高层建筑火灾数值仿真

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1火灾蔓延数值分析的实现

FDS中的固体物质可以由多层材料组成，每一层材料都可包含多种物质成分。每种固体物质可以进行多个反应，这几个反应可能发生在不同的温度下，消耗不同量的热量。热解反应需要确定每个反应的产物，FDS中热解产物可以是固体残留物、水蒸汽、燃料气体等。反应物可通过参数：NU_RESIDUE（固体残留物），NU_WATER（水蒸气），和NU_FUEL（燃料）来设定。热解模型必须指定反应温度和反应。在温度Ts下，第i类材料的第j个热解反应的反应速度由式（1）给定：ρs,i是特定层中的第i类材料的密度，ρs0是层的初始密度。若某层材料仅由一种材料组成，且反应不产生固体残余物，则ρs,iρs0为1。ns,ij是反应因子，默认值是1。Ai,j是一指数因子，单位是s-1；Ei,j是活化能，单位是kJ/kmol。对于大多数材料，很难确定Ai,j和Ei,j。此时，可以通过指定参数referencerate(s-1)和referencetemperature(℃)来进行计算。FDS会利用这两个参数来完成计算。referencerate的默认值是0.1s-1。数值分析时，一般取referencerate为默认值，只指定referencetemperature。

2火灾蔓延数值分析及蔓延规律研究

2.1模拟场景设置经分析，共设置3个火源位置，火源位置A位于建筑东侧中部位置，火源位置B位于建筑南侧中部位置，火源位置C位于建筑东南侧，如图1。根据需要共设位置4个计算场景，场景设置，见表1。2.2模拟参数设置2.2.1建模建模过程中对实际模型进行了局部简化，将外墙材料统一简化为挤塑聚苯板，另外由于实际建筑体量巨大(长45m，宽30m，高90m)，进行火焰蔓延需要网格尺寸极小，进行整体模拟，计算系统难以承受，因此在考虑计算经济性的情况下，对实际建筑进行了1/3比例的缩尺建模，网格尺寸最小0.04m，最大0.08m。2.2.2输入参数设置环境初始温度24℃，初始风速0m/s；湍流模型采用大涡模拟模型，燃烧模型采用混合分数模型，热解模型采用固体材料热分解模型；初始火源为1MW恒定火源，引燃外墙材料后，自行熄灭，外墙材料统一为模塑聚苯板，热解温度320℃，内墙为混凝土。2.2.3测点布置在模型各墙面上分上、中、下位置各布置3个热电偶测点，位置分别距离地面5m、15m和25m，其中THCPB位于墙角，其余热电偶位于各面墙的中部位置。各热电偶具置和编号，如图2。2.2.4模拟结果图3为火灾场景B的火焰蔓延过程图，由于未考虑室外风的影响，火灾在建筑外立面基本成对称形式向上部和两侧蔓延，向上蔓延速度远高于向两侧蔓延速度，从着火侧立面向相邻立面的蔓延首先发生在建筑上部，除着火侧外，其他立面呈现火焰自上而下蔓延的现象，该场景火焰蔓延顺序为南侧、东侧、西侧、北侧。图4为测点THCPC和测点THCPD的温度曲线，可以看到最高温度可以达到1000℃以上。其他场景模拟结果，见表2。

3结论和建议

通过模拟分析，可得如下结论：（1）利用FDS软件的热解模型和燃烧模型可以较好地实现火灾的蔓延仿真，但对超大体量建筑采用并行算法进行分析时，在网格尺寸较小的情况下，数值计算的稳定性较差，极易出现数值发散的情况；（2）在单点点火的情况下，火灾首先从着火点沿着火面外墙向上及向两侧蔓延，火焰垂直蔓延速度远远高于水平蔓延速度，火灾从单侧向相邻侧蔓延一般首先会出现在建筑顶部区域，然后相邻侧火灾会呈现自上而下的蔓延过程，最终会发展为整个建筑外表面全部参与燃烧的情形；（3）有风情况下，火灾的蔓延速度会明显加快，尤其是火焰在下风向的水平蔓延速度会明显加快，但风力会阻止火焰向上风向蔓延。通过研究分析，对高层建筑的外立面防火提出如下建议：（1）建议相关规范尽快完善对铝塑板幕墙的防火要求。如可以对不同高度的高层建筑，规定可采用的铝塑板材料的防火性能；（2）建议相关规范尽快完善对外墙外保温材料的防火要求。如规定防火隔离带的做法，防火隔离带不应只考虑水平隔离，还应考虑垂直隔离带。从数值分析看，对于两个立面交界处采用一定的防火措施，有利于阻止火灾向相邻侧的蔓延；（3）对于高层建筑，为防止外部火灾向建筑内部蔓延，应加强其外窗的防火要求,如规定超高层建筑外窗宜采用防火窗等。

作者：智会强 牛坤 单位：公安部天津消防研究所