古建筑火災(zāi)數(shù)值模擬淺析

帥建強(qiáng)

摘要：古建筑多為木結(jié)構(gòu)，存在耐火等級低、火災(zāi)荷載大、撲救困難等特點(diǎn)。本文通過場模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究古建筑內(nèi)火災(zāi)的發(fā)展規(guī)律，合理地布置火災(zāi)探測裝置，及時(shí)探測火災(zāi)，抑制火災(zāi)于萌芽狀態(tài)，對保護(hù)古建筑具有十分重大的意義。

關(guān)鍵詞：古建筑;火災(zāi);數(shù)值模擬

古建筑是指古人遺留下來的距今有較長歷史年代且具有歷史價(jià)值的寺院、廟宇、宮殿、樓閣、古塔、宅院等建筑物。多為木結(jié)構(gòu)，存在耐火等級低、火災(zāi)荷載大、撲救困難等特點(diǎn)。本文利用計(jì)算機(jī)場模擬軟件FDS對古建筑進(jìn)行模擬分析，對古建筑內(nèi)火災(zāi)溫度、熱流量變化及煙氣流動規(guī)律進(jìn)行研究。

一、火災(zāi)場模擬計(jì)算方法

火災(zāi)場模擬的基本原理是將模擬空間劃分成許多微元控制體，以微元控制體為基本單元，假設(shè)在同一時(shí)刻內(nèi)每個(gè)微元控制體內(nèi)各種物理量（溫度、壓力、速度、密度等）的值是相同的。每個(gè)控制單元內(nèi)，根據(jù)質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒和化學(xué)反應(yīng)定律建立描述火災(zāi)過程的控制方程組。為了能夠從整體上求解火災(zāi)過程，必須建立火災(zāi)各主要分過程的理論模型，如受浮力影響的湍流模型、湍流燃燒模型、輻射換熱模型和炭黑模型等，從而使場模擬的方程組封閉。最后計(jì)算出不同時(shí)刻每個(gè)微元控制體內(nèi)各種物理的值。FDS由NIST定期發(fā)布，由于其功能強(qiáng)大，模擬結(jié)果可靠性以及獲取方便，目前已被越來越多的業(yè)內(nèi)人士認(rèn)可并采用。

二、模擬場景設(shè)計(jì)

本文選取某縣一古建筑塔為研究對象。該塔為木結(jié)構(gòu)建筑，其中二層層高8.84m，內(nèi)外兩槽立柱為承重結(jié)構(gòu)，內(nèi)槽立柱5根，外槽立柱24根，以木板及木質(zhì)門窗為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，底部為木質(zhì)甲板，頂部有大量的木質(zhì)梁枋結(jié)構(gòu)，發(fā)生火災(zāi)的可能性最大，并且除了首層以外，二層承擔(dān)著以上各層的重量。因此，本文以木塔二層為研究對象，對其進(jìn)行火災(zāi)數(shù)值模擬，二層平面圖如圖1所示：

整個(gè)火災(zāi)模型為一個(gè)區(qū)域，區(qū)域尺寸為23m×23m×10m，網(wǎng)格大小為0.25m×0.25m×0.25m。整個(gè)模型由幾個(gè)實(shí)體部分組合而成，底板為正八面體，邊長9m，厚0.25m;模擬時(shí)間為1600s?；鹪次挥诹?（L2）的正下方，兩個(gè)感溫探測器位于頂棚上，坐標(biāo)為：Y1（0.00，2.50，9.00），Y2（0.00，7.50，9.00）?？拷鹪吹膬筛涎馗叨确较蛏喜贾昧藷崃髁刻綔y裝置，模型如圖2所示：

三、建筑火災(zāi)煙氣及溫度的變化規(guī)律

設(shè)定火源以中速火發(fā)展，在沿火源和中心線上布置了兩個(gè)感煙探測器，火災(zāi)初期煙氣的流動狀況如圖3所示為180s后室內(nèi)煙氣的狀態(tài)。

由圖3可知，火災(zāi)初期，煙氣由地面木板燃燒產(chǎn)生，并垂直上升到頂板，然后沿頂板水平流動，在此區(qū)域形成頂棚射流，當(dāng)水平煙氣遇到墻壁后會沿來流的方向逆流，以此規(guī)律流動，煙氣逐漸充滿整個(gè)房間。180s后煙氣的厚度約為3.5m。

（二）火災(zāi)溫度場分析

圖4所示為L1、L2處的溫度隨時(shí)間的變化率。由圖可知室內(nèi)最高溫度可達(dá)1000℃，火災(zāi)由室溫以近似于正切函數(shù)增長，大約在700s時(shí)達(dá)到最高溫度。梁1的最高溫度可達(dá)1000℃，梁2的最高溫度可以達(dá)到950℃，隨著燃燒的進(jìn)行，室內(nèi)氧氣不斷消耗，受通風(fēng)口的限制，火災(zāi)在800s后開始衰減，1050s后溫度維持在一個(gè)較穩(wěn)定的值約為170℃。感溫探測器的響應(yīng)溫度為68℃，由圖4可知：梁1下的感溫探測器的響應(yīng)時(shí)間為135s;梁2下的感溫探測器的響應(yīng)時(shí)間為170s。故感溫探測器的響應(yīng)時(shí)間明顯滯后于感煙探測器的響應(yīng)時(shí)間，并且感溫探測器的響應(yīng)時(shí)間較長，不能夠起到快速報(bào)警的目的。梁1中心處木材在392s后達(dá)到260℃（木材開始熱解溫度），梁2中心處在410s后達(dá)到260℃。如果以表4.1所列的溫度作為木材的著火溫度，取430℃，則梁1與梁2被引燃的時(shí)間分別為430s和500s。所以梁1先被引燃。

圖5為700s時(shí)x=0處的溫度切片，由圖可知，室內(nèi)溫度在700s時(shí)，高溫沿火源垂直方向分布，在火源的正上方頂棚處能量不斷地集聚，溫度最高，距地面約1.5m以下，溫度在100℃以下，火源以外的其他區(qū)域，沿高度方向由下自上，溫度逐漸升高，頂棚處溫度最高。由圖6可知：700s時(shí)，260℃的等溫面沿高度約6m的位置分布。對應(yīng)的以上高度方向的維護(hù)木結(jié)構(gòu)發(fā)生熱分解。

四、結(jié)語

本文通過建立古建筑的火災(zāi)模型，根據(jù)火災(zāi)荷載確定了火源的熱釋放速率按中速火進(jìn)行火災(zāi)的初期模擬。通過模擬發(fā)現(xiàn)：古建筑內(nèi)煙氣到達(dá)頂棚后，沿水平方向貼著頂棚流動，遇到障礙物后，又沿原路徑貼著上層煙氣回流。在火源上方及出口處都有射流現(xiàn)象。在垂直面內(nèi)，溫度沿高度方向上由上向下呈遞減趨勢;在水平面內(nèi)，離火源由近及遠(yuǎn)，溫度也呈遞減趨勢。并由模擬的數(shù)值參數(shù)可知，室內(nèi)的最高溫度達(dá)1000℃以上。沿柱高度方向上，表面接收到的最大熱流量隨高度的增加而增加。同時(shí)，中速火源的發(fā)展由初期的燃燒控制轉(zhuǎn)變?yōu)橥L(fēng)控制。最后室內(nèi)維持在一個(gè)緩慢的陰燃階段，和實(shí)際情況有所區(qū)別，如果在此情況下，通過額外通風(fēng)口（由于將木質(zhì)維護(hù)結(jié)構(gòu)燒穿）的補(bǔ)風(fēng)，室內(nèi)積聚的大量可燃?xì)怏w遇到新鮮空氣后形成的預(yù)混氣體被部分高溫木炭引燃，就會發(fā)生回火的現(xiàn)象。因此在滅火時(shí)如果遇到此種問題，一定要妥善處理，以免造成人員傷亡。