侧壁开口形状对受限空间火灾发展影响的研究

赵晓阳

(山西省消防救援总队太原支队晋源区大队，山西 太原 030000)

1 概述

随着社会文明的进步，建筑的门窗样式也越来越多，而门窗除了日常采光、通风外，在火灾时还可以作为自然排烟以及消防救援通道使用，其开口形状，一定程度影响火灾发展走势。火灾的燃烧方式分为燃料控制型和通风控制型燃烧，火灾初期一般是燃料控制型燃烧，随着时间推移，转化为通风控制型燃烧[1]。通风控制型燃烧最大的影响因素为氧气进量，不同的门窗开口，空气进量情况也不相同[2]。笔者利用FDS火灾模拟软件建立空间模型[3]，通过模拟火灾实验的方法，分析侧壁不同形状的开口情况下试验空间内的温度和热释放速率的变化。

2 研究模型建立

2.1 建立侧壁开口实验箱

根据研究需要，本文在FDS环境中建立一个1.8 m×1.2 m×1.2 m的侧壁开口实验箱，内壁为绝热，实验箱温度设定为22 ℃，忽略外界风压因素的影响，外界风速为0，大气压设定为101.3 Pa，网格大小为0.03 m×0.03 m×0.03 m。实验箱正中心设置0.6 m×0.6 m的正方形火源，除侧壁开口外实验箱均为绝热。实验箱模型图如图1所示。

2.2 测点切片设定分布

实验箱内设置14个温度测点，分设在火源和靠正面壁面的正中，以及火源和靠侧壁开口壁面正中，以0.15 m为间隔，从距地面0.15 m起自下往上分别设置7个温度测点，用于测试比对实验箱中的平均温度，在实验箱中测点的分布如图2所示。

在实验箱内设置一个风速切片和一个温度切片，两切片处于同一位置，正对侧壁开口，正切于X轴，位于火源到侧壁的中间部位，两切片位置如图3所示。

2.3 设定火源

火源设置在实验箱正中心，火源长宽为0.6 m×0.6 m，距地面高度为0.03 m，单位面积热释放速率设1 000 kW/m2。经公式计算实验箱内热释放速率360 kW。

3 不同的侧壁开口形状对受限空间火灾发展影响研究

3.1 场景设计

3.2 温度分析

经过FDS模拟运算过后，将每个工况的7个温度测点的数据参数做平均处理，得到时间-温度变化曲线对曲线再做拟合，如图4所示。

从6张时间-温度曲线图可以看到，模型实验箱中温度的变化规律相同，都是短时间内测点温度达到峰值，再回落至凹点，随后再上升并趋于相对稳定。分析可知，在凹点之前属于燃料控制型燃烧，之后属于通风控制型燃烧。分别对6个工况的通风控制阶段数据(即凹点至300 s间的数据)进行处理，得到6组平均值，其中，X1工况从36.6 s开始到300 s的温度平均值为260.6 ℃，X2工况从27.9 s开始到300 s的温度平均值为338.6 ℃，X3工况从27 s开始到300 s的温度平均值为371.4 ℃，X4工况从27.3 s开始到300 s的温度平均值为401.3 ℃，X5工况从18.3 s开始到300 s的温度平均值为425.9 ℃，X6工况从18.6 s开始到300 s的温度平均值为449.6 ℃。最大值和最小值的差值为189 ℃，6组温度平均值为374.6 ℃，对平均值做均方差处理得62.3。

将6组温度平均值绘制于坐标轴中，从图5中可以看出，X1～X6模型的温度平均值处于逐步上升中，试验箱的条件除了开口的宽度和自身的高度，其余条件基本不变，因此影响温度平均值变化的主要因素可确定为开口宽度和自身高度。

3.3 风速分析

在试验中做的风速切片，挑选较为稳定上升的X2～X5四组，取150 s时的风速图如图6所示，从图6中可以看到，同一时刻不同开口尺寸的风速不同，并且开口越窄风速越大，风速越大导致冷空气进入速度越快，补充燃烧越充分。

3.4 热释放速率分析

对6种工况时FDS模拟得到的热释放速率数据进行处理，得到6组时间-热释放速率的变化曲线，再拟合数据调整曲线，每隔20个点做拟合处理得到一条平滑的曲线，得到的曲线如图7所示。可以看出，热释放速率在非常短的时间内上升到最大值，而后经过陡降至曲线凹点，再逐渐上升至较稳定区域做小幅度波动。

同理，提取凹点至300 s的热释放速率的数据，每一组数据分别做平均处理得到一个平均热释放速率，并做对比分析。其中，X1工况从20.7 s开始到300 s的热释放速率平均值为155.9 kW，X2工况从22.2 s开始到300 s的热释放速率平均值为199.3 kW，X3工况从21.9 s开始到300 s的热释放速率平均值为204.3 kW，X4工况从25.5 s开始到300 s的热释放速率平均值为213 kW，X5工况从26.1 s开始到300 s的热释放速率平均值为220.7 kW，X6工况从28.8 s开始到300 s的热释放速率平均值为242.1 kW。最大值和最小值的差值为86.2 kW，六组热释放速率平均值为205.9 kW，对平均值做均方差处理得26.2。

分析得出，X1～X2差值较大，X2～X5属于平稳上升，X5～X6差值也较大，总体趋势是上升趋势。分析得出，当开口的宽度减小，且开口自身高度同时增加的时候，风速变化规律为越来越大，因此试验箱中燃烧变得充分，火焰传播速度也变快，试验箱中热释放速率也越大。

4 结论

采用FDS数值模拟的方法，经过模拟实验，测绘了温度和热释放速率的曲线图并以之寻找规律，得到了以下结论：保证在开口因子的数值不变的情况下，改变侧壁上开口的形状，温度和热释放速率都是经过一个急剧上升阶段，然后趋于稳定。观察做出的平均温度曲线图和平均热释放速率图，发现开口的宽度越低，开口自身的高度越大，室内火灾的温度和热释放速率越高。