某教学建筑地下车库火灾FDS数值模拟分析

摘 要：地下建筑最主要的特点是处于封闭状态，一旦发生火灾将会产生比地上建筑更为严重的后果。本文采用火灾动力学模拟软件FDS对大型地下车库的火灾情景进行了数值模拟，分别讨论了水喷淋、排烟风机以及不同措施联合作用下的消防效果。该研究对防止地下停车场火灾蔓延及帮助人员安全疏散具有重要的意义。
关键词：火灾；地下车库；数值模拟
1008-0422（2012）08-0127-02
1引言
随着我国经济的飞速发展，汽车的数量越来越多，为了解决停车难的问题，同时考虑到我国用地紧张，地下停车场在国内大量兴建。可这在解决停车难的问题的同时。也带来了较大的安全隐患。
火灾危害主要是热量、烟气、缺氧这三种因素的作用。与地面建筑相比，地下建筑最主要的特点是处于封闭状态，地下建筑的火灾具有发烟量大、火场温度高、泻爆能力差、人员疏散困难、扑救困难等特点，当地下停车场发生火灾时，不仅会造成重大的财产损失，也将严重威胁着人的生命安全，可见对地下停车场火灾的研究非常重要。
目前国内外对地下停车场火灾的研究方法主要有实体试验研究和计算机数值模拟研究。实体试验研究是指在特定的空间内检测火场的各项物理指标，其优点是真实、直观，所得出的数据具有一定的说服力，但该方法需要耗费大量的物料，成本高，试验具有一定的危险性，而且相同环境的试验结果会有较大的波动，误差较大。而计算机数值模拟研究不仅能通过对评价对象设计火灾场景来进行确定性和随机性定量分析，而且能弥补实体试验研究的缺点，因此目前在国内外得到了广泛的应用。本文采用基于大涡模拟技术的火灾动力学模拟软件FDS对大型地下车库的火灾场景进行了模拟。
2火灾模拟软件简介
计算机模拟技术在性能化防火设计中得到普遍应用,而场模拟是火灾计算机模拟的重要组成部分。场模拟软件FDS 为研究火灾动力学和燃烧过程提供了有效工具。其计算结果能否应用在消防工程领域以解决实际消防问题，取决于计算结果的精度。
FDS 模拟软件是美国国家标准研究所(NIST) 建筑与火灾研究实验室(BFRL) 开发的产品,FDS 模型是以大涡模拟(LES) 为基础的三维计算流体动力学软件(CFD) ，可以模拟火灾湍流流动过程。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的N - S 方程，重点计算火灾中的烟气和热传递过程。由于FDS程序是开放的，其准确性得到了大量试验的验证。因此，在火灾科学领域得到了广泛应用。
在用FDS进行火灾模拟的时候，可以按下图1所示的流程图进行。
3数学模型
FDS采用的是大涡模拟技术，其基本思想是对流场的人尺度分量进行直接求解，对小尺度分量采用亚格子模型进行模拟，大涡模拟是研究湍流流动和燃烧程中的瞬态发展信息的有效方法。通常的火灾问题，可以归为低马赫数下的燃烧过程，描述其过程的连续方程、动量方程和能量方程采用了Fre滤波方法进行简化。此外， FDS采用基于无限快反应速率的混合分数模型，只须求解一个无源项的混合分数控制方程，燃烧产物组分浓度可由混合分数通过已知状态方程确定。
4某教学建筑地下车库FDS火灾数值模拟
本文运用FDS数值分析软件对某教学建筑地下车库进行火灾数值模拟，其过程如下：

4.1 建立几何模型

本文以某教学建筑地下车库的一个防火分区来建立几何模型。其中车库长为129.72m；宽为21.6m，占地面积为2523.592m2；其整体形状为左右对称结构；在10.6m处设有自动水喷淋头，在南墙附近设置有两个排烟口，西侧设置一个进风口；汽车行驶路线及出入口均在北墙，东西两侧分别设有安全出口；车库有停车位26个，每个车位尺寸为

4.9×1.8 m×l.6 m。其几何模型示意图见图2。

图1-FDS应用流程图

4.2设置着火源

本文模拟的着火源是地下车库中汽车漏油5kg汽油，遇明火燃烧，引发火灾。由前人研究可知，5kg汽油可简化为厚度为3mm，1.5m×1.5m的漏油面，其位置设置在2#车油箱附近，如图2所示。环境温度设为20℃。测点设置在1#车的附近。当火源附近的油箱温度达到200℃时认为该车辆被引燃，火灾将进一步扩大。[3]在模拟分析时，可在安全出口分别也设置测点，可用于讨论人员的安全疏散问题。

4.3工况条件

本文分别对比并讨论了自动喷淋系统及排烟系统所起的作用，在对模拟结果进行分析时，将工况一与工况二进行对比，以讨论排烟系统对地下停车场火灾的灭火降温作用；将工况一与工况三进行对比，以讨论自动喷淋系统对地下停车场的灭火降温作用。其中自动喷水系统的细水雾平均粒径为100μm；排烟系统采用送五排六的原则，排烟量定为50次/h。其工况条件如表1所示。

4.4模拟结果及分析

4.1排烟系统对地下车库发生火灾的作用

图3为工况一、工况二两种条件下在1#车油箱附近(即油箱附近1.1 m高处测点)的温度对比曲线。由图3可以看出：工况二条件下。火灾开始阶段温度上升较快，这是因为在机械排烟系统工作的条件下，进风量较大，使火源迅速达到旺盛，温度迅速增高；在100s以后，工况二条件下，1#车油箱附近温度比工况一条件下1#车油箱附近温度平均值要低，这是因为排烟系统带走了部分热量，使得温度有所降低。但是在工况一和工况二条件下，在15。车油箱附

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近的最高温度都未达到200℃，所以不会引发其他车辆燃烧，扩大着火范围。
前人试验表明，人体呼吸或接触过热的空气会导致热冲击和皮肤烧伤，而空气中的水分含量对这两种危害都有显著影响，对于大多数建筑而言，人体对100℃环境温度的对流热的承受能力仅能维持很短的一段时间(即1分钟以内)，而安全疏散时间为6 min。
由图4可以看出，在工况一的条件下，测点的最高温度为175℃左右，而在工况二的条件下，最高温度为80℃左右，比着工况一的平均温度要低一倍左右，故表明排烟系统发挥了很大的作用。工况二的整个过程温度均未超过100℃，可认定在火灾发生时，人员可安全撤离。
通过对比工况一和二的条件下的温度变化，可发现排烟系统可带走大量热量，使得车油箱附近及安全出口处温度大幅减低，可见，排烟系统能使得地下车库的火灾危险性能够成功的减小，所以有必要在地下车库设置排烟系统。

4.2自动喷淋系统对地下停车场火灾的作用

图5中所示为工况一和三条件下的1#车油箱附近的温度对比曲线；可发现在工况一的条件下均不超过200℃，而在工况三的条件下，在360s以前，1#车附近温度比工况一的条件下略低；在360s以后，在1#车油箱附近温度急剧上升至400℃左右，此时1#车将会发生燃烧，火灾将发生扩大。
图6中所示为在两种工况下在安全出口处测点的温度对比曲线。由图7可发现，在150s之前，工况一条件的下测点的温度要高于工况三时的温度；但是在150s之后，工况三条件下的温度就超过工况一下的温度。但是，无论工况一或者是工况三，在1min中之后的测点温度都超过了100℃，故在这两种情况下都不能够保证人员的安全疏散。
通过图5及图6中温度曲线的对比可发现：自动喷淋系统在地下车库火灾的前期对灭火降温有一定的作用，但在火灾后期反而可能使火灾陷入不利局势。可见，自动喷淋系统在地下停车场漏油火灾中的灭火降温效果不明显，其原因可能是喷水的流量和流速还没有达到相应的要求。


图3-工况

一、工况二条件下在1#车油箱附近的温度对比曲线

图4-工况

一、工况二条件下在安全出口处测点的温度对比曲线

图5-工况

一、工况三条件下在1#车油箱处测点的温度对比曲线

图6-工况

一、工况三条件下安全出口附近的温度对比曲线

5结论
5.1通过以上各种温度曲线的对比分析可知：在排烟条件下，地下停车场内的各项数据都有大幅度的变化，将有利于火灾的扑救和人员的安全疏散，所以排烟系统是地下车库中消防设施不可缺少的部分；而在自动喷淋系统条件下，对前期的灭火降温有一定的作用，但在火灾后期反而可能使火灾陷入不利局势，其效果不太理想。
5.2除了在地下车库中设置排烟系统及总动喷淋系统外，还可在大型的地下车库中设置防烟设施：可以有效地阻隔烟、火的蔓延，增加车库上部的储烟量、烟气层距离地面高度增加，并且能降低火场温度，有助于减缓释热速率的升高。
5.3由于不同措施的消防原理不同，在火灾发生时，可联合使用可以扬长避短，大大减缓地下车库的火灾及烟气蔓延，可获得好的消防效果。
参考文献：
韩涛.地下工程火灾发生特征与防护对策研究[J].山西建筑，2008.34(4)：209—210.
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[3] 张晓鸽，郭印诚.地下车库火灾过程及消防措施的研究[J].工程热物理学报，2006，27(2)：171—174.
[4] 薛伟，张光俊. FDS 火灾模拟与应用[J].吉林林业科技.2006：18-20.