通風條件對受限空間回燃的影響分析范文

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摘要：利用FDS對不同通風條件下受限空間的回燃過程進行數(shù)值模擬。通過對比不同通風口高度、寬度及位置等條件下的熱釋放速率、熱煙氣層溫度等參數(shù)的發(fā)展變化，分析通風條件對受限空間回燃的影響。結果表明：通風口寬度對受限空間回燃基本沒有影響，但通風口高度對回燃的影響顯著，當高度不大于0.6m時回燃難以形成；當受限空間存在阻礙空氣流動的障礙物時，通風口位于中部位置不易形成回燃，若障礙物不阻礙空氣流動則角部位置不易形成回燃。建議消防員在對臥室類房間進行滅火救援時，在中部位置破拆寬度較大但高度不大于0.6m的孔洞。

關鍵詞：受限空間；回燃；通風條件；溫度

回燃是建筑火災發(fā)展過程中的一種特殊燃燒行為。當受限空間的通風條件有限時，火災會因新鮮空氣的供給不足而進入缺氧燃燒狀態(tài)，但可燃物會繼續(xù)熱解或氣化，使受限空間內存在大量可燃氣體。一旦受限空間的通風狀態(tài)改變，新流入的空氣會與可燃氣體混合發(fā)生劇烈燃燒，受限空間發(fā)生回燃并導致溫度和壓力在短時間內迅速上升。由于回燃具有突發(fā)性以及強破壞性等特點，會對火場人員特別是消防救援人員的生命安全造成嚴重威脅。因此，對回燃現(xiàn)象的研究具有重要的現(xiàn)實意義。近年來，國內外研究人員對受限空間回燃進行了一定程度的研究，主要集中在對回燃前重力流的形成過程、回燃的非線性動力模型、決定回燃的關鍵因素和臨界條件以及回燃的抑制技術等方面，而對不同通風條件下受限空間回燃方面的研究較少。筆者基于FDS火災動力學分析軟件，建立典型受限空間數(shù)值分析模型，研究不同通風口高度、寬度與位置等因素對回燃現(xiàn)象的影響，得到回燃的臨界通風條件，并為消防人員處置該類事故提供參考。

1數(shù)值分析

模型采用FDS軟件中的大渦模擬方法模擬受限空間的回燃。FDS軟件中的熱解模型可模擬受限空間內可燃物的熱解及可燃氣體的積聚過程，同時該軟件可模擬通風條件的突變，從而實現(xiàn)對重力流形成及回燃發(fā)生過程的模擬。研究對象選擇為典型的臥室房間，幾何尺寸為3.0m×3.0m×3.0m。為更接近真實情況，在房間一側壁近墻角位置開設0.8m×2.0m的門，同時，在房間內放置2.0m×1.8m的雙人床及厚度為0.2m的床墊作為可燃物，并將點火源設置在床墊中心位置。房間內外部的初始壓力均為0.1MPa，初始溫度均為20℃。基于上述場景，采用FDS建立數(shù)值分析模型，如圖1所示。作為燃料的床架和床墊均采用FDS中的熱解模型進行模擬，通過設置木材、泡沫以及編織物等材料的熱解和熱屬性參數(shù)，使軟件根據(jù)其接收到的熱量自動計算可燃氣體量及熱釋放速率。房門的開啟及點火源的移除通過FDS中的計時器控制功能實現(xiàn)。在房間內不同位置、不同高度處分別設置溫度、氧氣濃度及二氧化碳濃度測點，以測量火災發(fā)展過程中相關參數(shù)的變化情況。此外，為了更準確地模擬受限空間的流場流動情況以及火災燃燒行為，將整個計算區(qū)域向房間外拓展至6.5m×4.0m×5.0m。房間內部的網(wǎng)格尺寸采用0.05m×0.05m×0.05m，房間外部的網(wǎng)格尺寸采用0.1m×0.1m×0.1m，以同時滿足計算精度與效率的要求。為了研究通風條件對受限空間回燃的影響，通過改變通風口的寬度、高度以及位置，共設置12個火災場景，見表1所示。參考《中華人民共和國消防法》中關于消防車到達火災發(fā)生地點的時間不得超過5min的規(guī)定，并結合相應的數(shù)值試算結果，偏保守地設定所有火災場景通風口的開啟時間均為5min。

2結果討論與分析

2.1回燃過程分析

以真實門開口下的火災場景（場景1）為例，基于FDS數(shù)值模擬結果，分析受限空間的回燃形成過程。圖2顯示了受限空間從火災初始階段至回燃形成的全過程。從圖2可以看出，點火源引燃床墊后，由于房間通風孔隙以及初始空氣的存在，火災迅速發(fā)展。然而，由于房門處于關閉狀態(tài)，火災逐漸進入缺氧燃燒階段，火焰逐漸熄滅，但床墊在高溫作用下繼續(xù)熱解并釋放出大量的可燃氣體。5min后房門突然打開，新鮮空氣以重力流的形式進入房間，與可燃氣體混合并發(fā)生劇烈燃燒，回燃發(fā)生并伴隨著噴射火球的產(chǎn)生。圖2受限空間回燃發(fā)展過程受限空間內火災的熱釋放速率、熱煙氣層溫度以及氧氣、二氧化碳質量分數(shù)隨時間的發(fā)展變化曲線，如圖3、圖4所示。由圖可知，床墊被引燃后在通風受限的室內燃燒，熱釋放速率迅速升高并于約120s達到最大值400kW，此時房間上層熱煙氣層溫度達到約400℃，而氧氣質量分數(shù)下降至約10%，達到了常見火災模型中設定的氧氣質量分數(shù)下限。此后，火災進入缺氧燃燒階段，熱釋放速率和溫度迅速下降。當房門于300s突然開啟后，受限空間發(fā) 生回燃，熱釋放速率突升至一較大值后又因燃燒速度的降低而迅速下降，而煙氣層溫度在較短時間延遲后迅速升至約396℃。同時，氧氣與二氧化碳的質量分數(shù)達到新的峰谷值，但變化速率與熱釋放速率和溫度相比更為緩慢。此后，在良好的通風條件下，可燃物進一步燃燒，熱釋放速率與溫度進一步增大。

2.2通風條件對回燃的影響

基于設置的火災場景，進一步研究不同通風條件對受限空間回燃的影響。首先分析通風口高度變化對回燃形成過程的影響。圖5給出了不同通風口高度下，受限空間熱煙氣層溫度隨時間的發(fā)展變化曲線。由圖5可知，各曲線均能反映出整個燃燒過程的溫度變化情況。火災初期及缺氧燃燒階段，由于各場景的初始條件一致且房門均處于關閉狀態(tài)，溫度變化曲線基本重合，通風口高度變化的影響體現(xiàn)在通風條件突變后。對于通風口高度不小于1.2m的工況，通風口開啟后受限空間均發(fā)生了回燃，熱煙氣層溫度在很短的時間內大幅上升，且峰值均在400℃以上。對于通風口高度等于0.8m的工況，雖然通風口開啟后溫度的上升速率相對緩慢，但也基本符合固體類物質的回燃特征。因此，偏保守地認為此種通風條件下回燃也會發(fā)生。然而，對于通風口高度不大于0.6m的工況，通風條件改變后未見明顯的溫度突變，說明受限空間內僅發(fā)生局部燃燒而未發(fā)生燃爆，該通風條件下不會形成回燃。綜合上述分析，通風口高度變化對受限空間回燃的影響顯著，當高度不大于0.6m時，回燃難以發(fā)生。針對未形成回燃的通風口高度，設置火災場景5~10，分析通風口寬度變化對受限空間回燃的影響。圖6分別給出了高度為0.4、0.6m時，不同通風口寬度下受限空間熱煙氣層溫度隨時間的發(fā)展變化曲線。從圖6可以看出，對于H=0.6m的工況，隨著通風口寬度的增大，通風口開啟后熱煙氣層的升溫速率并未出現(xiàn)顯著變化，寬度變化的影響體現(xiàn)在通風口開啟一段時間之后，說明通風口寬度的增大并未導致受限空間發(fā)生回燃，僅是因流入的空氣量增多而使再次燃燒時的熱釋放速率及溫度增大。對于H=0.4m的工況，由于通風口高度相對較低，能進入受限空間內的新鮮空氣量較少，因此通風口開啟后，不論是溫度上升速率還是再次燃燒時的溫度基本均未隨通風口寬度的增大而出現(xiàn)變化。綜上可知，通風口寬度變化基本不會對受限空間內回燃的形成產(chǎn)生影響。為了進一步分析通風口位置對回燃的影響，對通風口位于房間側壁中心位置的火災場景進行數(shù)值模擬，并將得到的受限空間熱煙氣層溫度變化曲線與通風口位于角部的模擬結果進行對比，如圖7所示。由圖7可知，當通風口位于中部時，通風條件突變后熱煙氣層的升溫速率小于通風口位于角部的場景，尤其對于發(fā)生回燃的工況（H=0.8m），升溫速率的差異更為顯著。因此，可認為當通風口位于中部時，受限空間不易發(fā)生回燃，這是因為新鮮空氣從中部通風口處流入時受到了床體的阻礙，導致空氣與可燃氣體的混合程度低于通風口位于角部的場景，從而使回燃更難形成。同理，若受限空間內的障礙物不會阻礙空氣流動，由于角部通風口處流入的空氣會因側墻的限制作用而流動受阻，從而使得通風口位于角部時回燃更難形成。綜上分析，對于臥室類受限空間，當通風口高度不大于0.6m時，起火房間難以形成回燃，且通風口寬度對回燃的形成基本沒有影響。此外，考慮到臥室房間內往往存在較多的障礙物，角部通風口比中部通風口更容易形成回燃。因此，消防官兵在滅火救援過程中若需對該類房間進行破拆，應盡可能選擇墻壁的中間位置，開設寬度較大而高度低于0.6m的孔洞，從而最大限度地降低受限空間發(fā)生回燃的可能性。

3結論

利用FDS建立數(shù)值模型，對受限空間的回燃過程進行模擬，在此基礎上，進一步研究通風口高度、寬度以及位置等因素對回燃的影響，并結合消防員在滅火救援過程中的處置行為，得到如下結果：（1）通風口高度變化對受限空間回燃的影響顯著，當通風口高度不大于0.6m時，受限空間內難以形成回燃，而通風口寬度變化基本不會影響受限空間回燃現(xiàn)象，僅影響再次燃燒后的火災行為。（2）當受限空間內存在阻礙空氣流動的障礙物時，通風口位于角部位置時易形成回燃，但當受限空間內的障礙物不會阻礙空氣流動時，反而會因側墻對空氣流動的限制作用使得通風口位于角部時回燃更難發(fā)生。（3）消防員在進入相對封閉的空間進行滅火救援前，應首先了解空間內障礙物的分布情況。在無法了解內部布置的情況下，對于臥室類房間應選擇房間中部位置進行破拆，破拆孔的寬度可盡量大但高度不宜大于0.6m，從而在保證滅火救援空間的前提下，最大限度地降低受限空間的回燃風險。

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作者：陳曄 劉晅亞 單位：公安部天津消防研究所