古建筑火灾发展过程

分类：建筑工程论文发表 时间：2019-04-09 11:12 关注：(1)

　　这篇论文主要介绍的是古建筑火灾发展过程的内容，本文作者就是通过对古建筑火灾发展的内容做出详细的阐述与介绍，特推荐这篇优秀的文章供相关人士参考。

　　关键词：古建筑火灾;数值模拟;FDS;热释放速率;温度分布;能见度;火灾危险性

　　古建筑是珍贵的文化资源与历史文物，古建筑火灾导致重大经济与文化损失。古建筑多为木结构或砖木结构，其火灾荷载远超消防规定，具有火灾危险性高的特点。我国古建筑建成年代早于相关消防法规颁布时间，其消防改造困难。火灾数值模拟作为一种性能化火灾风险评估手段具有不可替代的优势。实际消防工作中不能对古建筑进行实体火灾实验，通过火灾数值模拟对其进行火灾风险评估具有重要意义。目前，我国对于古建筑火灾的研究主要集中在消防管理与火灾扑救技术方面，对古建筑火灾过程及动力学相关研究较少。笔者采用PyroSim软件中的FDS模块对古建筑火灾场景进行数值模拟，研究古建筑火灾过程中热释放速率、温度、能见度和CO气体浓度的变化规律。

　　1古建筑概况

　　以河北省承德市某古建筑作为研究对象，对其进行火灾场景数值模拟研究。该建筑为单层砖木结构建筑，主要结构材料为松木，建筑总高8.60m(柱高3.50m，屋顶结构高4.57m);建筑总长(东西方向)20.22m(屋顶结构长20.22m，建筑主体长12.40m);建筑总宽(南北向)15.73m(屋顶宽15.73m，建筑主体宽8.75m)。该建筑主要承重结构柱、梁、枋和椽等均为松木;建筑围护结构为松木墙体，墙体开有门窗;建筑屋顶结构外层为瓦片;建筑内地板为石质。其结构如图1所示。

　　2古建筑火灾模型设置

　　利用PyroSim软件中的FDS模块对古建筑火灾场景进行设计。仅对古建筑火灾发展阶段和充分燃烧阶段进行模拟，对火灾衰减阶段不做研究。火灾场景模拟时间为1800s。2.1边界与初始条件设置2.1.1通风条件火灾场景选取环境参考河北省承德市的秋季气候：环境温度11℃，气压101325Pa，平均风速1.5m/s，风向为北风(X轴负方向至正方向)，重力加速9.8067m/s2。古建筑墙体与门设置为自由面，可以进行通风和换热。2.1.2材料设置古建筑内柱、梁及门窗等结构材料均设置为松木(Pine)，建筑地板设置为石材(Stone)，建筑屋顶设置为瓦片(Tile)。2.1.3火源设置火源是火灾场景中的关键影响因素，选取t2火源模型进行火灾数值模拟。依据50kW/m2辐射强度条件下古建筑松木锥形量热仪中所测得的古建筑松木的点燃时间TTI=16.67s，300s内总释放热THR300=217.50MJ/m2，通过ÖstmanTsantaridis公式预测该材料在火灾场景中发生轰燃时间，见式(1)。(1)式中：tFO为轰然出现时间，s;TTI为材料在50kW/m2辐射条件下锥形量热仪实验点燃时间，s;ρ为材料密度，古建筑松木密度为685.25kg/m3;THR300为300s内总释放热，MJ/m2。(2)依据t2火源模型定义，发生轰燃时火源功率为1000kW，计算火灾增长因子，表示为式(3)。(3)依据古建筑实际情况，火源总功率设置为9000kW，单位面积火源最大热释放速率为1000kW，火源位于古建筑中央，为3m×3m的正方形区域。单位面积火源功率随时间的变化,见式(4)。(4)2.2计算模型2.2.1网格划分对古建筑火灾进行数值模拟区域尺寸为20.00m×20.00m×8.63m(X×Y×Z)，采用六面体网格对其进行划分，网格尺寸为0.25m×0.26m×0.29m(X×Y×Z)，划分网格数量为80×80×30(X×Y×Z)，共192000个。2.2.2网格独立性与计算有效性分析参照KevinMcGrattan等，相应的网格独立性测试实验，得出火源特征直径D*与计算网格尺寸δx的比例为4~16时，可以得出合理的求解结果。其中，火源特征直径由式(5)给出。(5)式中：Q为火源热释放速率，取9000kW;ρ0为空气密度，1.206kg/m3;cp为空气的定压比热容，1.006kJ/(kg·K);T0为环境初始温度，284.15k;g为重力加速度，9.8m/s2。固定功率为MW时，计算可得D*为0.0234。综合考虑计算结果的合理性以及计算机性能，采用网格特征尺寸δx，见式(6)。(6)D*与δx的比例为8.78，按照此模型的网格尺寸进行计算为较为合理。

　　3结果与讨论

　　3.1古建筑火灾过程热释放速率变化规律分析

　　火灾开始后，火源热释放速率先快速增长，然后下降，之后再持续增长，直至模拟结束。热释放速率为火灾过程中关键指标参数。古建筑火灾数值模拟中热释放速率模拟结果与设定值存在较大差异，如图2所示。模拟结果热释放速率未按照设置规律变化。这是因为t2火源模型曲线为氧气充足时的热释放速率，古建筑火灾场景无法满足这一条件。火灾初期，火场内松木快速燃烧，消耗大量氧气，释放大量热量。火场内氧气供应不足，燃烧速率减缓，热释放速率下降。热释放速率降低后，烟羽流与火风压减弱，室外新鲜空气向火场内补充，氧气浓度上升，燃烧加强，热释放速率缓慢上升，直至火灾过程结束。所以，古建筑火灾过程中，氧气是制约火灾发展的关键因素。

　　3.2古建筑火灾过程温度场变化分析

　　模拟结果显示，古建筑内温度变化规律与热释放速率相同，先升高，后降低，然后继续升高。火场内153s出现最高温度547℃，最高温度位置为火源表面。X轴轴向温度切片呈现相同的变化规律，如图3所示。模拟结果显示，火灾开始后，温度快速持续上升，t=153s时火场达最高温度547℃，高温区域集中于建筑内中上部和火源处。模拟结束时火场最高温度出现在建筑外部屋檐处，为550℃，建筑内最高温度为345℃。对火场中心位置高度为2、4、6、8m位置的温度探测器记录结果进行拟合，如图4所示。火灾过程中，古建筑内中心位置温度变化规律与热释放速率变化趋势相同。古建筑中心位置各高度能达到的最高温度为540℃，出现时间约为150~160s。建筑内，高度越低，温度下降速度越快，温度能达到第二峰值越低。这是因为火灾发生后，燃烧产生烟羽流上升，高温烟气与热量在屋顶积聚，新鲜风流通过门窗进入古建筑内，较低位置与新鲜风流对流散热，温度上升缓慢，较高位置处受烟羽流加热温度上升迅速。古建筑中热烟气充满整个屋顶，热烟气沿屋檐和门窗上缘流到建筑外，直接加热屋檐，屋檐的斗拱和木结构为易被燃烧破坏部位。

　　3.3古建筑内能见度分析

　　模拟结果显示，火场内的能见度迅速下降，持续保持在非常低的水平。火灾初始时刻(t=0s)，建筑内能见度为30m;火灾开始后，建筑内能见度下降;t=50.4s时，距地面1.5m处能见度为10m;t=118.8s时火场内充满烟气，建筑内能见度低于3m;直至模拟结束，火场内能见度一直保持在3m以下。依据模拟结果，选取火场中心位置，高度为2、4、6、8m位置能见度探测器的记录结果进行拟合，如图5所示.结果表明，古建筑内不同高度能见度变化规律基本相同，火灾开始200s后，火场内能见度基本降为零3.4古建筑内CO浓度变化规律模拟结果显示，火场内CO体积分数持续上升，如图6所示。火灾开始后，产生CO较少;火灾达到轰燃后火场高值1%。这是因为古建筑缺少防排烟系统，火灾过程中CO气体积聚。火灾过程中CO气体首先在屋顶聚集，然后向下积聚，直至充满整个房间。火灾初期CO产量较少，火灾中期和后期CO生成量增加并聚集，火场内CO浓度呈持续增长规律。依据模拟结果，选取火场中心高度为2、4、6、8m位置的CO浓度探测器的记录结果进行拟合，如图7所示。结果表明，火场内高度越高CO浓度越大，火灾开始时CO产量较低。火灾发展时CO浓度逐渐上升，火灾后期CO浓度保持基本稳定。这是因为火灾初期，氧气供给充足，松木进行充分燃烧，火场内CO浓度较低;火灾发展古建筑发生轰燃，氧气供给不足，松木进行不完全燃烧生成CO量增加，古建筑内通风条件较差，CO气体积聚导致浓度持续上升。由于火羽流的浮力作用，CO气体在屋顶聚集。CO为火灾过程中重要的烟气毒性指标。古建筑火灾场景中高度为2m处CO体积分数在轰燃开始(118.8s)至800s的过程基本保持在0.18%左右，此浓度下的CO在10~15min内会造成头痛、眼花、恶心，25~30min内造成死亡。古建筑火灾过程中CO产生量与火场内CO浓度均高于一般建筑火灾，更易引起建筑内人员伤亡。通过对古建筑火灾场景数值模拟结果中温度场、能见度和CO浓度场分析和比较，古建筑火灾具有更高的火灾危险性。古建筑火灾达到轰燃时间短，升温速率快，能见度下降速度快。火灾发生后，火场内人员可用疏散时间较短。古建筑大多结构简单，面积较小，所需疏散时间较短。古建筑内虽然一般不设置防排烟系统，屋顶高，烟气一般聚集在屋顶。在火灾过程中产生较多CO气体，但对火场内人员造成威胁的时间有延迟。因此，结构简单的古建筑发生火灾后，对建筑内人员疏散造成严重威胁的主要因素为高温与低能见度。

　　4结论

　　(1)古建筑火灾过程中通风为主要影响因素。火灾过程中，古建筑内氧气不足，火灾发展受到制约。火场内温度先快速上升，达到轰燃后迅速下降，之后再缓慢上升。火场内屋顶与屋檐处温度最高，火灾过程中最易烧毁造成危险。火场内位置越高温度越高。(2)古建筑发生火灾后，产生烟气量大，火场内能见度低。火灾开始120s内古建筑内能见度降至3m以下。发生火灾后，烟气首先充满屋顶，然后继续下降，直至由门窗排出，烟气严重影响人员疏散及火灾扑救。(3)古建筑火灾产生烟气毒性高。随着火灾过程的发展，CO气体在屋顶积聚，然后继续下降，整个火场CO浓度逐渐升高。火场内距离地面越高的位置CO浓度越高，易引发火场内人员中毒。

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　　作者：田垚 常可可 李奥 单位：中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院