窗户开闭对办公室火灾烟气模拟的影响研究

0 引言

火灾是一种失去控制的燃烧，相较于水灾、风灾、地震等危害，其影响面更广，发生概率更高。近年来，每年发生的各类火灾数以百万计，每年都有数万人死于火灾[1]。目前，随着城镇化水平的提升，建筑火灾已成为城市面临的主要灾害之一，特别是人员工作密集的办公室。因此，研究基于办公室内的火灾烟气发展、流动规律，对防范和控制类似火灾发生及制定相应应急逃生措施具有重要现实意义。

本文基于FDS（Fire Dynamics Simulator，火灾动力学模拟软件），以某办公室为研究对象，采用数值模拟的方法系统研究该类办公室发生火灾时的烟气运动规律，并从FDS 数值模拟应用流程出发，运用火灾研究的基本模型、FDS 求解基本方程、大涡模拟法和办公室火灾场景设定等内容[2]，建立了描述火灾现象的数值模型，运用火灾动力学模拟软件FDS 重点模拟了火灾发生时办公室内火灾所产生的烟气蔓延及流动规律。同时，以烟气带来的能见度、CO 浓度和火灾温度场为指标，对办公室的火灾危险性进行定性、定量的预测与评估[3]，希望能够为防范和控制类似火灾的发生及制定应急逃生措施提供理论支持。

1 办公室数值模拟模型建立

1.1 物理模型建立

图1 简化模型

第一，本文选取某办公室为实体参照物，该办公室长为6.6 m，宽为7.2 m，高为2.7 m，内部有3 个沙发，1 个茶几，1 个衣柜，1个办公桌，1 个窗户，设立的简化模型如图1 所示。

第二，在设定的模型中设置了温度、烟气浓度、能见度切片，各切片设置在火灾发展最快的火源附近，分别在Z= m 处（Z表示模拟室内模型中从地面到设置切片的高度）。同时，为了在模拟条件下选择合适的网格保证计算精度的同时提高计算效率[4]，最终，办公室都以50 mm 网格作为计算网格。

图2 温度切片

图3 模拟效果图

图4 温度、CO 和能见度切片随时间变化统计图

1.2 模型的边界条件

通过分析预测烟气的流动状态并获得有关火灾的热动力学参数，可以用于验证本建筑内的消防设施能否阻止火灾烟气达到影响人员疏散安全的极限值。本文针对之前设定火灾场景，将运用模拟软件对建筑内烟气运动情况进行模拟预测，并在模拟计算时采用如下假设：

1）火源位置：设定办公室火源为沙发；

2）房间：高2.7 m；

3）温度条件：室内外温度相同均为20℃；

4）消防条件：无机械排烟和自动喷水灭火系统；

5）假设火源：火源发展根据之前分析的火灾增长规律设定；

6）燃料类型：聚氨酯混合物材料；

7）模拟时间：600 s；

8）物体表面：绝热惰性[5]。

2 办公室火灾数值模拟分析

2.1 办公室关窗火灾数值模拟过程

封闭空间办公室从火源发生开始到结束，设置Z=2.0 m 的温度切片如图3 所示。其中，温度由低到高的逐渐变化，以蓝色至红色的变化表示，温度临界值60℃以黑色表示。由图3 可知，封闭空间办公室模拟从火源发生开始到结束，模拟持续时间T=164 s 时，温度开始 达 到60 ℃；T=235 s 时，温 度大面积达到60℃及以上；T=287 s时，温度全部高于60℃。另外，烟气变化是先向上升，然后大致沿着Z=2.0 m 蔓延，最后向两边蔓延。

图5 办公室开窗与关窗温度切片对比

图6 办公室开窗与关窗CO 切片对比

图7 办公室开窗与关窗可见度切片对比

同理分析CO 切片和能见度切片可得到，CO 切片在T=213 s 时，开始达到临界值225 ×10-6；T=268 s时，CO 大面积达到225 ×10-6及以上；T=282 s 时，CO 全部高于225 ×10-6。能见度切片在T=56 s 时，可见度开始达到临界值5 m；T=101 s时，可见度大面积达到5 m 以下；T=115 s 时，可见度全部低于5 m。计算模拟结束，烟气全部充满房间时的模拟效果图如图3 所示。

2.2 模拟结果及其分析

根据温度、CO 和能见度切片随时间变化情况（如图4）可以看出，温度、CO 浓度及可见度“大面积到达临界值”至“全部高于临界值”的时间，相比于“达到临界值”至“大面积达到临界值”的时间要短。简单来说，即火灾发生时，各项指标“大面积达临界值”的过程，前半段较为缓慢，而到后半段则较为迅速。

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