1、建筑室内火灾温度的预测分析 王洪欣 查晓雄 哈尔滨工业大学深圳研究生院 中建科技有限公司深圳分公司 摘 要： 为了得到室内火灾温度, 采用理论推导和数值模拟相结合的方法对其进行研究。首先建立了室内火灾温度场的数值模拟方法, 以 Steckler 开口流动试验数据作为参考, 对比软件 FDS 模拟室内火灾开口流动的准确性及适用性;其次通过火灾室内热烟气层的热平衡得到了室内火灾温度的基本公式, 公式体现了影响室内温度的相关因素;最后采用火灾场分析软件 FDS 建立多种火灾情况模型, 从而得到火灾室内热烟气层温度, 进而得到基本公式中相关参数的取值。分析表明:室内火灾温度随着火源热释放速率的增加而增
2、大, 随着围护结构的有效热传递系数和通风口尺寸的增加而减小。关键词： 室内火灾; 火灾温度; 热平衡; FDS; 预测分析; 作者简介：王洪欣, 博士, 高级工程师, 一级注册结构工程师, Email:。基金：深圳市原创项目研发资助 (YC2015020) Prediction analysis of indoor fire temperatureWang Hongxin Zha Xiaoxiong Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School; Abstract： Theoretical derivation and nume
3、rical simulation method were combined to study the temperature of indoor fire.Firstly, taking steckler open flow test data as a reference, numerical simulation method of temperature field of indoor fire was established to compare with the accuracy and applicability of FDS simulation of indoor fire o
4、pening flow; secondly the basic formula of indoor fire temperature was obtained by heat balance of hot smoke layer in indoor fire, and the formula reflected the related factors affecting the indoor temperature; finally, fire field analysis software FDS was used to establish a variety of fire models
5、to get hot smoke layer temperature in indoor fire, and then the values of the relevant parameters in the basic formula were determined.The results show that the indoor fire temperature increases with the increase of the heat release rate of the fire source, and decreases with the increase of the eff
6、ective heat transfer coefficient of the envelope and the size of the vent.Keyword： indoor fire; fire temperature; heat balance; FDS; prediction analysis; 0 前言建筑室内火灾温度是研究室内火灾非常重要的参数之一, 它在很大程度上反映了室内火灾行为及其动力学特征。因此, 对室内火灾温度进行精确的估计显得非常重要和必要1。Mccaffrey 等2分析了 8 组 112 次火灾的试验数据, 得出了描述室内轰燃前火灾温度上升值, 受试验条件限制所得试
7、验数据均小于600。Steckler 等3进行了单室火灾试验, 对不同火源位置和火源热释放速率下的室内温度、门口温度及门口空气流速等都进行了细致的测量。Rockett等4对大房间内小火源下的室内气体流动进行了研究。Thomas 等5对引起火灾房间轰燃时的热释放率和室内火灾行为做了相关研究。查晓雄等6分析了集成房屋在室内火灾发生时的耐火极限和破坏情况。李国强等7对火灾下受约束钢梁和足尺钢柱的力学性能进行了研究。本文采用理论推导和数值模拟相结合的方法对室内火灾温度进行研究, 并分析火源热释放速率、房间大小、通风口尺寸和围护材料热学性质对室内温度的影响。1 Steckler 单室火灾试验验证1.1
8、试验介绍以 Steckler 单室火灾经典试验为依据, 通过模拟试验中的火灾场景, 将模拟结果与试验结果进行比较和分析, 验证 FDS 预测室内火灾温度和开口空气流动的准确性, 也为后续 FDS 的应用提供合理依据。Steckler 等3在 1982 年进行了单室火灾试验, 由于该试验中对不同火源位置和火源热释放速率下的室内温度、门口温度及门口空气流速等都进行了全面细致的测量, 该试验是构造火灾模拟方法的基准算例。试验房间长 2.8m、宽 2.8m、高 2.18m, 如图 1 所示。房门尺寸、火源位置和火源热释放速率在各试验中有一系列变化, 其中火源功率分别为 31.6, 62.9, 105.
9、3, 158k W;门洞开口尺寸 0.240.99m 不等, 门高为 1.83m。门口处布置二维双向速度探针和裸线热电偶阵列分别测量门口处空气的流速和温度, 速度测量的误差约为 10%, 热电偶和速度探针的垂直间距均为 0.114m, 其中第一个测点距离地面 0.057m。同时为了测量房间角落处的温度分布, 在房间的角落设置一排吸入式热电偶, 热电偶测点距离两侧墙壁各 0.305m, 开口外部设置热电偶树, 用来测量室外温度。图 1 试验布局示意图 下载原图火源布置在房间的不同位置, 如图 2 所示, 面积为 0.45m0.45m, 燃料为恒定质量流率的甲烷。房间的围护结构材料为轻质绝热纤维板
10、, 可以使火灾在点燃后 30min 内达到稳态。1.2 试验验证及分析1.2.1 FDS 模型建立将试验结果中房门中间处的空气温度、速度、质量流速以及房间角落处的温度与 FDS 模拟结果进行对比来验证模型的准确性。由于试验中火源位置、火源热释放速率、门开口尺寸是变化的, 本文主要模拟试验中的 4 种工况, 各个工况的参数设置如表 1 所示, 其中工况 1 对应的 FDS 模型如图 3 所示。表 1 不同工况下的试验参数 下载原表 FDS 模型的整体空间尺寸为 3.2m2.8m2.18m, 着火房间的尺寸为2.8m2.8m2.18m, 在门外 0.4m 处建立一个通风口来模拟室外环境, 以保证室
11、内空气与外界空气的流通。由于试验房间的围护结构材料为轻质绝热纤维板, 模型中房间的四壁材料采用绝热材料。根据试验中速度探针和热电偶的布置, 模型中分别在门口处布置了测速装置和热电偶装置, 角落处布置了热电偶装置, 其空间位置完全按照对应的试验布置, 同时房间门洞开口的大小和火源位置也完全按照对应的试验布置。图 2 火源布局示意图 下载原图图 3 工况 1 对应的 FDS 模型 下载原图1.2.2 试验验证分析由于火源在点燃后要经过一段时间才能达到稳态, 测点温度和速度也会在火源达到稳态后才趋于平缓状态, 以工况 1 为例, 其房门中间测点温度和速度在5080s 后达到稳态, 如图 4, 5 所
12、示 (图中 z 为测点距地面高度) 。为保证模拟结果处于稳态, 本文选取 100s 以后的模拟结果, 并将 100200s 模拟结果的平均值作为最后的模拟结果与试验值进行对比分析。在此基础上, 为了进一步验证不同网格精细度对计算结果的影响, 比较了0.05m 和 0.1m 两种网格尺寸对计算结果的影响, 工况 1 下模拟两种网格尺寸所得到的结果与试验值的比较, 如图 6 所示。图 4 房门中间测点温度时程 下载原图图 5 房门中间测点速度时程 下载原图对比不同网格尺寸的模拟结果可以得到, 0.05m 和 0.1m 这两种网格尺寸的模拟结果与试验结果都很接近, 即此级别的网格尺寸对模拟结果的影响
13、不大。由于0.05m 网格尺寸得到的数据与试验结果更加接近, 为保守起见, 本文在场景模拟中选取 0.05m 的均匀网格尺寸。其他 3 种工况的模拟结果与试验也比较接近8。从 Steckler 火灾试验的分析结果可知, 在火源位置、火源热释放速率以及通风口尺寸不断改变的情况下, FDS 模拟得到的房门中间处的空气温度、速度、质量流速以及房间角落处的温度无论是从趋势还是数值上都与试验结果较为接近。因此, 采用软件 FDS 可以较为准确地预测出火灾流场中的速度和温度。图 6 工况 1 下的模拟结果与试验结果比较 下载原图2 室内火灾温度公式2.1 室内火灾温度公式的基本形式由于室内火灾上部的热烟气
14、层满足热平衡方程2这一条件, 即火源产生的热释放速率与房间损失的热释放率是相同的, 即:结合式 (1) 和式 (2) , 可得:令 T=T-T 0, 代入式 (3) , 整理得:由于通过门窗通风口的热烟气质量流率与通风因子满足如下关系4:式中 W0为通风口有效宽度。结合式 (4) 和式 (5) , 温度差值和室外温度的比值可以表示成两个无量纲参数的指数函数形式, 即:式中:C P为空气的比热, k J/ (kgK) ; 0为周围空气的密度, kg/m;T 0为周围空气的温度, ;h k为火灾室墙壁、地板及天花板各部分的有效热传递系数, hk=k/h, k W/ (mK) ;h 为墙、天棚和地面
15、等结构的厚度, m;A 0为房间通风口面积, m;H i为各通风口高度, m;W i为各通风口宽度, m;H 0为通风口有效高度, m;AW为扣除开口房间面积, m。式 (6) 为室内火灾温度公式的基本形式和各影响参数之间的关系。将式 (6) 中的空气比热、密度和周围空气温度等常数项提出, 可以得到室内火灾温度的基本公式为:式 (7) 充分反映出影响室内火灾温度的直接因素:火源热释放速率、房屋大小、通风口尺寸以及围护材料的热学性质, 具有一定的物理意义。式 (7) 中参数C, M和 N的数值需要通过大量试验数据或数值模拟结果回归得到。2.2 室内火灾温度公式为得到式 (7) 中参数 C, M和
16、 N的数值, 本文采用软件 FDS 建立多种分析模型, 包括不同的房间尺寸、通风口大小、火源热释放速率、围护结构材料和厚度。其中, 房间长宽高分别选取了 6m4m3m 和 6m6m3m 两种;在房间长边对称建立两个通风口, 通风口的宽高选取 3m2m, 2m2m, 1m2m 三种;为体现不同围护结构厚度传热对室内温度的影响, 围护结构厚度选取 0.1m 和0.2m 两种;为体现不同围护结构材料的热学性质对室内温度的影响, 房间的围护结构材料分别选取混凝土、加气混凝土、发泡聚苯乙烯和岩棉 4 种, 各种材料的热学性质如表 2 所示;为使选择的火灾场景涵盖小火、中火、大火, 火源热释放速率分别为
17、1, 2, 3, 4, 6MW。表 2 房间围护材料的热学性能 下载原表 FDS 模型的网格尺寸为 0.15m0.15m0.15m, 经验证该网格尺寸满足计算的收敛要求。火源模型建立在房间中部, 火源模型的尺寸为 1m1m, 通过设置热释放速率的大小即可得到不同的火灾规模。由于建立的火灾房间模型是对称结构, 故在房间内部对称位置的一侧布置几组温度测点, 便可得到整个房间不同位置处的温度值, 每组温度测点在高度方向间隔 0.15m, 偏于安全地取房间上部热烟气层的平均温度作为室内火灾平均温度8。测点的平面布局如图 7 所示, 火灾房间的 FDS 模型如图 8 所示。图 7 模型的火源和温度测点布
18、置 下载原图图 8 室内火灾房间的 FDS 模型 下载原图在 100 组计算模型中, 考虑了的房间大小、通风口尺寸、火源热释放速率、围护材料和厚度。通过对计算结果的拟合, 得到式 (7) 中参数 C, M和 N的值, 进而得到的温度公式为:将式 (7) 整理后可得:将式 (9) 计算结果与 FDS 模拟结果进行对比, 如图 9 所示。式 (9) 的计算值与 FDS 模拟结果比值的均值为 1.026, 方差为 0.011。从图 9可知, 计算得到的大多数结果都集中在最佳回归线附近, 说明回归得出的温度公式 (式 (9) ) 与模拟结果非常接近, 式 (9) 可以较为准确地预测出室内火灾温度。图
19、9 室内温度公式 (式 (9) ) 计算结果与模拟结果的比较 下载原图注:T=T-T0。3 结论本文对室内火灾温度进行研究, 并分析了火源热释放速率、房间大小、通风口尺寸和围护材料热学性质对室内温度的影响, 分析结果表明:(1) 将 FDS 模拟结果与 Steckler 火灾试验结果比较可知, FDS 模拟得到的房门中间处的空气温度、速度、质量流速以及房间角落处的温度都与试验结果较为接近, 可以较为准确地预测出火灾流场中空气的速度和温度。使用 FDS 模拟室内火灾时, 应选取较精细的网格, 在保证网格尺寸不会对计算结果产生影响的同时尽量发挥出计算机性能。(2) 随着室内火源热释放速率的增加,
20、火灾的规模变大, 室内温度也随之升高;随着房屋围护结构的有效热传递系数的增加, 材料的热传导速率增加, 即通过墙壁和天棚向外界传递热量的速率加快, 室内温度降低;随着天花板通风口尺寸的增加, 热量通过通风口向外界释放的热能也随之增加, 室内温度降低。参考文献1陈爱平, 张云明, 张莹.室内火灾升温速率的试验研究J.火灾科学, 2004 (1) :57-63. 2MCCAFFREY B J, QUINTIERE J G, HARKLAROAD M F.Estimating room fire temperatures and the likelihood of flashover using f
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