]。

1.2 模擬參數(shù)設(shè)置

假設(shè)發(fā)生火災(zāi)的房間為長方體，在一長面正中位置開設(shè)一扇門，火災(zāi)過程中門始終保持敞開，火源在室內(nèi)地板正中心位置，如圖1所示?；鹪礊檐浖到y(tǒng)提供的沙發(fā)火的參數(shù)[9]，火源功率大小如圖2所示。分別改變門的長、寬、面積等參數(shù)，運(yùn)用CFAST軟件進(jìn)行火災(zāi)模擬，研究不同開口情況下火災(zāi)時室內(nèi)煙氣溫度的最大值。作為對比，上述所有模擬均在兩種不同大小的房間內(nèi)進(jìn)行，第一組模擬房間的長、寬、高分別為3.6 m、2.4 m、2.4 m，第二組模擬房間的長、寬、高分別為36 m、24 m、3 m。

圖1 房間開口示意圖

圖2 火源功率

2 模擬結(jié)果

2.1 開口寬度的影響

保持開口高2m不變，改變開口寬度，不同寬度下的模擬結(jié)果見表1。

表1 不同房間開口寬度下室內(nèi)煙氣層最高溫度

第一組模擬結(jié)果見圖3。

2.2 開口高度的影響

保持開口寬1.2 m不變，改變開口高度，不同高度下的模擬結(jié)果見表2。

第一組模擬結(jié)果見圖4。

表2 不同房間開口高度下室內(nèi)煙氣層最高溫度

圖3 不同房間開口寬度下室內(nèi)煙氣層最高溫度

圖4 不同房間開口高度下室內(nèi)煙氣層最高溫度

2.3 開口高寬比的影響

保持開口面積1 m2不變，改變開口高寬比，不同高寬比下的模擬結(jié)果見表3。

表3 不同房間開口高寬比下室內(nèi)煙氣層最高溫度

第一組模擬結(jié)果見圖5。

保持開口面積3 m2不變，改變開口高寬比，不同高寬比下的模擬結(jié)果見表4。

第一組模擬結(jié)果見圖6。

表4 不同房間開口高寬比下室內(nèi)煙氣層最高溫度

圖5 不同房間開口高寬比下室內(nèi)煙氣層最高溫度

圖6 不同房間開口高寬比下室內(nèi)煙氣層最高溫度

3 分析討論

從表1、表2和圖3、圖4可以看到，在第一組模擬的房間大小下，分別保持房間開口高度和寬度不變，則存在使火災(zāi)危險性最大的寬度和高度值，此時室內(nèi)煙氣層最高溫度達(dá)到最大值，當(dāng)寬度和高度小于該值時，煙氣層最高溫度隨寬度或高度的增加而增大，大于該值時，煙氣層最高溫度隨寬度或高度的增加而減小。這是因為火災(zāi)中室內(nèi)煙氣層能達(dá)到的最大溫度取決于火災(zāi)放熱和室內(nèi)向室外散熱的對比，當(dāng)房間開口較小時，雖然向室外散失的熱量也小，但火災(zāi)過程中隨著室內(nèi)氧氣的消耗，燃燒因缺氧而受到抑制，放熱量也小，且后者對燃燒的影響更大，導(dǎo)致室內(nèi)凈熱量減少，煙氣層溫度較低。隨著開口的增大，供氧不足的狀況得到改善，燃燒變得充分，室內(nèi)凈熱量增大，溫度增高，直到某個極值點，室內(nèi)最高溫度達(dá)到最大。超過該值，繼續(xù)增大寬度或高度，因開口增大導(dǎo)致室內(nèi)向室外熱量散失的效應(yīng)比因供氧狀況改善導(dǎo)致燃燒加劇的效應(yīng)明顯，此時室內(nèi)凈熱量減少，煙氣層最高溫度反而下降[10-11]。

從表3、表4和圖5、圖6可以看到，在第一組模擬的房間大小下，當(dāng)房間開口面積為1 m2時，保持開口面積不變，室內(nèi)煙氣層最高溫度隨開口高寬比的增大而增大。當(dāng)房間開口面積為3 m2時，保持開口面積不變，室內(nèi)煙氣層最高溫度隨開口高寬比的增大而減小。這可能是因為當(dāng)房間開口面積較小時，高寬比大，則室內(nèi)外對流程度較高寬比小時大，外界向室內(nèi)供氧使燃燒狀況得到改善，燃燒放熱增多，雖然同時室內(nèi)向外界散失的熱量也增多，但其影響小于前者，結(jié)果室內(nèi)凈熱量增大，煙氣層最大溫度增大。而當(dāng)房間開口面積較大時，高寬比增大，一方面外界向室內(nèi)供氧使燃燒狀況得到改善，燃燒放熱增多，另一方面室內(nèi)向外界散失的熱量也增多，且其影響大于前者，結(jié)果室內(nèi)凈熱量減少，煙氣層最大溫度減小[12-13]。

上述所有第二組模擬和第一組相比，均是在房間較大的情況下進(jìn)行，表1-4的結(jié)果表明，火災(zāi)時室內(nèi)煙氣層能達(dá)到的最大溫度受房間開口尺寸的影響不大。這可能是因為房間較大時，室內(nèi)空氣充足，可燃物類似在空曠的不受限空間燃燒，燃燒始終處于燃料控制狀態(tài)[14-15]，燃燒釋放的熱量和散失的熱量幾乎不受開口大小和高寬比影響。

4 結(jié)論

(1)室內(nèi)空間相對可燃物較“空曠”時，火災(zāi)危險性受房間開口大小、高寬比等開口尺寸因素影響小。因此，一些大型建筑如體育場館的防火設(shè)計可忽略開口對室內(nèi)火災(zāi)危險性的影響，而主要考慮滿足人員安全疏散、功能需求和美觀等方面的要求。

(2)保持開口高度或?qū)挾炔蛔?，大多?shù)建筑在開口達(dá)到某一寬度或高度時火災(zāi)危險性最大。對此類建筑的防火設(shè)計在滿足功能、美觀需求的同時，還應(yīng)充分考慮如何最大限度降低其火災(zāi)風(fēng)險。

(3)可燃物較多的建筑，房間開口面積較小時，火災(zāi)危險性隨開口高寬比的增大而增大，開口面積較大時，火災(zāi)危險性隨開口高寬比的增大而減小。實踐中儲存可燃物品較多的倉庫、商場等建筑能夠開啟的外窗相對室內(nèi)大量可燃物來說為小開口，因此外窗設(shè)計應(yīng)多采用“扁平”的“長條”形，而盡量避免采用“瘦高”的“窄條”形。

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(責(zé)任編輯：趙金蘭 英文審校：宋曉英)

CFASTsimulationstudiesontheinfluencesofventdimensiononfirehazardincompartmentfires

WANG Jiang-duo,NIU Gui-lai

(Fire Prevention and Supervision Division,Zhumadian Municipal Fire Brigade,Zhumadian 463000,China)

The compartment fires under different vent size and aspect ratio are simulated with the application of CFAST fire simulation software.The results indicate that,with the much combustible in compartment,the fire hazard will reach the maximum at a certain width or height in the condition of the fixed height or width of the vent,and increase with the enlargement of the aspect ratio of a small vent,decrease with the enlargement of the aspect ratio of a large vent;when there is relatively little combustible in compartment,the fire hazard is less affected by the vent dimension.

compartment fire;fire hazard;vent dimension;CFAST simulation

2014-09-01

王江舵(1977-)，男，河南南陽人，工程師，主要研究方向：消防監(jiān)督管理，E-mail:zhmdxf119@163.com。

2095-1248(2014)06-0078-05

X932

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.06.014