1、基于FDS 的高 校 火 灾 模拟 及 控 制 对策 李建沛 河 南 质量 工 程职 业 学院 摘 要： 随着国内高等教育事业的快速发展, 学校规模和数量迅速扩大, 但其消防配套 却未能完善, 一旦发生校园火灾, 极易出现严重事故。 文章以高校办公楼为研究 对象, 运用 FDS 火灾模拟软件, 针对温度场和烟气发生过程, 制定了高校火灾 的防治对策。 关键词 ： 高校建筑; FDS; 火灾模拟; 对策; 作 者简 介： 李建沛 (1982-) , 女, 河南鲁山人, 河南质量工程职业学院讲师, 硕士, 研究方向:建筑工程技术。 University Fire Simulation and Co
2、ntrol Strategy Based on FDS LI Jianpei Henan Quality Polytechnic; Abstract ： With the rapid development of higher education in China, the scale and quantity of schools have expanded rapidly, but the fire supporting system has not been improved.Taking the university office building as the research ob
3、ject, using FDS fire simulation software, according to the temperature field and smoke generation process, the paper puts forward the fire prevention and control measures in Colleges and universities. Keyword ： university buildings; FDS; fire simulation; countermeasures; 引言 随着高校学生和教职工的增多, 国家对高校消防安全愈
4、加重视, 高校火灾严重 威胁着师生的学习生活环境。 通过认真分析高校火灾的发生原因和发生过程, 可 以从很大程度上遏制高校灾难的发生1。对于高校来说, 实验室是最可能发生 高校火灾的地方, 因为实验室内物品众多, 加上有时候会含有易燃易爆器材, 这些都成为高校火灾的发生原因, 其次就是学生宿舍, 学生自身喜欢乱丢烟头, 乱用燃气, 乱拉电线, 这些是高校火灾预防的重点。 再次是食堂火灾, 由于常常 有人, 往往不会发生较大的事故。 最重要的就是办公楼和图书馆火灾, 一旦发生 事故, 损失不可弥补, 比如山东医科大学办公楼的火灾, 让学校珍贵资料付之 一炬, 历史文物就此破坏。 因此, 研究高校
5、办公楼的火灾是消防工作的重点2。 1 FDS 简介 FDS (Fire Dynamics Simulator) 是美国国家标准与技术研究院 (NIST) 开发的 流体力学模拟软件, 通过FDS 软件可以模拟建筑物火灾引起的热量传输, 将起 火后 建筑物的热辐射传输准确表达出来, 还可以将材料的热解、 火灾的蔓延过程 模拟出来, 通过火灾的蔓延过程模拟, 制定出适合建筑疏散的最佳方案3,4。 2 办公楼工程概况 本工程是某高校学院楼的主体建筑, 整个大楼为框架结构, 一共四层, 宽18 m, 层高为4 m, 总建筑面积约 2500 平方米左右, 根据整个建筑的施工图纸, 综合 考虑其土建、 设备
6、、 装 修等参数制定整个大楼的边界条件, 为方便整个大楼的模 拟, 对于办公室其他区域的办公器材进行 适当的简化, 最终形成本文的三维模 型, 鉴于篇幅所限, 本文只给出了本楼某一间办公室的燃烧工况模拟如图 1 所 示。 图1 办公楼标准层平面图 下载原图 3 FDS 火灾场 景模拟 过程 3.1 参数 赋值 考虑到办公室有关的燃烧物体, 按照材料的属性进行赋值, 主要考虑本办公楼 出现的沙发、 桌、 柜、 窗帘等因素, 这些因素的燃烧等级和传热系数都不同, 因 此将办公楼中常用的室内材料按照软件要求进行赋值5见表1。 表1 室内材料参数 下载原表 3.2 网格 划分 根据FDS 模拟软件的计
7、算区域大小, 一般我们将网格尺寸定为0.1 米, 这样不但 可以反映整个建筑物的燃烧速度, 还能够提高计算速度6。为了真实地模拟火 灾情况, 我们将着火点设置在门口沙发上, 将燃烧时的环境温度定义在 25 度, 由于本文主要研究燃烧时间和燃烧烟雾浓度, 故暂不考虑自动喷淋对整个火灾 的控 制。 3.3 定义 边界条 件 本文为了更好地反应模拟结果, 设置多组边界条件, 有些设计的边界条件是恒 定的, 比如墙面和楼板都设置为无位移, 而门窗则采用速度边界条件, 对于楼 梯间的墙壁设置为绝热边界。 3.4 设置 运行环 境 本文中将外界大气压设置为标准大气压, 对于窗帘等附属设施, 考虑重力加速
8、度为g=9.8m/s 。对于整个建筑的结构墙体和楼板, 均设置为混凝土。 3.5 火灾 载荷赋 值 办公室所有可燃物品的单位燃烧热值如表 2 所示, 整个房间的最大火灾载荷为 9490 MJ, 整个房间的面积为48 平方米, 形状为长方形, 可以较易得出火灾载荷 密度为198MJ/m。 表2 可燃物的燃烧热值统计 下载原表 4 FDS 火灾场 景模拟 结果 鉴于篇幅所限, 本文选取某一房间作为样本, 主要考虑其水平方向和竖直方向 温度场的变化, 在发生火灾时, 一旦烟雾浓度超过 1.5 米, 就会对人体呼吸造 成较大侵害, 故本文选取地面高度 1.5 米的温度切片。 4.1 水平 方向温 度场
9、 图2 时间为 3400 秒时 1.5 米高度温度场 下载原图 图3 时间为 4300 秒时 1.5 米高度温度场 下载原图 从图2、图 3 中可以看出, 对于1.5 米高度的温度切片来说, 在3400 秒时, 所 有的温度呈现绿色, 此时的温度大约为120-170 度左右, 而当时间为4300 秒时, 所有的温度都已经达到了200 度以上, 部分区域已经开出出现245 度以上的高温, 在这个时候, 即使人们穿上防护服, 也不敢进去灭火。 也就是说, 我们对于办公 楼火灾, 要选取在着火前期进行灭火。 在图2 中, 我们可以看出, 几乎整个墙面呈现绿色, 除了房顶一块呈现红色之 外, 而在图
10、3 中, 则是在整个墙面的四周呈现出黄色, 甚至部分地区出现红色 区域, 而在墙面的中间部分, 反而是出现了淡淡的绿色, 产生这种现象的原因 是在最初燃烧阶段, 整个室内的氧气支持物体燃烧, 但随着火势加大, 在整个 房间的通风口处的燃烧相对完全, 中间区域则很容易出现供氧不足, 所以导致 整个房间的四周部位燃烧温度更高。 4.2 烟气 浓度情 况 众所周知, 很多火灾并非是温度杀死了人, 而是由于烟气首先将人熏倒。因此, 研究整个火灾时的烟气浓度十分必要。图 4 、图5 中列出了在300 秒和 1000 秒 时的烟气浓度情况, 在着火300 秒内, 沙发燃烧的比较缓慢, 这个时候烟气浓 度并
11、不算浓烈, 但是一旦达到 1000 秒之后, 所有的烟气浓度开始出现较大的变 化, 随着时间的增长, 当达到3000 秒之后, 屋内几乎没有新鲜的空气, 而是完 全都是黑烟, 这个时候往往就失去了救援的最佳时间。 图4 时间为 300 秒时烟气浓度 下载原图 图5 时间为 1000 秒时烟气浓度 下载原图 5 火灾的防治对策 根据前文所述, 对于火灾的防治宜早不宜晚, 一旦超过3000 秒, 则很难进行救 援, 而超过 1800 秒, 烟雾浓度就有可能对人造成生命危险。鉴于此, 本文采取 以下几个方面进行火灾防范: 5.1 防患 未然 学校的安全部门要对整个线路进行及时检查、 检修, 发现安全
12、隐患及时更换, 高 校要定期的对自己存在的安全隐患进行排查, 充分调动工作人员的积极性, 让 所有工作人员既能选择理想的火灾救援手段, 又可以保护自己的安全不受火灾 的伤害。 同时要注重疏散线路的选择, 对于高校办公楼来说, 要设置流畅的人员 疏散安全通道, 在发生火灾时能够及时进行救援, 保证人员疏散。 5.2 低压 二氧化 碳灭 火 由于高校办公楼的火灾多属于室内燃烧, 室内的氧气毕竟有限, 根据模拟过程, 随着燃烧的进行, 氧气含量逐渐减少, 会出现燃烧速度降低的短暂时间, 这样 就为我们二氧化碳灭火提供了方向, 我们可以通过管道系统, 向房间内注入二 氧化碳气体, 这样就可以阻止新鲜空
13、气的进入, 降低房间内的氧气含量, 从而 降低燃烧速度, 为我们的救援增加时间。 5.3 加强 火灾探 测 随着智能建筑的出现, 火灾探测技术迅速发展, 自动灭火系统日益完善, 在火 灾的早期, 要尽早发现火情, 并迅速报警, 比如可以安装火灾探测器或者烟雾 探测器, 即使不能阻止火灾蔓延, 也可以减少损失。 考虑到火灾探测的成本问题, 可以在办公室邻近走廊墙壁处留一个小窗口, 这 样烟气就很容易在窗口处聚集, 让人们及早发现火灾。 同时, 在没有火灾时, 可 以作为办公室空气通风口;在发生火灾前期, 作为自然排烟的手段;在火灾后期, 还可 以作为机械排烟的排烟口, 如果采用二氧化碳灭火, 还
14、可以作为泄压口。 6 结论 高校办公楼的火灾模拟涉及到多个领域的知识, 比如安全工程、 消防工程、 建筑 工程、 流体领域等, 本文以FDS 软件为基础, 主要对办公楼的火灾温度和火灾烟 雾进行了模拟, 对烟气的释放速度和水平温度场进行了简要分析, 最后提出了 高校办公楼火灾防范的对策, 比如设置通道口、 低压二氧化碳灭火等, 希望这些 方法的提出能够为火灾救援提供思路, 为高校办公人员的安全提供保障。 参考文献 1 何中旭.基于FDS 和STEPS 模拟的大型商业综合体地下商业区火灾模拟与安全 疏散研究J.南开大学学报 (自然科学版) , 2017, 50 (04) :76-82. 2 李涛
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