基于PyroSim模擬的大跨度、大空間倉庫火災撲救技戰(zhàn)術(shù)研究

李馳原

(1.中國人民武裝警察部隊學院 消防指揮系，河北 廊坊 065000；2.滅火救援技術(shù)公安部重點實驗室，河北 廊坊 065000)

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，商業(yè)企業(yè)、生產(chǎn)制造企業(yè)、連鎖超市、零售業(yè)對物流倉儲、裝卸轉(zhuǎn)運和配送外包的需求逐步增多，為降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益，不同類型、不同規(guī)模的大跨度、大空間物流倉庫不斷涌現(xiàn)，其火災危險性也越來越大[1]。2015年，哈爾濱北方南勛陶瓷大市場倉庫起火，5名消防員在撲救火災過程中不幸遇難。大跨度大空間倉庫火災具有溫度高、火災荷載大、煙氣蔓延迅速等特點，嚴重影響了消防員滅火救援行動的開展[2-3]。因此，在撲救此類火災中，研究如何設(shè)置水槍陣地，采取何種排煙技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)方法，以及內(nèi)攻時機的選擇是非常重要的。

1　物流倉庫模型的建立

1.1　幾何模型的建立

圖1　倉庫幾何模型示意圖

筆者以某大跨度、大空間物流倉庫為對象，結(jié)合該倉庫火災荷載、建筑結(jié)構(gòu)情況和《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB50074-2014)對倉庫設(shè)計的規(guī)定，對該倉庫做適當簡化以便利用軟件建模，倉庫幾何模型示意圖如圖1所示。圖1(a)顯示，該模型為一個單層丙Ⅱ類可燃固體高架物流倉庫，耐火等級二級。倉庫尺寸為60 m×30 m×12 m，設(shè)有前后兩個安全出口。圖1(b)顯示，在倉庫的東西兩側(cè)各有2列尺寸為2 m×0.8 m×11 m的單個托盤貨架組成的貨架組，貨架組之間通道的寬度為2.5 m，南側(cè)左右處各設(shè)置3個辦公桌椅和1個沙發(fā)。

1.2　火災模型的設(shè)置

1.2.1火源位置

物流倉庫儲存的貨物大多是電器產(chǎn)品、日用品、紙張和塑料等[4]，且物流倉庫多采用木質(zhì)或塑料的托盤。為了模擬火災場景最不利情況下的滅火行動，選取東側(cè)第二列貨架處為起火點(見圖1(b))，并且假設(shè)該倉庫內(nèi)機械排煙和自動噴水滅火系統(tǒng)發(fā)生故障，未發(fā)揮作用。

1.2.2火源模型

參考《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》中給出的常見火源模型熱釋放速率的規(guī)定[5]，如表1所示。已知該倉庫屬于“無噴淋的超市、倉庫”，故設(shè)定模擬火源熱釋放速率為20 MW。火災初期按t2規(guī)律發(fā)展，則火源熱釋放速率的計算式如式(1)所示。

表1　火災模型熱釋放速率　MW

(1)

其中，α為火災增長因子，根據(jù)α值的差異，t2火可分為慢速火、中速火、快速火、超快速火4種類型，物流倉庫中托運物品的紙箱、板條架和泡沫塑料大致為快速火，則α取值0.188，計算得出熱釋放速率在327 s時達到最大值，并保持最大熱釋放速率不再增長。

1.2.3網(wǎng)格大小與模擬時間的確定

(1)網(wǎng)格大小。利用FDS軟件進行模擬時，網(wǎng)格的大小對模擬的準確性起著決定作用。FDS網(wǎng)格敏感性分析表明，當網(wǎng)格尺寸的經(jīng)驗值為特征火焰直徑的6.25%～25.00%時較為合適，實際應用中一般取8.00%～12.50%，此處網(wǎng)格尺寸選取特征火焰直徑的10.00%[6]。特征火焰直徑D*的計算式為：

(2)

根據(jù)設(shè)計熱釋放速率為20 MW，計算得出特征火焰直徑為3.1 m，由于空間大，F(xiàn)DS計算量很大，所以取網(wǎng)格大小為0.3 m×0.3 m×0.3 m,在保證精度的同時優(yōu)化計算速度。

(2)模擬時間。消防站的布局一般應以接到出動指令后5 min內(nèi)消防隊可以到達轄區(qū)邊緣為宜，故將模擬轄區(qū)消防隊到場時間設(shè)為火災發(fā)生300 s后，設(shè)定火災模擬時間為900 s，即火災發(fā)生5 min后，消防隊到達現(xiàn)場實施滅火救援作戰(zhàn)，模擬滅火戰(zhàn)斗10 min內(nèi)的情況[7]。

1.3　火災監(jiān)測設(shè)備的設(shè)定

火災過程伴隨著熱量的釋放和煙氣擴散兩部分,此過程會影響火災的發(fā)展變化，對消防員火災撲救工作造成困難。因此在利用FDS軟件模擬不同水槍陣地設(shè)置、不同排煙技術(shù)和內(nèi)攻時機選擇3種火災撲救技戰(zhàn)術(shù)方法時，設(shè)置了熱電偶和熱輻射探測設(shè)備作為衡量作戰(zhàn)行動科學合理性的指標。

(1)熱電偶。溫度是火場上對人員影響較大的因素，故選取溫度作為測量指標，根據(jù)人眼的特征高度(通常為1.2 ～1.8 m),將熱電偶的高度設(shè)定為1.8 m。在著火貨架正上方高1 m屋頂處設(shè)置1個熱電偶測點，編號為 THCP01；在距起火點貨架南側(cè)5 m處設(shè)置1個熱電偶測點，編號為THCP02。

(2)熱輻射探測設(shè)備。熱輻射的存在使火災撲救工作變得更加困難，消防員在進行內(nèi)攻滅火作業(yè)時，較近的距離會使裝置和消防員受到大量熱輻射的威脅，增加了撲救火災的難度。根據(jù)衡量熱輻射危險性的熱通量準則，一般人體能承受的熱通量值在2 kW/m2左右。試驗表明,當人體接受的熱通量值超過4 kW/m2時,將造成嚴重灼傷[8]。因此，在著火貨架正上方高1m處設(shè)置1個熱輻射探測設(shè)備，編號為REFUSHE01；在起火貨架南側(cè)窗戶附近設(shè)置1個高為1.8 m的熱輻射探測設(shè)備，編號為REFUSHE02；在倉庫著火貨架旁的立柱后面設(shè)置1個高為1.8 m的熱輻射探測設(shè)備，編號為REFUSHE03，在起火貨架的北側(cè)相鄰貨架設(shè)置1個高為1.8 m的熱輻射探測設(shè)備，編號為REFUSHE04。

2　模擬結(jié)果及分析

2.1　模擬工況設(shè)置

2.1.1模擬不同水槍陣地設(shè)置

在模擬過程中用水噴淋代替實際滅火過程中的水槍，為了更符合滅火救援的實際情況，水噴頭的位置設(shè)置在高0.8 m處，水噴頭流量為390 L/min，噴口出口速度為5 m/s，具體設(shè)置如表2所示。

2.1.2模擬不同破拆排煙戰(zhàn)術(shù)

破拆排煙可以分為水平和垂直兩個方向的排

表2　工況一具體設(shè)置

煙[9]。因此，破拆臨近著火點附近的窗戶模擬水平排煙，破拆屋頂天窗模擬垂直排煙，為使模擬結(jié)果更加明顯，在破拆的同時，利用移動正壓送風機輔助火場破拆排煙，具體設(shè)置如表3所示。

表3　工況二具體設(shè)置

2.2　不同工況數(shù)值模擬分析

2.2.1工況一模擬分析

針對工況一進行數(shù)值模擬，選取THCP01熱電偶和THCP02熱電偶測出的溫度隨時間變化的情況進行分析，對比結(jié)果分別如圖2和圖3所示，可以看出，屋頂和貨架南側(cè)5 m處在發(fā)生火災后溫度迅速升高，達到相應的峰值溫度后逐漸趨于穩(wěn)定。由圖2可看出，射水方式A情況下的溫度下降速度比較迅速，相對來說，射水方式B的溫度下降趨勢比較平緩，但射水方式B的溫度下降起始時間點比射水方式A提前了大約60 s。在600 s后，兩種射水方式的溫度發(fā)展變化趨勢基本一致，比未采取措施的溫度下降大約50 ℃?？傮w來看，屋頂處溫度在整個模擬過程中溫度較高，最高溫度約為250 ℃。由圖3可看出，當在400 s處采用射水方式A時，溫度發(fā)展趨勢與未采取措施溫度發(fā)展變化基本一致；而在此時采用射水方式B后，溫度有很明顯的變化，比未采取措施下降約10 ℃。貨架南側(cè)5 m處溫度在整個模擬過程中始終較低，最高溫度約為45 ℃。

圖2　屋頂處(THCP01)溫度-時間變化曲線

圖3　貨架南側(cè)5 m處(THCP02)溫度-時間變化曲線

圖4　熱通量-時間變化曲線

在未采取滅火救援行動下，分別對REFUSEH01～REFUSHE04測出的熱通量隨時間變化的情況進行分析，如圖4所示，可看出熱通量的值隨著時間的增長在不斷增長，大約在327 s后達到最大值，之后慢慢趨于穩(wěn)定。在著火貨架正上方1 m處的熱通量值最高，熱輻射危險性最大，貨架南側(cè)窗戶附近的熱通量值比著火貨架正上方高1 m屋頂處大約要低0.5 kW/m2,立柱后面的熱通量值比貨架南側(cè)窗戶附近的熱通量值大約要低0.2 kW/m2，北側(cè)相鄰貨架附近的熱通量值最低。因此在依托窗戶和立柱進行遮擋的情況下布置水槍陣地可一定程度地降低輻射的危險性，從而保護射水消防員使其受到盡量小的熱輻射傷害。

2.2.2工況二模擬分析

針對工況二進行數(shù)值模擬，選取THCP01熱電偶和THCP02熱電偶測出的溫度隨時間的變化的情況進行分析，對比結(jié)果分別如圖5和圖6所示，可以看出屋頂和貨架南側(cè)5 m處在發(fā)生火災后溫度迅速升高，在達到相應的峰值后溫度逐漸趨于穩(wěn)定。由圖5可看出，當采用破拆方式A時，在360 s溫度出現(xiàn)波動，在480 s移動風機啟動后，溫度迅速下降，最后溫度曲線變化趨于平緩，比未采取破拆行動之前溫度下降約60 ℃；當采用破拆方式B時，在360 s溫度出現(xiàn)第一次下降，下降幅度約50 ℃，而在480 s移動風機開始啟動后，溫度出現(xiàn)第二次下降，比未采取破拆行動之前溫度下降約40 ℃。由圖6可看出，當采用破拆方式A時，在360 s破拆著火點西側(cè)墻壁后，溫度曲線出現(xiàn)波動，在480 s移動風機啟動后，溫度開始迅速下降至最低，比未破拆之前下降約20 ℃；當采用破拆方式B時，溫度曲線下降幅度較小。

圖5　屋頂處溫度-時間變化曲線

圖6　南側(cè)5 m處溫度-時間變化曲線

此外，破拆后大量的煙氣會在破拆口涌出室外，提高了室內(nèi)的能見度，降低了有毒有害煙氣的濃度，為消防員內(nèi)攻滅火爭取了時間[10]。

3　結(jié)論

通過建立大跨度、大空間物流倉庫模型，并進行不同滅火作戰(zhàn)行動工況的數(shù)值模擬分析，得出了不同滅火技戰(zhàn)術(shù)方法下溫度、熱輻射、能見度的發(fā)展規(guī)律和特征。結(jié)合量化數(shù)據(jù)結(jié)果，得到如下結(jié)論：①倉庫的貨架發(fā)生火災后，火勢蔓延迅速，若機械排煙系統(tǒng)和自動噴水滅火系統(tǒng)沒有啟動，煙氣會迅速蔓延至整個倉庫。在這種情況下，如果不及時控制火災的發(fā)展，倉庫內(nèi)的人員生命安全會受到嚴重威脅，同時給消防員到場進行滅火救援工作帶來困難；②從溫度-時間變化曲線和熱輻射-時間變化曲線對水槍陣地設(shè)置情況進行了分析，得出倉庫火災水槍陣地和內(nèi)攻滅火時間選擇的方法：當倉庫發(fā)生火災后，初期到場的消防隊，在火場能見度較差的情況下，可以依托外墻窗戶和倉庫立柱位置設(shè)置水槍陣地，出1支直流水槍滅火和2支噴霧水槍稀釋有毒煙氣，控制火勢蔓延，同時可以降低溫度和熱輻射對人員造成的傷害；③消防員到達現(xiàn)場后，要迅速采取排煙戰(zhàn)術(shù)，為后續(xù)的人員疏散和滅火戰(zhàn)斗行動的展開提供有利環(huán)境條件。通過溫度-時間變化曲線對排煙作戰(zhàn)方法進行了分析，得出倉庫火災排煙的方法：應采用破拆窗戶、屋頂進行自然排煙和利用移動風機送風排煙相結(jié)合的方法，在安全第一的情況下，破拆的位置盡量選擇起火點的正上方或者盡量靠近起火點的上方。

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