室內(nèi)準穩(wěn)態(tài)壓力火災煙氣沉降模型的改進和實驗驗證

馬 靜，胡 健，劉美麟，王喜世

(中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，合肥，230026)

0 引言

室內(nèi)火災是常見的消防安全事故，由于室內(nèi)家具、裝飾材料等可燃物較多，容易發(fā)生火災，危害非常大，另一方面，火災產(chǎn)生的有毒煙氣對消防救援人員的安全防護構成嚴重威脅[1]。從人員逃生和消防救援的角度出發(fā)，火災煙氣應該受到更多的關注。相關研究表明，美國發(fā)生的主要火災事故中，2/3到3/4的人員死亡是由于吸入煙霧而造成的[2]。Fowell[3]提出了貫穿整體火災危險的毒性危害評估框架，評估建筑火災煙氣擴散帶來的危害，這個框架包含三個部分：煙氣產(chǎn)物的生成、煙氣產(chǎn)物的運動及建筑內(nèi)人員的反應。第一個組成部分關乎火災場景的準確描述；第二個部分則是煙氣傳輸或運動，多種理論和計算模型已被開發(fā)出來；上述兩部分評估了正在形成的危害，而完整的評價體系還包含建筑內(nèi)人員的危險性。

而發(fā)生室內(nèi)火災后，第二、三部分尤為重要。Cooper[4,5]基于封閉房間假設提出了可用安全疏散時間(Available Safe Egress Time, ASET)的概念并建立了計算模型。ASET定義為從探測到發(fā)生火災到火災開始能持續(xù)危害人員安全的這段時間。封閉房間，即煙氣泄漏僅能發(fā)生在房間地板水平，這個假設相對于火災危險條件的發(fā)展而言是保守的，Zukoski[6]基于同樣的假設建立了室內(nèi)火災煙氣的運動模型。這種火災按照發(fā)展特點分為四個階段：火羽流/頂板射流階段、封閉空間煙氣填充階段、預燃泄壓階段以及轟燃泄壓階段，如圖1所示[7]。為了揭示煙氣運動規(guī)律，需要對第二個階段進行詳細的分析和研究。根據(jù)封閉空間假設，房間火災煙氣的運動行為是可預測可計算的，質量和能量守恒以及其他動力學方程同樣適用于房間火災的計算，Quintiere[8]描述了封閉空間火災的基本原理，并給出了質量和能量守恒方程的有效形式。隨著計算技術的發(fā)展，基于這些研究建立起來的火災煙氣計算模型隨之發(fā)展，體現(xiàn)在模型的數(shù)量、復雜性和計算精度上。Olenick和Carpenter[9]對消防工程領域的計算模型進行了科學歸類，主要包括區(qū)域模型、場模型、探測響應模型、疏散模型、耐火模型、以及其他模型。對于房間火災煙氣運動，這些模型的核心都是相似的，即求解守恒方程。

圖1 封閉空間火災4個階段

Zukoski[6]建立了封閉房間火災煙氣運動的開創(chuàng)性工作，即使在現(xiàn)在仍然具有很強的指導意義，在本文2.1部分對其工作進行了簡單回顧。Zukoski的研究在實際應用中存在一些不足，在近壁火的室內(nèi)火災場景中，其煙氣沉降時間預測會出現(xiàn)較大偏差。本文在此基礎上，對室內(nèi)火災煙氣模型進行了優(yōu)化和完善，并結合實驗實例，對模型的實際應用給出了適用方法，即空間幾何擴展，這個方法反映出一個根本現(xiàn)象：房間長寬比過大，會降低這些模型的預測精度。

1 實驗設計

1.1 實驗裝置

如圖2(a)所示，實驗布置在3 m×3 m×3 m的玻璃房內(nèi)。玻璃房左壁和右壁下端均有高15 cm的泄漏口?；鹪丛O置在右壁下端，位于前后方向上的中線上，距右壁30 cm，火源由XPS有機保溫材料燃燒產(chǎn)生，XPS燃燒產(chǎn)生大量的煙氣，有助于觀察煙氣沉降過程。XPS材料的相關參數(shù)如表1所示。本實驗選用三個不同寬度的XPS材料板，5 cm、10 cm以及15 cm，厚度均為5 cm，長度均為60 cm，以產(chǎn)生不同大小的熱釋放速率。XPS材料水平放置在耐火板上燃燒，墊有錫箔紙，防止熔融物流淌滴落。耐火板及其支撐平臺放置在電子天平(GP系列，A&D公司；精度：0.1 g)上，如圖2(c)所示，電子天平通過數(shù)據(jù)線與電腦連接，實時記錄燃燒過程中保溫板的質量變化。燃燒過程由攝像機(FDR-AXP55，SONY公司；幀率：25 fps)全程記錄，攝像機位于左壁下端中部位置，如圖2(b)所示。由于火焰在玻璃上會形成強烈的反射，影響攝像機的拍攝效果，因此在右壁內(nèi)側貼上布簾。XPS保溫板距地面高度為30 cm。

表1 XPS有機保溫材料相關參數(shù)

1.2 實驗過程

實驗前，打開攝像機和電子天平數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用點火器從端部點燃材料。迅速從房間撤離并關閉玻璃門。實驗結束后，排煙通風；每組實驗重復2～3次。實驗過程中佩戴防毒面具和護目鏡。

2 室內(nèi)火災模型優(yōu)化

從實驗結果能明顯觀察到，XPS保溫板在房間內(nèi)燃燒會在頂部形成層狀煙氣層并向下沉降，如圖3所示。本文將結合實驗具體工況條件和實例，討論煙氣向下運動的距離及其對應的時間與火源和房間空間之間的關系。

2.1 封閉房間室內(nèi)火災模型

室內(nèi)火源向房間內(nèi)釋放熱量，由于溫度升高室內(nèi)空氣壓力隨之增大，但通過房間的門、窗及其縫隙的空氣泄漏，使得壓力上升的速率非常慢，因此可將其視為準穩(wěn)態(tài)壓力環(huán)境。準穩(wěn)態(tài)壓力的室內(nèi)火災煙氣沉降問題，如圖4所示，滿足如下平衡方程[6]：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中Q*{H}是基于H的無量綱熱釋放速率計算值。

2.2 幾何重構

在2.1中提到的火災模型，通過理論分析得到了理想條件下煙氣層向下運動的距離和時間的關系，但由于火源與側壁(甚至天花板)、泄漏口的相對位置關系在實際火災中也會影響火源的行為，進而影響釋放到房間內(nèi)的熱量，最終降低煙氣向下沉降的速率，導致預測結果不準。上述模型假定壁面絕熱，但較大部分的熱量會流失在壁面以及外部環(huán)境，這也是模型的一個不足之處。根據(jù)火源的空間關系對房間進行幾何重構，會使模型更具普適性，并提高模型預測精度。

本實驗中，房間左、右兩側壁面底部均有泄漏口，泄漏口面積較大且對稱?；鹪次挥谟覀?，距離右壁泄漏口近，加之房間壁面由玻璃構成(薄且隔熱性差)，相比于其他側壁，右壁對火源的影響非常大，導致模型預測結果偏差較大。結合本實驗實例，將房間幾何空間以火源為中心進行左右方向上對稱擴展重構處理，消除右壁對火源的影響，使實驗實例能夠適應模型，并提高模型計算精度。如圖5所示，以原火源平面為對稱平面，將原房間左側空間對稱擴展。重構后的房間長度變?yōu)?.4 m，火源位于長度方向上的中心；火源距離地面高度仍為0.3 m。具體的模型幾何參數(shù)為：S=16.2 m2，H=2.7 m。

圖5 房間關于火源平面對稱重構

2.3 熱釋放速率重構

房間空間對稱重構之后，火源熱釋放速率需要對應重構?；鹪醋饔梅秶s擴大了一倍，其釋放到房間的熱量變?yōu)樵瓉淼?倍，即：

(5)

(6)

實驗中，房間右壁及右側泄漏口對火源產(chǎn)生的不對等熱損失(相比于左側泄漏口及其他壁面)的影響歸一到參數(shù)λ1中。結合本實驗實例，考慮玻璃房頂板密封性等因素，其對煙氣卷吸的影響歸一到參數(shù)λ2中。λ1定義為火源影響因子，表征火源狀態(tài)，表示火源功率未損失部分的比例；λ2定義為空間平衡因子，表示因房間幾何因素(如頂板縫隙)而對煙氣卷吸產(chǎn)生的影響。因此，式(1)可寫為：

(7)

3 實驗結果及分析

3.1 質量損失速率

質量損失速率是時間的函數(shù)，如圖6所示，因此熱釋放速率隨時間變化。不同寬度的XPS材料水平燃燒的質量損失速率隨時間變化規(guī)律相同，即先增大后減小，與觀察到的火勢先增大后減小的實驗現(xiàn)象一致。從圖6可以看出，5 cm寬度材料燃燒的最大質量損失速率約為0.17 g·s-1，10 cm約為0.4 g·s-1，15 cm約為0.85 g·s-1。

圖6 質量變化及質量損失速率曲線

3.2 煙氣沉降時間

為方便觀察，在火源水平面上方35 cm(即y=0.13)設定標尺，利用煙氣沉降到此位置時的時間對λ1和λ2進行調試，確定最優(yōu)參數(shù)值，如圖7所示，表2列出了相關計算量。在5 cm～15 cm寬度范圍內(nèi)，平均熱釋放速率隨寬度而增大，煙氣層沉降速率隨之增大，τ逐漸減小，但是τ不會無限減小，當熱釋放速率足夠大，準穩(wěn)態(tài)壓力假設被打破，超出模型適用范圍。當實驗測得的時間和模型計算時間非常接近時，可確定本實驗各實例中λ1和λ2的最優(yōu)值。當煙氣沉降到y(tǒng)≤0.5之后，煙氣向下運動相同的距離所需要的時間會顯著增加，并且火源功率對煙氣層沉降速率有較大影響，熱釋放速率越大，煙氣沉降速率越大，如圖8所示。

圖7 材料寬度與和τ關系曲線(y=0.13)

圖8 y隨τ的變化曲線

表2 相關計算量(y=0.13)

3.3 λ1和λ2對模型的影響評估

圖對λ1和λ2的敏感度

4 結論

本文研究了準穩(wěn)態(tài)壓力下的室內(nèi)火災，并基于Zukoski關于室內(nèi)火災煙氣層沉降的理論描述，對室內(nèi)火災煙氣沉降模型進行了完善，得到關于火源位置對稱的房間火災煙氣沉降模型：

通過實例驗證，證明了優(yōu)化模型可行性和更廣泛的適用性。本文的研究，將更有助于理解室內(nèi)火災的危害，同時對火災防護、人員疏散和消防救援提供一定參考。通過本文研究，得到如下主要結論：

(1)本文提出的幾何空間和火源熱釋放速率重構方法可消除房間側壁對火源造成的熱損失不平衡。當火源位于房間較中心的位置，火源輸出到房間的熱量損失較小，主要熱損失來自壁面導熱，房間的幾何空間不會對火源產(chǎn)生足以觀察到的偏差行為，這種情況不需要對房間作空間重構處理。然而很多情況下，火源位置會靠近房間某一側壁面，尤其當這一側有泄漏口時，其對火源產(chǎn)生的熱損失非常大。為了平衡這種差異，對房間和火源熱釋放速率進行重構?；诨鹪此谄矫鎸Ψ块g進行對稱擴展，擴展后的空間增大倍數(shù)即為火源熱釋放速率重構增大倍數(shù)。這種重構方式有效的原因是基于火源向房間釋放熱量的對稱性，因為沒有環(huán)境風和壓力變化擾動。

(2)若熱釋放速率隨時間變化，可采用積分平均的方法計算熱釋放速率值。火源熱釋放速率通常是時間的函數(shù)，直接將熱釋放速率函數(shù)代入模型計算會極大增加計算時間甚至是不可解。在確定熱釋放速率曲線后，求解一段時間內(nèi)的熱釋放速率平均值，可以極大簡化運算。因為只要這段時間內(nèi)釋放到房間內(nèi)的總熱量能夠確定，即可確定煙氣層運動狀態(tài)，因此這種計算方式是可行的。

(3)參數(shù)λ1和λ2對模型預測精度有重要意義，并且λ1對模型計算結果的影響更大。λ1和λ2對于模型的預測精度而言是非常重要的參數(shù)，利用這兩個參數(shù)表征火源狀態(tài)和房間條件，λ1和λ2的值可以通過實驗測試結果調試而確定。對特定的房間條件，λ2可視為確定值，并且λ2傾向于從(0.6,1)之間取值。無論是從煙氣層沉降時間還是從對火源的影響，λ1都顯得更為重要，λ1直接反映了火源狀態(tài)，這是根本原因?；鹪词欠块g煙氣運動的原始驅動和主控力，對指定的房間，火源大小確定后，煙氣填充房間的時間范圍即可確定，更進一步確定具體時間，則主要依賴于λ1的確定。λ1的值越大，煙氣層填充房間的時間變化越小，越容易確定具體時間；λ1的值越小，火源煙氣填充房間的能力越弱，尤其當λ1≤0.3。