基于Pyrosim的航站楼火灾差异化喷淋系统仿真

宋 洋，姜红肖

(1.中国民航大学公共管理学院，天津 300300；2.中国民航大学经济与管理学院，天津 300300)

《国家综合立体交通网规划纲要》提出，到2035年，国家民用运输机场达到400个左右，“十四五”新增民用运输机场30个以上[1]。民用机场航站楼作为集各种功能为一体的现代化旅客运输载体，消防安全问题成为日益关注的重点。

航站楼若发生火灾，空间纵向深，竖直高度长，将会造成一氧化碳(CO)等有毒有害气体的迅速累积和大量辐射热的释放，将会直接危及航站楼内人员的生命财产安全。如果能够模拟火灾演化过程，了解火灾发展变化规律，将对后续采取有效措施预防控制航站楼火灾尤为重要。

张立茂等[2]利用火灾动力学模拟器(fire dynamics simulator，FDS)建立火灾仿真模型，通过对烟气浓度、CO浓度和能见度分析确定安全疏散时间临界值，基于Pathfinder进行人员疏散。梅甫定等[3]通过FDS+EVAC模拟隧道在有无安装自动喷水灭火系统下的火灾发展变化情况。梁永健等[4]通过FDS+EVAC软件建立宿舍起火优先疏散方案。张青松等[5]通过FDS+Pathfinder软件建立飞机客舱火灾模型，来仿真评估各型飞机防火性能。刘芳等[6]使用FDS软件，模拟古建筑在不同情况下的火灾蔓延过程，分析不同位置热释放速率、热电偶温度、烟气流动蔓延情况，研究古建筑的火灾蔓延规律。Tsukahara等[7]以地铁车站建立火灾FDS模型，评估烟雾、温度和有毒气体对地铁车站疏散楼梯的影响情况，并提出新的与烟流方向相反的经验证更安全的下行疏散路线。Byström等[8]利用FDS软件对假设的环境温度进行火灾数值模拟，研究环境温度对火灾的影响，探讨火灾的发展变化和温度分布，对仿真模拟结果与实际情况进行差异化分析。Arunnvinthan等[9]针对事故场景范围的火灾风险建模，用两种不同的火灾模拟方法，固体火焰模型和计算流体动力学模型评价火灾场景，比较两种方法的结果，确定火灾风险建模的准确性。

以上研究多是利用火灾仿真软件进行人员疏散和仿真之后部分指标分析，对于火灾模型的精细化建立、仿真分析以及有无喷淋对各项指标的影响研究很少。现提出航站楼火灾场景下的有无喷淋系统的火灾仿真，结合排烟设施运行等综合因素对火灾发展变化中的烟气层高度、能见度、热辐射温度进行全面综合分析，实现航站楼有喷淋与无喷淋的差异化方案，评估不同火灾仿真方式的影响。

1 火灾模拟软件介绍

1.1 FDS及其应用

由场模型为理论基础编制的专用火灾模型软件 FDS是以火灾中烟气运动为主要模拟对象开发设计的计算流体力学软件，主要用于火灾中烟气流动和热传递过程的数值模拟，例如，烟气控制设计、探测器启动时间研究和火灾重构。

FDS软件是火灾模拟领域应用最广泛的软件，火灾模拟功能丰富，包括消防工程常用的火源设置、热解模型、燃烧模型、水喷淋系统、报警器模拟和逻辑控制，同时丰富的后处理软件Smokeview能计算输出许多和火灾有关的计算结果。

1.2 Pyrosim简介

Pyrosim是专门为FDS开发的建模软件，以流体动力学为依据，可以快速准确地建立复杂火灾模型，预测烟雾浓度、烟气层高度、热辐射量和其他物质在火灾过程中的发生发展规律，可以调用FDS进行模拟计算，并可以采用Smokeview或Pyrosim results查看火灾模拟结果。

1.3 候机厅模型建立

以中国东部地区某大型机场航站楼为原型，建立航站楼东南指廊候机厅的三维模型。如图1所示，该区域建筑长160 m，宽30 m，高8 m，面积为38 400 m2。由于空间较大，想要仿真效果更真实精确，把模型空间划分为3个区域，采用多重网格设置，火源附近采用0.25 m×0.25 m×0.25 m大小的网格，两侧依次采用0.5 m×0.5 m×0.5 m，1.0 m×1.0 m×1.0 m大小的网格过渡，并进行敏感性验证，最终共100 224个大小合适的网格。

该区域设有7个宽1.6 m、高2.5 m的登机口，其中西侧3个、东侧4个都与廊桥相连，廊桥外侧是停机坪。候机厅内部东西两侧有书店、服装店、化妆品店、候机座椅等，北侧与航站楼中央大厅相连，南侧封闭。

1.4 火灾烟气流体力学控制方程

质量守恒方程[10]为

(1)

动量守恒方程[11]为

(2)

热辐射量传递[11]为

σS(X,λ)Iλ(X,S)+B(X,λ)+

(3)

能量守恒方程[12]为

(4)

在火灾发展变化过程中，反应物遵循燃烧发展变化规律[12]。

2 航站楼候机厅FDS火灾模型构建

2.1 起火场景假设

火源热释放速率方程[13]为

Q=α(t-t0)2

(5)

式(5)中：Q为火源热释放速率，kW；α为火灾增长系数，kW/m2；t0为开始有效燃烧所需的时间。通常不考虑火灾的前期酝酿，则火源热释放速率方程[13]简化为

Q=αt2

(6)

依据火灾“中庭”和最不利原则，假设模拟候机厅书店内书籍着火，火势从阴燃到明火再到剧烈燃烧，产生大量高温浓烟向顶棚聚集并向四周蔓延，同时由于航站楼防火分区的设定和自然排烟与机械排烟的运行，烟气累积缓慢。由表1可得，书籍起火以t2快速火的形式燃烧，α为0.046 89 kW/m2。由表2可得，假设书店设有喷淋，则最大热释放速率选取3.0 MW[13]，由式(8)可计算出达到3.0 MW所需时间为253 s，假设书店没有设置喷淋，则最大热释放速率为10 MW，则达到最大热释放速率时间为461.8 s。

(7)

(8)

表1 对应于t2火灾的各类可燃物Table 1 Various combustibles corresponding to t2 fire

表2 火灾稳态热释放速率Table 2 Fire steady state heat release rate

2.2 自动喷淋系统设计

根据《自动喷水灭火系统设计规范》(GB50084—2017)的要求，当民用建筑或工业厂房中最大净空高度不超过8 m的高大空间场所，属于中危险Ⅱ级的候机厅可选择喷水强度为8 L/(min·m2)的自动喷水灭火系统，喷头间距为1.8～3.0 m[14]，但综合考虑经济性与实用性指廊候机厅安装喷头间距3 m×3 m，距顶部高度也是3 m，同时设置消防联动控制系统，达到触发温度68.33 ℃，喷淋系统自动开启工作。

2.3 防烟分区划分

依据工业建筑防烟分区的要求，表3对于航站楼净空高度大于6 m，则指廊将候机厅划分为3个防烟分区即3个区域，从南向北设定长边依次为0～50 m(第一防烟分区)，50～110 m(第二防烟分区)，110～160 m(第三防烟分区)。

表3 工业建筑防烟分区的最大允许面积及长边最大允许长度Table 3 The maximum allowable area and the maximum allowable length of the long side of the smoke-proof zone of industrial buildings

2.4 排烟系统设计

依据《建筑设计防火规范》(GB50016—2014)的要求，建筑面积大于300 m2且经常有人停留或者可燃物较多的地上房间应设置自然排烟和机械排烟[15]，同时根据航站楼高大空间自然排烟系统主要设计原则和控制指标，自然排烟窗口面积约占自然排烟区水平投影面积的2%[16]，假定每个防烟分区4个自然排烟窗口，则每个排烟窗口面积依次约为7、9、7 m2。

对于机械排烟，使用联动控制系统，当感烟探测器探测烟气，排烟机将开始工作，通常机械排烟量应按建筑中最大的防烟分区面积设计排烟量，故以≥120 m3/hm2排烟量为例进行计算[17]，由于候机厅最大防烟分区(第二防烟分区)面积为1 800 m2，排烟管道内排烟总量计算为：1 800×120=216 000 m3/h。

根据《建筑设计防火规范》，假设一个防烟分区两个机械排烟口的排烟量：216 000 m3/h/2=108 000 m3/h计算，由于排烟口的风速应小于等于10 m/s，那么排烟口面积为108 000/(2×3 600×10)=1.5 m2，同理可得第一，第三防烟分区的排烟口面积为1.25 m2。候机厅顶部采用自然排烟，侧面采用机械排烟的方式，同时合理布置自然排烟窗口与机械排烟窗口之间的距离。

2.5 FDS火灾模型建立

如图2所示，在东西两侧登机口以及3个防烟分区和书店外侧附近2.5 m处布置能见度探测装置；在同样位置从2.5 m处开始垂直间隔每1.2 m设置热电偶探测装置，用于检测烟气温度随时间变化情况；在东西两侧登机口和3个防烟分区以及书店外侧设置垂直0～8 m高度烟气层高度探测设置；在3个防烟分区从2.5 m开始垂直间隔1.2 m布置测量热辐射温度变化的感温探测器；与感温探测器同样位置高2.5 m处设置感烟探测器用于测量烟气浓度变化。

图2 指廊候机厅各区域探测设备布置Fig.2 Layout of detection equipment in each area of the corridor terminal

3 航站楼候机厅差异化FDS火灾模型仿真

对FDS火灾场景在Pyrosim软件下针对两种场景进行仿真，假设火灾仿真模拟运行时间均为1 200 s[18]，场景一仿真是在没有喷淋系统的条件下，场景二仿真是在喷淋系统正常工作的条件下；机械排烟，自然排烟在两种仿真下都能正常工作，各区域布置的感烟探测器、感温探测器、热电偶、温度切片、烟气层高度和能见度均正常工作。Pyrosim软件模拟运行得到两种不同的火源热释放速率变化情况、烟气浓度变化情况、能见度变化情况以及自动喷淋运行情况等，后期通过Smokeview来查看火源燃烧过程、温度场、烟气蔓延情况。

3.1 喷淋系统运行情况分析

图3显示了在场景二下的喷淋系统的运行情况。由分析可得，在火势发展初期大约220 s右边东侧的E1喷淋就达到触发温度，开始启动工作，随后右边西侧W1也开始工作，这是因为起火点右侧距离自然排烟口较近，空气及时流通，火势变大温度升高较快同时火焰向右侧偏离，则距离自然排烟口较近的喷淋E1首先开始喷水降温，周围环境促使火势逐渐变大喷淋W1紧随其后也达到温度开始喷水，由于喷淋头开始工作并且伴随高温热烟的缓慢排出，喷淋头附近温度便出现波动，另外两个喷头也由于机械排烟、自然排烟和喷淋E1、W1的工作，温度出现下降，始终没能达到触发温度。

图3 场景二喷淋系统运行与温度变化Fig.3 Scenario 2 sprinkler system operation and temperature changes

3.2 火源热释放速率分析

由图4可知，场景一、场景二的热释放速率曲线和前面计算好的时间高度吻合。火源前期，由于书店中纸质、木质等材料极易燃烧，同时空气中的大量氧气以及可燃物为火势快速发展提供了物质基础，所以热释放速率曲线快速增长；随着火势逐渐变大，当到达设定触发温度，场景二中由于喷淋系统前后的开启和空气流动，部分烟气会从自然排烟口和机械排烟口排出，中期减缓了火灾的稳定燃烧，所以热释放速率曲线出现下降；场景一中由于没有喷淋系统的运行，热辐射温度不能得到快速降温周围烟气的热量也只能依靠机械排烟和自然排烟，所以中后期热释放速率一直维持在10.0 MW/s。

3.3 烟气层高度变化分析

当航站楼发生火灾时，烟气层高度是影响人员能否安全疏散和消防救援的重要因素。表达式[19]为

Hc=1.7+0.1Hb

(9)

式(9)中：Hc为对人员构成危险的临界高度，m；Hb

图4 指廊候机厅热释放速率曲线Fig.4 Heat release rate curve of corridor terminal

为建筑物顶棚高度，m。由式(9)可得对人员构成危险的临界高度Hc=2.5 m。

图5是对FDS运行数据进行的有代表性的场景一、场景二下的烟气层高度变化曲线图。通过式(9)计算出的理论危险值为2.5 m。图5(a)中，靠近南侧封闭处，又在两个自然排烟口差不多中间位置，相比较场景一中由于没有喷淋系统降温和抑制烟气作用，烟气快速聚集并蔓延迅速下降，之后并一直处于波动状态，但都没有达到临界值，而场景二中烟气高度在中期开始下降，下降高度距离危险临界值也相差很多，后期也一直处于顶部；图5(b)中，在场景二下的烟气一直在顶部蔓延，没有下降所以构不成威胁，而在场景一下由于热释放速率和喷淋运行的不同，在中后期烟气下降并一直徘徊在3～5 m；图5(c)中，由于靠近入口处，为烟气蔓延提供了条件，场景一在仿真中期烟气急剧下降到危险临界高度，之后又一直在危险临界高度波动，一直在后期由于排烟系统烟气在临界值以上，而在场景二的情况下由于火源热释放速率本身比较小同时喷淋系统的及时开启和排烟系统的工作使得烟气累积缓慢并且烟气并没有蔓延到入口处。

3.4 能见度变化分析

美国《消防工程手册》对能见度的安全疏散临界判别定为13 m[20]。而澳大利亚《消防工程师指南》对空间不同大小的能见度进行了更细致的研究，如表4所示，本文模拟的指廊候机厅高度在8 m，建筑面积38 400 m2，属于大空间，人员较多且消防救援人员大多不熟悉建筑环境。因此，现将能见度临界值设定为10 m。

表4 大、小空间人员熟悉情况能见度临界值Table 4 Critical value of visibility for personnel familiar with large and small spaces

图6中，选取了3种差异性较大的在不同场景下的能见度变化情况。对于图6(a)，在场景一的情况下，在600 s之后能见度都在临界值以下，且能见度越来越低，而在场景二中，即使在中期能见度也开始下降，但是只有在少数时间点低于临界值，除却排烟情况使得悬浮颗粒物以及烟气的排出，还有喷淋开启对于燃烧过程中化学产物的抑制；对于图6(b)，场景一中400 s之后能见度就一直处于危险之中，相反场景二的能见度就一直在危险临界值之上；对于图6(c)，场景二中能见度一直没有变化，处于安全范围之内，是由于烟气蔓延较缓，在仿真时间中，有毒有害气体未能到达中央大厅连接处的门口，有赖于排烟系统的和消防喷淋系统的及时运行。综上，场景一中能见度对于人员疏散有较大影响，不符合安全条件。

3.5 烟气温度变化分析

通过热电偶以及温度探测器和温度切片，图7(a)、图7(b)是在区域一、三、书店西门外侧和中央大厅门口探测到温度，无论在场景一还是场景二，探测得到的2.5 m处的空气温度都在27 ℃以下，不会对人员疏散产生影响。而其他探测到的温度也都低于危险临界值。

图5 烟气层变化曲线Fig.5 Smoke layer change curve

图6 能见度变化曲线Fig.6 Visibility change curve

图7 烟气温度时间变化Fig.7 Time change of flue gas temperature

4 结论

(1)基于Pyrosim的民用机场航站楼FDS模型，通过对火源热释放速率，能见度、烟气层高度、热电偶、感温感烟探测器，排烟系统运行以及有无喷淋系统的设计，较准确地模拟了考虑喷淋系统及不考虑喷淋系统不同情况的航站楼候机厅书店起火运行场景，实现了火灾的精细化仿真。

(2)通过对比不同的火灾仿真运行场景，对两种场景运行出的数据进行了直观的图片展示以及深入的比较分析，模拟了喷淋系统的降温以及对烟气蔓延的抑制作用，与不考虑喷淋系统工作相比较，火灾场景中的能见度、烟气层高度等要素均有明显改变。更真实地反映了现实中航站楼的火灾发展变化规律。

(3)通过此次航站楼火灾仿真，得出了高大空间建筑内发生火灾，通过喷淋系统的运行可以很好地遏制火灾发展。

(4)基于本研究成果，可为后续深入研究人员疏散以及应急救援提供更可靠的理论依据。