消防灭火过程中火灾温度场研究

(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

0 引言

火灾发生过程中，消防灭火导致建筑物倒塌，造成消防员伤亡事故屡有报道。对于钢结构建筑，由于消防水冲刷引起的钢构件温度改变可能是建筑倒塌的重要原因。建筑火灾中，建筑结构构件温度升高，引起构件材料物理、力学性能发生改变。在消防灭火过程中，由于不均匀降温，构件在约束状态下产生附加应力，引起整体结构的应力重分布，导致结构倒塌。研究结构在火灾及灭火过程中的行为，必须准确地预测火场的升-降温全过程。目前，针对火灾过程中温度场及烟气已有不少研究。孙冬明等[1]通过对升-降温全过程中约束钢梁进行试验和有限元分析，发现在泼水冷却后梁表面温度骤降，梁两端轴向支撑被拉断，得出结构或构件在降温过程中也会发生破坏，甚至引起整体倒塌。杨培培等[2]采用FDS对在喷淋作用下的宿舍火灾特性进行数值模拟，得出水喷淋装置会对烟气温度和CO生成量产生显著影响。张琳等[3]对软垫家具进行全尺寸燃烧试验研究，得出燃烧过程的冷却速度及烟气层温升抑制效果与水喷淋流量有关。

选用火场模拟程序FDS (Fire Dynamics Simulator)[4]，结合一间安装有水喷淋的客厅小室，模拟小室发生火灾时，消防水压力改变对小室火灾发展过程的影响，设计了自然燃烧、0.1 MPa水压强控制、0.2 MPa水压强控制和0.4 MPa水压强控制以及改变消防水初始作用的时间等各种工况，得到一些小室热释放率、关键点温度、温度在空间的梯度分布及小室在消防水作用下的灭火、控火效果。

1 数值模型的建立

1.1 计算模型简介

选用FDS软件进行火灾发生全过程数值模拟。该计算流体力学软件在模拟火灾过程中采用大涡模拟的方式，主要模拟对象是火场中流体的运动[4]。FDS采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动N-S方程，重点计算火灾中的烟气和热传递过程[5]。喷水灭火的主要机理为直接冷却燃烧物，水滴蒸发吸收周围的热量，冷却燃烧物附近的物体并且冷却烟气层。

1.2 液滴传质模型

由于喷淋雾滴蒸发引起的质量损失方程[6]为

(1)

式中，md为液滴质量；D为水蒸气进入空气的扩散系数；Y为质量分数；rd为液滴半径；ρ为气体密度；Sh为液滴的舍伍德数，Sh由雷诺数(Re)与施密特数(Sc)的关系式确定，即Sh=2+0.6Re1/2Sc1/3；Yg为气体的质量比，可由气体质量守恒得出，Yd为液滴的质量比，由Clausius-Clapeuron方程式得到

(2)

(3)

式中，Xd为液滴水蒸气的体积分数；hv为汽化潜热；Mw为水的相对分子质量；Ma为空气的相对分子质量；R为气体常数；Tb为水的沸点；Td为液滴的温度。

1.3 液滴传热模型

燃烧烟气对液滴的对流传热与液滴蒸发所需的热量的差值即为液滴能量增量，其方程式[7]为

(4)

(5)

(6)

式中，Nu为努谢尔数；k为热传导系数；Pr为普朗特数，其中空气可取0.7；Re为雷诺数。

1.4 喷淋导致热释放速率改变模型

喷淋系统作用后，造成热释放速率改变的方程式[7]为

Q=Q0e-k1(t-t0)

(7)

式中，Q为t0时的热释放速率；k1与燃料和喷淋强度相关的系数；t0为喷淋启动时间。

1.5 燃烧室网格及参数设定

燃烧模型计算区域为5.2 m×5.4 m×3 m，环境温度设定20 ℃。火源面积为0.2 m×0.3 m，置于沙发上，其位置如图1所示，燃料为沙发及其它杂物。

所有FDS计算都必须在由网格直线组成的域内进行，任何超出模拟边界之外的物体都会在边界处被切断。为使模拟精度达到最佳，3个方向的单元格尺寸长度最好相近[8]。对网格划分比较敏感的火源附近，不同的划分方式会对计算结果造成较大影响，而远离火源的区域受其影响相对较小[9]。火源附近设定了2种划分网格的方式，分别选取网格大小为0.1 m×0.1 m×0.1 m和0.2 m×0.2 m×0.2 m进行计算，当划分网格大小为0.1 m×0.1 m×0.1 m时，所需计算时间为18 h，而网格大小划分为0.2 m×0.2 m×0.2 m时，计算时长为3 h，两种网格划分方式最后得到的关键点热释放率、温度等参数的结果基本一致。考虑到计算时间和精度的要求，在相对合理的运算时间内得到较精确的模拟结果，最后划分网格大小为0.2 m×0.2 m×0.2 m。

设定火源的热释放速率为500 kW/m2，室内初始温度为20 ℃，喷头的设置参照《自动喷水灭火系统设计规范》。根据消防水释放压力的不同，建立不同的火灾工况。本试验设置自然燃烧工况模型，压强分别为0.1 MPa，0.2 MPa，0.4 MPa的消防水作用模型，0.4 MPa消防水开始作用时间分别为火灾发生后200 s、400 s、600 s模型，其它条件都不变。喷头的位置坐标为(2.6,2.3,2.85)，温度关键点坐标为(2.6,4.4,2.9)，位于火源上方距顶棚10 cm处。

2 结果与讨论

2.1 热释放率的变化

单位时间内材料燃烧时所释放出的总热量被称为热释放速率,是衡量火灾危险程度的重要参数，它控制和影响着其它燃烧性能参数[3]。火灾形成的环境变化如火灾羽流、室内烟气温度以及烟气层的沉降速度等，很大程度上由室内火场的热释放速率控制[10]。对于火灾发展过程，一般采用热释放速率随时间的变化来表示。不同水流量下火场热释放速率随时间变化关系如图2所示。

图2 消防水作用前后室内热释放率曲线对比图

在自然燃烧情形下，室内可燃物的燃烧过程分为3个阶段，即引燃、燃烧和自然熄灭。沙发引燃后热释放速率迅速增大，在燃烧发生后的490 s，达到最大峰值4 500 kW。随后进入自然熄灭阶段，热释放速率开始下降。而在消防喷水作用时，室内家具的燃烧过程分为引燃、燃烧、喷水抑制、熄灭4个阶段。

消防水作用压力为0.1 MPa时，此时水流量为56 L/min，由图2曲线可知，火场热释放速率依然增大，但峰值明显降低。起火后550 s 时热释放率达到峰值2 400 kW，相比自然燃烧工况下降低了46%，火灾得到控制。此后在消防水的持续冷却作用下，热释放速率趋于平稳，保持在1 500 kW左右，直至900 s进入扑灭阶段，在1 050 s时基本接近0 kW，火灾被扑灭。由此可见，消防水作用对于火场的蔓延有显著抑制效果。在消防水作用后，可燃物燃烧速度减缓，火场热释放率的最大值明显降低。

当改变消防水压力为0.2 MPa时，即水流量增大至112 L/min，由热释放速率曲线可以看出，喷水后热释放速率值略有波动，总体呈现下降的趋势，在消防介入900 s左右热释放率值迅速下降到50 kW。但随后继续增大，在1 400 s时达到峰值1 800 kW后热释放速率出现再次下降，此时火灾进入扑灭阶段。这是由于水流量的增大使家具燃烧相比0.1 MPa时更快被抑制，但消防水作用范围限于房间中央，对于中间部位的沙发能够直接抑制其燃烧，而处于边部的可燃物，在燃烧发生900 s后达到引燃状态，故出现了热释放率再次增大的现象。

当水压力为0.4 MPa时，即提供流量为158.4 L/min时，热释放率的变化曲线与0.2 MPa基本一致，峰值略有下降。

对比图2中水压力分别为0.1 MPa、0.2 MPa的曲线可以看出，随着水流量加大，燃烧过程热释放率降低，火场冷却速度加快。水压力分别为0.2 MPa和0.4 MPa的两条曲线表明，水流量增加到一定值后继续增大，并不能更快地抑制火灾的发展，这是由于模拟分析中喷头位置固定，导致消防水作用的区域有限。

2.2 关键点温度变化特点

测量点温度变化曲线如图3所示。对比分析图2可知，温度曲线与热释放率曲线呈现出基本一致的变化趋势。由自然燃烧温度曲线可知在t=250 s时发生了轰燃现象，室内温度突然升高。对于自然燃烧情况，其平稳燃烧阶段的温度为400 ℃。当消防水作用压力为0.1 MPa时，轰燃后能够达到最高温度为325 ℃。当消防水作用压力为0.2 MPa时，关键点的温度先下降至室温左右，由于离喷头位置较远位置的可燃物继续燃烧，随后关键点温度又开始上升直至200 ℃。可见，单一一定流量下的固定位置的消防喷头能够有效减缓燃烧速度，但对于可燃物较多、堆放不集中的房屋不能起到立即扑灭火灾的作用。

图3 消防水作用前后关键点温度曲线变化图

2.3 消防介入时间对关键点温度的影响

实际发生火灾时，消防人员到达火灾现场开始灭火的时间不确定，通过改变消防水的初始作用时间，来模拟真实的灭火场景。图4为小室发生火灾时自然燃烧及消防水作用时间分别为火灾发生后200 s、400 s、600 s时关键点温度的变化曲线。当消防水介入时间为200 s时，关键点温度立刻下降，由于可燃物正处于轰燃阶段，温度降低幅度不大。随后出现温度再次上升，到达最大值225 ℃后开始下降，直至火灾熄灭。当消防水介入时间为400 s时，关键点温度达到最高为400 ℃，由于有消防水作用，温度立刻下降至200 ℃，可燃物继续燃烧100 s左右后火灾逐渐熄灭。而当消防水介入时间为600 s时，由自然燃烧工况下的温度曲线可知，此时室内可燃物基本燃烧殆尽，燃烧进入衰减阶段，此时消防水的作用并不明显。综上可知，消防水的介入时间对室内火灾的抑制有极大的影响效果。消防水作用于火场的时间越早，越有利于火灾的扑灭，并且能够极大程度降低火场的最高温度。

图4 消防水初始作用时间改变关键点温度变化曲线

2.4 温度在空间的梯度分布

火灾过程中，消防水介入不仅降低了室内的温度，同时也会对空间温度梯度造成影响。通过对X=2.6 m，且距顶棚10 cm处的温度场分析，得出了在自然燃烧情况下和消防水初始介入时间为200 s以及初始介入时间为400 s时的空间温度梯度分布曲线。由图5可知由于t=200 s时火灾正处于发展阶段，自然燃烧工况下顶棚的温度还未达到统一，但温度梯度分布均匀。而当消防水作用后，在消防水直接作用的位置，温度下降了100 ℃，其余位置温度基本不变。而在400 s时，如图6，在自然燃烧工况下火灾正处于平稳燃烧阶段，此时空间温度梯度平稳，在消防水作用过程中，消防水直接作用位置温度瞬间下降了150 ℃，其它位置温度变化不大，导致了空间温度梯度十分不均匀。对于构件来说，这是极其不利的。因此，在消防灭火过程中应充分考虑这一因素的影响。

图5 t=200 s时温度梯度曲线图

图6 t=400 s时温度梯度曲线图

总的来说，增加消防水压力可以使得小室内的温度降低。消防水开始介入的时间越早，对火场的抑制效果越好，火场的最高温度也最低。而由于有消防水的介入，温度在空间的梯度分布也会发生改变。在消防水直接作用位置温度急速下降到一定值，导致温度的不均匀分布。因此，消防水的介入对火灾的发展能够起到抑制的积极作用，同样也会造成室内温度分布十分不规律，在研究消防水对火灾的影响效果时应该综合考虑其两方面的作用。

3 结论

通过对消防水作用下小室火灾发展过程的模拟，研究了自然燃烧、0.1 MPa水作用控制、0.2 MPa水作用控制和0.4 MPa水作用控制以及改变消防水开始作用时间等工况。结果如下。

(1)在消防水作用下，室内温度下降十分明显。水压力为0.1 MPa时，顶棚附近关键点温度，从400 ℃降低为300 ℃；而当水作用压力增加到0.2 MPa和0.4 MPa时，关键点温度继续下降到100 ℃。但是单个水喷头对于可燃物较多的房屋火灾只能起到抑制作用，不能迅速扑灭火灾。

(2)火灾发生后消防水开始作用的时间不同，其对火灾发展产生的抑制效果也不一样。消防介入时间为200 s时，室内能达到最高温度为225 ℃；消防介入时间为400 s时，室内能达到的最高温度为400 ℃；消防介入时间为600 s时，此时消防水的作用对火灾燃烧状况几乎不产生影响。

(3)在消防水作用下，会导致室内温度梯度分布极其不规律。无消防水作用时，火场处于发展阶段和平稳燃烧阶段顶棚空间温度梯度分布均匀；消防介入后，在消防水直接作用的位置，温度急速下降，相邻区域温度变化不大，导致其与相邻位置的温度差值陡增，即出现温度梯度分布极不规律现象。这对结构来说是极其不利的因素，故研究消防情况下的火灾时应充分考虑这种不利情况。