摘要：運(yùn)用CFAST軟件對建筑室內(nèi)火災(zāi)進(jìn)行模擬，在門窗及水噴淋不同開啟狀態(tài)下模擬計(jì)算，研究煙氣層高度、煙氣層溫度、CO濃度的變化規(guī)律，以得出門窗開啟狀態(tài)和水噴淋啟動狀態(tài)對火災(zāi)煙氣的影響作用。結(jié)果表明，開啟門窗能夠有效控制煙氣層高度；水噴淋系統(tǒng)具有明顯的冷卻降溫效果；同時打開門窗和水噴淋系統(tǒng)，對冷卻控?zé)煹寞B加效果不明顯。

關(guān)鍵詞：消防；建筑火災(zāi)；火災(zāi)模擬；CFAST模型 

0  引  言

當(dāng)前社會火災(zāi)形勢日益嚴(yán)峻，建筑火災(zāi)由于自身特點(diǎn)，其發(fā)生頻率和火災(zāi)危險性也相對較高，有資料顯示，我國建筑火災(zāi)占所有火災(zāi)總起數(shù)的70﹪以上[1]，每年建筑火災(zāi)造成的人員傷亡占傷亡總數(shù)的80﹪左右。因此，有必要對建筑火災(zāi)的危險性進(jìn)行分析研究。本文運(yùn)用火災(zāi)區(qū)域模擬軟件CFAST對典型建筑房間進(jìn)行數(shù)值模擬，研究房間門窗開啟關(guān)閉狀態(tài)和水噴淋啟動狀態(tài)對室內(nèi)火災(zāi)煙氣發(fā)展的影響，為實(shí)際火災(zāi)撲救過程提供一定的理論參考。

1 CFAST模型及軟件簡介

CFAST模型是目前比較常用的火災(zāi)區(qū)域模型，它由美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所開發(fā)，可以對建筑火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬，能夠?qū)ㄖ馂?zāi)房間中的煙氣擴(kuò)散和火災(zāi)蔓延進(jìn)行模擬預(yù)測。CFAST模型將建筑內(nèi)部空間分為兩層，上部為熱煙氣層，下部位冷空氣層，并假定各層水平方向上的煙、氣體濃度和溫度都相同。該模型通過計(jì)算物質(zhì)的焓和流量隨時間的變化，預(yù)測各個時刻各個房間內(nèi)煙氣層高度、燃燒生成產(chǎn)物及上下層壓力、溫度等狀態(tài)的變化[2]。CFAST軟件只需用戶輸入房間參數(shù)、通風(fēng)設(shè)置、圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、火源、噴頭等模塊設(shè)置，即可模擬計(jì)算建筑火災(zāi)場景，得出火災(zāi)煙氣層高度、空氣層高度、煙氣層溫度、氣體濃度等隨時間的變化情況，從而為火災(zāi)危險分析提供依據(jù)。

2 建筑室內(nèi)火災(zāi)模型及場景設(shè)置

2.1 著火房間參數(shù)設(shè)置

模擬對象設(shè)為一個房間，房間尺寸為8m×6m×2.8m；房間布置一道門和兩個窗戶，兩個窗戶對稱分布于房間兩側(cè)，房門尺寸為0.8m×2m，窗戶尺寸為2m×1m，窗下沿離地面1m；環(huán)境溫度設(shè)為20℃，大氣壓力101300 Pa；房間內(nèi)設(shè)置5個燃燒物，電視尺寸0.4m×0.3m×0.6m，質(zhì)量20kg，燃燒熱15000kJ/kg；沙發(fā)尺寸1m×2m×1m，質(zhì)量144kg，燃燒熱18900kJ/kg；床尺寸2m×1.5m×0.3m，質(zhì)量100kg，燃燒熱18900kJ/kg；兩個窗簾相同，尺寸2m×1m，質(zhì)量10kg，燃燒熱29600kJ/kg；房間頂部設(shè)有一感溫型噴頭，啟動溫度68℃，響應(yīng)時間指數(shù)為50（m·s）1/2；其他參數(shù)使用軟件默認(rèn)值。模擬房間見圖1所示。

圖1 房間模擬效果圖

2.2 場景設(shè)置

設(shè)置4個場景進(jìn)行模擬，分別研究門窗開啟狀態(tài)和水噴淋開啟狀態(tài)對火災(zāi)煙氣的影響情況。第一組模擬工況為門窗全部關(guān)閉，水噴淋不啟動的狀態(tài)，模擬煙氣層的厚度、溫度及CO濃度變化規(guī)律；第二組工況為門窗全部打開，水噴淋不啟動的狀態(tài)，模擬煙氣層及CO濃度變化規(guī)律；第三組工況為門窗全部關(guān)閉，水噴淋啟動的狀態(tài)，模擬煙氣層及CO濃度變化規(guī)律；第四組工況為門窗全部打開，水噴淋啟動的狀態(tài)，模擬煙氣層及CO濃度變化規(guī)律，四組工況情況見下表1所示。

表1 模擬工況設(shè)置

由第一組工況模擬結(jié)果可知，在210S時房間將充滿煙氣，所以工況2和工況4中假定在210S時開啟全部門窗，以進(jìn)行對比分析。

3  模擬結(jié)果分析

本文主要研究模擬房間全部著火后門窗的開啟及水噴淋對火災(zāi)煙氣危害程度的影響，所以3種情況均假定房間設(shè)置的5個可燃物都著火。運(yùn)行CFAST進(jìn)行計(jì)算模擬，通過繪圖分別對煙氣層界面高度、上部煙氣層溫度、下部空氣層溫度、上層CO濃度及下層CO濃度隨時間變化情況進(jìn)行分析討論。

3.1 煙氣層界面高度變化情況分析

4種工況中煙氣層界面高度隨時間變化情況見圖2所示。

圖2 煙氣層界面高度隨時間變化情況

從圖2可以看出，工況1中，煙氣在210S時就沉到地面，燃燒減弱，煙氣生成減慢，隨后又出現(xiàn)回升，在350S又出現(xiàn)一個峰值，而后趨于平緩，穩(wěn)定在0.7m左右。工況2中，200S時煙氣層到達(dá)地面，210S后門窗打開后，煙氣層高度上升，在300S出現(xiàn)第一個峰值，而后繼續(xù)上升，620S以后逐步穩(wěn)定于1.5m處。工況3中，水噴淋開啟，明顯抑制了煙氣的生成，煙氣在260S左右沉降到0.3m，而后煙氣層迅速上升，在400S后逐步穩(wěn)定在1.4m。工況4中，煙氣同樣在260S沉到0.3m，而后上升，在330S后逐步穩(wěn)定在1.6m。

火災(zāi)危險性研究中，人眼特征高度通常為1.2m~1.8m[3]，本文取1.5m。由圖2的分析可以得出，工況1、工況2和工況3在60S后煙氣層即下降到人眼特征高度以下，對被困人員已經(jīng)構(gòu)成威脅。工況4在60S~300S間煙氣層在特征高度以下，300S以后煙氣層上升并穩(wěn)定于1.6m。這表明水噴淋對煙氣生成有一定抑制作用，能一定程度控制煙氣層高度，但開啟門窗加強(qiáng)排煙對于控制煙氣層高度效果更好。

3.2 煙氣層溫度變化情況分析

4種工況中煙氣層溫度隨時間變化情況見圖3所示。

圖3 上部煙氣層溫度隨時間變化情況

從圖3可以看出，工況1中，門窗全部關(guān)閉且不開水噴淋時，煙氣層溫度會迅速上升，在230S左右達(dá)到峰值420℃，隨后其溫度逐漸降低，在700S以后穩(wěn)定在90℃左右。這是由于開始的230S，房間內(nèi)空氣相對充足，也不利于散熱，燃燒熱量迅速積累導(dǎo)致煙氣溫度急劇升高，而后煙氣逐漸充滿房間，氧氣濃度不斷下降，燃燒強(qiáng)度也隨之減弱，導(dǎo)致煙氣層溫度逐漸降低。工況2中，在210S打開全部門窗后，房間進(jìn)入大量新鮮空氣，燃燒強(qiáng)度也隨之增大，所以在260S~450S時間段，煙氣層溫度又逐漸升高，450S達(dá)到峰值600℃，之后隨著可燃物的不斷消耗，燃燒減弱，煙氣層溫度也逐漸降低。工況3中，煙氣層溫度在200S之前逐漸上升，200S~280S間達(dá)到最高約80℃，隨后溫度逐步降低，最終穩(wěn)定在30℃左右，這表明水噴淋啟動后，對燃燒有一定抑制作用和冷卻效果。工況4中，門窗全部打開，水噴淋也啟動，煙氣層溫度走勢與工況3基本一致，在300S以后略低于工況3的溫度，說明在開啟水噴淋情況下，開啟門窗有一定冷卻降溫作用，但沒有水噴淋的冷卻效果明顯。

有研究表明，煙氣層溫度達(dá)180℃時，其輻射強(qiáng)度就能對人體產(chǎn)生危害[3]，圖3可以看出，工況1在180S~330S間煙氣層溫度超過180℃，工況2在180S~1000S間溫度超過180℃，這兩種情況都沒有開啟水噴淋，開啟水噴淋的工況3、4溫度始終低于180℃，這說明在建筑室內(nèi)火災(zāi)中，水噴淋的正常工作能起到很好的冷卻降溫作用。

3.3 下部空氣層溫度變化情況分析

4種工況中下部空氣層溫度隨時間變化情況見圖4所示。

圖4 下部空氣層溫度隨時間變化情況

從圖4可以看出，4種工況的空氣層溫度變化規(guī)律較類似上層煙氣層的整體走勢。工況1中，空氣層溫度在250S時達(dá)到最高的360℃，而后同樣由于缺氧而燃燒減弱，溫度逐漸降低，700S以后逐步穩(wěn)定在100℃以下。工況2中，210S因打開門窗，從260S溫度不斷升高，500S時達(dá)到440℃，隨后又降低，在680S后也降低到100℃以下。工況3和工況4中，空氣層溫度起伏不大，始終在50℃以下，最終穩(wěn)定在25℃左右。

煙氣層界面低于人眼特征高度時，對人將產(chǎn)生直接燒傷和吸入熱氣傷害，相關(guān)試驗(yàn)表明[3]，煙氣層溫度在110℃~120℃即可產(chǎn)生此種危害。由于下層空氣層一般低于人眼特征高度，可以參照115℃作為危害標(biāo)準(zhǔn)?？芍r1在220S~350S間，工況2在220S~600S間，都可對人員造成燒傷危害。而開啟水噴淋后的工況3、4空氣層溫度都明顯降低，不會對人體造成危害。

3.4 CO濃度變化情況分析

4種工況中上下層CO濃度隨時間變化情況分別見圖5和圖6所示。

圖5 上層CO濃度隨時間變化情況

從圖5可以看出，工況1中，250S時CO達(dá)到最高的1800PPM，隨后CO濃度不斷下降，最后接近750PPM，一般認(rèn)為CO濃度達(dá)到2000PPM即可對人體產(chǎn)生嚴(yán)重毒害，可知此種情況在200S~300S間會對人體產(chǎn)生一定危害，但不足以致命。工況2中，230S前CO濃度同工況1變化規(guī)律，此后濃度迅速升高，400S~500S達(dá)到最高的2300PPM，500S后又隨著燃燒的減弱而降低，最后降為500PPM以下，可知300S~550S間，CO濃度會對室內(nèi)人員產(chǎn)生嚴(yán)重危害。工況3和工況4中，CO濃度始終在300PPM以下，不會對人體產(chǎn)生嚴(yán)重危害。這說明水噴淋對于稀釋有毒煙氣濃度，保護(hù)被困人員安全具有很重要作用，而開啟門窗可能會因引入新鮮空氣加劇燃燒，產(chǎn)生更多的毒害氣體。

圖6 下層CO濃度隨時間變化情況

從圖6可以看出，工況1中，210S以前CO濃度基本接近于0，此后由于氧氣濃度的降低而燃燒不充分，CO生成速度急劇升高，280S濃度達(dá)到1500PPM，350S以后緩慢下降，最后穩(wěn)定在1000PPM左右。工況2中，280S以前CO濃度變化基本于工況1相同，280S濃度達(dá)到1500PPM，此后又迅速下降，300S出現(xiàn)一個拐點(diǎn)，300S~500S間濃度在600PPM，600S后逐漸降低到80PPM以下。工況3和工況4中CO濃度變化比較平緩，始終在100PPM以下。4種工況的下層CO濃度相對來說都不會人造成致命危害，其中工況1在300S以后CO濃度較大，也會對人體產(chǎn)生一定毒害。

4  結(jié)  論

通過對建筑室內(nèi)火災(zāi)進(jìn)行CFAST軟件模擬，對比不同門窗開啟狀態(tài)和水噴淋開啟狀態(tài)對室內(nèi)煙氣層高度、煙氣層溫度、CO濃度變化的影響，可以得出以下結(jié)論：

開啟門窗加強(qiáng)通風(fēng)排煙，一定程度上有利于控制煙氣層高度，但同時可能會因引入新鮮空氣而加劇火勢；

水噴淋系統(tǒng)對室內(nèi)火災(zāi)具有很好的冷卻降溫作用，同時也能抑制煙氣的生成速度；

啟動水噴淋系統(tǒng)比開啟門窗的降溫效果更好，開啟門窗比啟動水噴淋的排煙稀釋作用更明顯；

開啟水噴淋系統(tǒng)后，再打開門窗對室內(nèi)的降溫效果和煙氣稀釋作用不太明顯，兩者疊加效果不強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

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