通风条件对受限空间回燃的影响分析范文

摘要：利用FDS对不同通风条件下受限空间的回燃过程进行数值模拟。通过对比不同通风口高度、宽度及位置等条件下的热释放速率、热烟气层温度等参数的发展变化，分析通风条件对受限空间回燃的影响。结果表明：通风口宽度对受限空间回燃基本没有影响，但通风口高度对回燃的影响显著，当高度不大于0.6m时回燃难以形成；当受限空间存在阻碍空气流动的障碍物时，通风口位于中部位置不易形成回燃，若障碍物不阻碍空气流动则角部位置不易形成回燃。建议消防员在对卧室类房间进行灭火救援时，在中部位置破拆宽度较大但高度不大于0.6m的孔洞。

关键词：受限空间；回燃；通风条件；温度

回燃是建筑火灾发展过程中的一种特殊燃烧行为。当受限空间的通风条件有限时，火灾会因新鲜空气的供给不足而进入缺氧燃烧状态，但可燃物会继续热解或气化，使受限空间内存在大量可燃气体。一旦受限空间的通风状态改变，新流入的空气会与可燃气体混合发生剧烈燃烧，受限空间发生回燃并导致温度和压力在短时间内迅速上升。由于回燃具有突发性以及强破坏性等特点，会对火场人员特别是消防救援人员的生命安全造成严重威胁。因此，对回燃现象的研究具有重要的现实意义。近年来，国内外研究人员对受限空间回燃进行了一定程度的研究，主要集中在对回燃前重力流的形成过程、回燃的非线性动力模型、决定回燃的关键因素和临界条件以及回燃的抑制技术等方面，而对不同通风条件下受限空间回燃方面的研究较少。笔者基于FDS火灾动力学分析软件，建立典型受限空间数值分析模型，研究不同通风口高度、宽度与位置等因素对回燃现象的影响，得到回燃的临界通风条件，并为消防人员处置该类事故提供参考。

1数值分析

模型采用FDS软件中的大涡模拟方法模拟受限空间的回燃。FDS软件中的热解模型可模拟受限空间内可燃物的热解及可燃气体的积聚过程，同时该软件可模拟通风条件的突变，从而实现对重力流形成及回燃发生过程的模拟。研究对象选择为典型的卧室房间，几何尺寸为3.0m×3.0m×3.0m。为更接近真实情况，在房间一侧壁近墙角位置开设0.8m×2.0m的门，同时，在房间内放置2.0m×1.8m的双人床及厚度为0.2m的床垫作为可燃物，并将点火源设置在床垫中心位置。房间内外部的初始压力均为0.1MPa，初始温度均为20℃。基于上述场景，采用FDS建立数值分析模型，如图1所示。作为燃料的床架和床垫均采用FDS中的热解模型进行模拟，通过设置木材、泡沫以及编织物等材料的热解和热属性参数，使软件根据其接收到的热量自动计算可燃气体量及热释放速率。房门的开启及点火源的移除通过FDS中的计时器控制功能实现。在房间内不同位置、不同高度处分别设置温度、氧气浓度及二氧化碳浓度测点，以测量火灾发展过程中相关参数的变化情况。此外，为了更准确地模拟受限空间的流场流动情况以及火灾燃烧行为，将整个计算区域向房间外拓展至6.5m×4.0m×5.0m。房间内部的网格尺寸采用0.05m×0.05m×0.05m，房间外部的网格尺寸采用0.1m×0.1m×0.1m，以同时满足计算精度与效率的要求。为了研究通风条件对受限空间回燃的影响，通过改变通风口的宽度、高度以及位置，共设置12个火灾场景，见表1所示。参考《中华人民共和国消防法》中关于消防车到达火灾发生地点的时间不得超过5min的规定，并结合相应的数值试算结果，偏保守地设定所有火灾场景通风口的开启时间均为5min。

2结果讨论与分析

2.1回燃过程分析

以真实门开口下的火灾场景（场景1）为例，基于FDS数值模拟结果，分析受限空间的回燃形成过程。图2显示了受限空间从火灾初始阶段至回燃形成的全过程。从图2可以看出，点火源引燃床垫后，由于房间通风孔隙以及初始空气的存在，火灾迅速发展。然而，由于房门处于关闭状态，火灾逐渐进入缺氧燃烧阶段，火焰逐渐熄灭，但床垫在高温作用下继续热解并释放出大量的可燃气体。5min后房门突然打开，新鲜空气以重力流的形式进入房间，与可燃气体混合并发生剧烈燃烧，回燃发生并伴随着喷射火球的产生。图2受限空间回燃发展过程受限空间内火灾的热释放速率、热烟气层温度以及氧气、二氧化碳质量分数随时间的发展变化曲线，如图3、图4所示。由图可知，床垫被引燃后在通风受限的室内燃烧，热释放速率迅速升高并于约120s达到最大值400kW，此时房间上层热烟气层温度达到约400℃，而氧气质量分数下降至约10%，达到了常见火灾模型中设定的氧气质量分数下限。此后，火灾进入缺氧燃烧阶段，热释放速率和温度迅速下降。当房门于300s突然开启后，受限空间发 生回燃，热释放速率突升至一较大值后又因燃烧速度的降低而迅速下降，而烟气层温度在较短时间延迟后迅速升至约396℃。同时，氧气与二氧化碳的质量分数达到新的峰谷值，但变化速率与热释放速率和温度相比更为缓慢。此后，在良好的通风条件下，可燃物进一步燃烧，热释放速率与温度进一步增大。

2.2通风条件对回燃的影响

基于设置的火灾场景，进一步研究不同通风条件对受限空间回燃的影响。首先分析通风口高度变化对回燃形成过程的影响。图5给出了不同通风口高度下，受限空间热烟气层温度随时间的发展变化曲线。由图5可知，各曲线均能反映出整个燃烧过程的温度变化情况。火灾初期及缺氧燃烧阶段，由于各场景的初始条件一致且房门均处于关闭状态，温度变化曲线基本重合，通风口高度变化的影响体现在通风条件突变后。对于通风口高度不小于1.2m的工况，通风口开启后受限空间均发生了回燃，热烟气层温度在很短的时间内大幅上升，且峰值均在400℃以上。对于通风口高度等于0.8m的工况，虽然通风口开启后温度的上升速率相对缓慢，但也基本符合固体类物质的回燃特征。因此，偏保守地认为此种通风条件下回燃也会发生。然而，对于通风口高度不大于0.6m的工况，通风条件改变后未见明显的温度突变，说明受限空间内仅发生局部燃烧而未发生燃爆，该通风条件下不会形成回燃。综合上述分析，通风口高度变化对受限空间回燃的影响显著，当高度不大于0.6m时，回燃难以发生。针对未形成回燃的通风口高度，设置火灾场景5~10，分析通风口宽度变化对受限空间回燃的影响。图6分别给出了高度为0.4、0.6m时，不同通风口宽度下受限空间热烟气层温度随时间的发展变化曲线。从图6可以看出，对于H=0.6m的工况，随着通风口宽度的增大，通风口开启后热烟气层的升温速率并未出现显著变化，宽度变化的影响体现在通风口开启一段时间之后，说明通风口宽度的增大并未导致受限空间发生回燃，仅是因流入的空气量增多而使再次燃烧时的热释放速率及温度增大。对于H=0.4m的工况，由于通风口高度相对较低，能进入受限空间内的新鲜空气量较少，因此通风口开启后，不论是温度上升速率还是再次燃烧时的温度基本均未随通风口宽度的增大而出现变化。综上可知，通风口宽度变化基本不会对受限空间内回燃的形成产生影响。为了进一步分析通风口位置对回燃的影响，对通风口位于房间侧壁中心位置的火灾场景进行数值模拟，并将得到的受限空间热烟气层温度变化曲线与通风口位于角部的模拟结果进行对比，如图7所示。由图7可知，当通风口位于中部时，通风条件突变后热烟气层的升温速率小于通风口位于角部的场景，尤其对于发生回燃的工况（H=0.8m），升温速率的差异更为显著。因此，可认为当通风口位于中部时，受限空间不易发生回燃，这是因为新鲜空气从中部通风口处流入时受到了床体的阻碍，导致空气与可燃气体的混合程度低于通风口位于角部的场景，从而使回燃更难形成。同理，若受限空间内的障碍物不会阻碍空气流动，由于角部通风口处流入的空气会因侧墙的限制作用而流动受阻，从而使得通风口位于角部时回燃更难形成。综上分析，对于卧室类受限空间，当通风口高度不大于0.6m时，起火房间难以形成回燃，且通风口宽度对回燃的形成基本没有影响。此外，考虑到卧室房间内往往存在较多的障碍物，角部通风口比中部通风口更容易形成回燃。因此，消防官兵在灭火救援过程中若需对该类房间进行破拆，应尽可能选择墙壁的中间位置，开设宽度较大而高度低于0.6m的孔洞，从而最大限度地降低受限空间发生回燃的可能性。

3结论

利用FDS建立数值模型，对受限空间的回燃过程进行模拟，在此基础上，进一步研究通风口高度、宽度以及位置等因素对回燃的影响，并结合消防员在灭火救援过程中的处置行为，得到如下结果：（1）通风口高度变化对受限空间回燃的影响显著，当通风口高度不大于0.6m时，受限空间内难以形成回燃，而通风口宽度变化基本不会影响受限空间回燃现象，仅影响再次燃烧后的火灾行为。（2）当受限空间内存在阻碍空气流动的障碍物时，通风口位于角部位置时易形成回燃，但当受限空间内的障碍物不会阻碍空气流动时，反而会因侧墙对空气流动的限制作用使得通风口位于角部时回燃更难发生。（3）消防员在进入相对封闭的空间进行灭火救援前，应首先了解空间内障碍物的分布情况。在无法了解内部布置的情况下，对于卧室类房间应选择房间中部位置进行破拆，破拆孔的宽度可尽量大但高度不宜大于0.6m，从而在保证灭火救援空间的前提下，最大限度地降低受限空间的回燃风险。

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作者：陈晔 刘晅亚 单位：公安部天津消防研究所