喷水灭火系统对大型商业建筑火灾蔓延的抑制作用外文翻译资料
2023-09-06 11:09
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喷水灭火系统对大型商业建筑火灾蔓延的抑制作用
Xin Yea,b, Jian Maa,b,*, Yi-xinShena,b, Long-yuan Linc
西南交通大学交通物流学院，成都610031
西南交通大学综合与智能交通联台工程实验室,成都610031
西南科技大学环境与资源学院，绵阳621000
摘要
大型商业建筑火灾往往造成重大人员伤亡和财产损失。对大型商业建筑火灾行为的研究多侧重于简单的防火状态对火灾蔓延的影响。然而，在实际火灾中，洒水喷头的运行方式和可燃物质属性对火灾安全起着重要的影响作用。本研究采用CFD仿真软件FDS对大型商业建筑不同火灾场景下不同的喷水灭火系统的启动方式进行了数值研究。研究发现，由于可燃材料的热解受到抑制，传热过程变慢，导致火灾初期喷淋系统可以抑制火灾的发展，延长了该类建筑的疏散时间。研究还发现，不同可燃材料在市场中的分布和燃烧速率对居民疏散的安全水平有重要影响。
copy;2016作者。由爱思唯尔有限公司出版。在CC BY-NC-ND许可下开放访问。
（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.4/）
由ICPFFPE 2015组委会负责同行评审
关键词 大空间建筑,商业建筑,喷水灭火系统,疏散,数值模拟
命名法
Dt 扩散系数(m2/s)
V 速度向量
V 体积(m3)
Yl 成分浓度(kg/kg)
密度(kg/m3)
阻尼能量方程式t时间(s)
动力粘性系数()
e 内部能量(J/m3)
F 体积力(N)
k 导热系数(W/mk)
mf 燃料释放模型(kg/s)
P 压力(Pa)
q 辐射热通量(W/m2)
t 温度(k)
相应的作者 电话: 86-28-87600273;
电子邮件地址majian@mail.ustc.edu.cn
1877-7058copy;作者:由爱思唯尔有限公司出版。
由ICPFFPE 2015组委会负责同行评审
doi：10.1016/j.proeng.2016.01.155
1. 介绍
随着建筑技术的发展，大型商业建筑在现代城市中越来越受欢迎。然而，它也带来了新的火灾风险。这是由于大型商业建筑通常内部空间较大，内部易燃物品形成一种特殊的燃料分布，即大部分货物集中存放，便于分类和运输。一旦发生火灾，火势在这类建筑物中迅速蔓延[1]。根据中国火灾清单，2014年共报道火警39.5万起，造成1817人死亡，直接财产损失43.9亿元。因此，大空间建筑火灾引起了越来越多的关注。为提高大型商业建筑防火的科学性、合理性和经济性，我们做了大量的工作。利用Delphi、PHOENICS等数值模拟软件研究了烟气流动特征及其相关问题[2-3]。He等人比较了相邻房间烟气运动的实验结果和数值模拟结果，并在数值模拟软件[4]中分析了精度控制问题。David还对大型空间建筑[5]的防烟措施提出了自己的看法。
我们分析评价了大型商业中心在不同火源、不同喷淋工况下的安全性，为基于性能的建筑设计提供参考。
在本研究中，我们使用FDS@软件研究了灭火喷淋系统对大空间火灾蔓延和烟气流动的影响。建立了典型的大型空间商业建筑模型，第二部分建立了不同火源位置和喷水灭火系统工作范围的六种火灾场景。这些防火设计的结果详见第3节。第四部分，比较了抑制型喷水灭火系统对乘员疏散安全的影响。最后得出结论。
2.模型用公式表示
2.1 FDS
FDS@是由美国国家标准与技术研究院(NIST)[6]开发的一款火灾能星与流体流动CFD软件。该软件采用有限体积法计算各单元的气体浓度、温度和流速。采用大涡模拟(LES)和直接数值模拟(DNS)技术，可以在FDS中对湍流进行建模。通过计算可以得到预先设定的计算点温度、CO浓度、CO2浓度、O2浓度、烟气运动方向等。FDS还可以模拟喷水灭火系统和其他灭火系统在实际消防情况下的工作。
FDS基于粘性流体流动的Navier-Stokes方程，包括连续性方程、动星方程、能量方程和组成方程，如式(1)-(4)所示。
2.2建筑与火灾模型
本文选取某大型商场作为具有代表性的大型商业建筑。所选建筑的长度为80m, 宽度为60m，高度为10m。作为一个中庭建筑，这个市场分为两层。共有8个门，3部电梯，4部自动扶梯和2个逃生楼梯，如图1所示。门1的宽度为8m, 高度为4m。其它门的宽度为2米，高度为4米。应急楼梯宽度1.5m，台阶深度0.4m。
在图1中，灰墙和黑色电梯由不燃材料制成，其他隔板和货物由可燃材料制成，可由设计的初始火源点燃。这些材料的详细热性能可以在下面的表1中找到。从图中还可以看出，每层有4个不同的区域。各楼层区域可燃材料分布情况见表2。
图1所研究的大型商业建筑方案。(a)第一层的俯视图；(b)二楼的俯视图。
表1可燃物着火温度信息(℃)
表2可燃材料的分布信息。
本研究假设火源放热率为5000W,设计的初始火源面积为1mx1m。1层火源位置在B区；二楼火源位置在B区。我们一共设计了六种火灾场景，详细信息见表3。这些火灾场景中的火灾大小都是相同的，唯一改变的参数是火灾位置。为了研究喷淋系统的影响，本文选用K-25型喷淋系统，并在不同的火灾场景下改变其工作范围。该喷头工作压力为0.13MPa，启动温度为74℃，流速为10m/s。喷水灭火系统的布置形式为正方形，喷水灭火系统间的间距为3m。本文采用两种不完全工作的喷水灭火系统。场景1中，洒水器在E区域发生故障(如图1所示)。对于场景2, 工作的洒水器分布在火源上方。
3.结果和讨论
3.1热释放
与其他建筑火灾相比，快速发展是大型商业建筑火灾的一个特殊特征。图2为六种火灾场景的放热曲线。在方案1下，火灾发展迅速，HRR值也随之提高
由于热对流作用，在150s内也迅速上升，随后在200s达到相对稳定状态，并保持在300s左右，之后HRR开始下降。对于场景2、场景3和场景4,从图2a可以看出，喷水灭火系统明显抑制了热释放速率。同时，HRR值随着喷水灭火系统覆盖范围的增大而减小。在方案2下，300s后的放热速率趋于0。在方案3和方案4下，100秒后的放热率趋于0。而场景5的火源位于二楼，那里有密集的可燃材料。可以看出，火灾在100年代之前发展迅速，而在200-400年代，火灾状态较为稳定。从400秒到500秒，火势蔓延到一楼，发展得更快。从600秒到800秒，一楼火灾稳定燃烧，二楼火灾处于扑灭阶段。900秒后，一楼的火开始熄灭。对比情景6和情影5，我们可以发现快速开发阶段消失了。这是因为场景6中的洒水系统可以完全控制火灾，因此二楼的火灾规模较小。因此，场景6的HRR值在整个火灾开发过程中保持稳定。将方案1与方案5进行比较，可以看出热释放速率具有相似的形状，但延迟时间较短。造成这一特点的原因是可燃材料及其分布相同，但火源位置不同。二层可燃材料大多为低放热塑料，因此在模拟过程中总放热星保持在较低水平。
表3不同火灾场景的信息
图2 HRRPUV在6种火灾场景下的发展情况(a)及对应的煤烟浓度(b)。
3.2产生烟雾
据我们所知，超过80%的火灾伤害是由吸入过星的烟雾造成的。因此，必须对大型建筑烟气的产生进行研究，以确保建筑使用者的安全。火灾产生的烟雾包括气体、颗粒物和部分由热解和燃烧产生的空气成分。在图2b中，我们展示了不同火灾场景下煤烟协合的发展情况。在方案1、2、3和4中，我们发现随着喷头有效射程的增大，烟灰的聚集性减小。在燃烧初期，由于不完全燃烧，烟的体积迅速增加，而在完全发展阶段，烟就变得稀少。对比情景5和情景6,煤烟协合的发展趋势与HRR的体积变化一致，说明煤烟协合与燃烧条件密切相关。同样的结论也可以在情景5中得到，在情景5中，火灾蔓延到一楼,烟雾星迅速增加，而在情景6中，作为对比，火灾在二楼稳定燃烧，因此煤烟协合也变化缓慢。通过情景4和情景6的对比，我们发现火灾的增长率在影响喷水灭火系统的效果中起着至关重要的作用，即2层可燃物质密度高于1层，因此喷水灭火系统对2层的控制效果有限，但在火灾生长期可以有效地控制1层火灾的发展。
3.3烟气温度
研究发现，当气温达到65℃时，人可以在短时间内存活；当温度达到120°C时，会对人体造成不可恢复的损害；当温度达到180度时，它可以直接燃烧身体[7]。图4分别为50、200、500度温度下的6种100度火灾场景等温面，分别为橙色、灰色、青绿色。从图4可以看出，对于情景1，500等温面主要分布在火灾充分发展的B区域(如图1所示)。而50和200等温面基本覆盖其他区域。我们注意到上面的温度很高，这是由于烟在[8]地板上积聚的原因。同时注意到窗附近存在明显的热分层现象，认为这是外部冷空气冷却作用的结果。在二层，50和200等温面主要分布在Drsquo;区域，如图1b所示。在场景2中，总共有9个位于火源上方的洒水器被激活。由图中可以看出，200个等温面几乎覆盖了一层，而500个等温面主要分布在火源附近区域。对比情景2和情景1，我们可以看到50个等温面面积小于二层的情景1。在场景3中，对扩散性火灾的抑制是明显的，即500等温面位于火源上方200等温面基本覆盖一层。由于烟雾通过D区域扩散，所以50等温面基本上覆盖了D 区域。在场景4中，B区域的温度控制在50以下。场景5中，500等温面基本覆盖了二层。一楼的温度几乎没有升高。对比情景6和情景5，我们可以看到情景6中的50个等温面小于情景5中的等温面，基本覆盖了Arsquo;区域。
图3六种火灾场景在100s时50、200/500等温面快照：(a)场景1；(b)场景2；(c)场景3；(d)场景4；(e)场景5；(f)场景6
4.疏散条件
4.1疏散时间
一般来说，疏散过程可以分为三个阶段，即：疏散感知阶段、疏散响应阶段和疏散操作阶段。总疏散时间是这三个阶段中每个阶段的时间成本之和。本文根据[9]计算疏散时间，其中总疏散时间为感知时间和操作时间之和，如式(5)所示。
其中P为疏散人数，1层和2层住客人数分别为400人；N为流星(本文中N=1. 5p/m/s)； B代表出口的有效宽度。需要注意的是，疏散楼梯门的有效宽度为1.7m，扶梯的有效宽度为0.82m。V代表人的自由速度，水平面的速度为15m/s，楼梯的速度为0.6m/s。L为疏散路线的最大距离，本研究取其值为81m。
因此，2层人员水平疏散时间为:
2层至1层人员垂直疏散时间为：
1层8个出口门的信息如表3所示。
表3 疏散场景信息
1层疏散时间为：
因此总疏散时间为：
4.2不同火灾场景下的疏散性能
在本节中，进一步设计了3个火灾场景, 这些场景的详细信息见表4。在这种情况下，火源位于一层，其参数包括喷水灭火系统的工作状态和可燃材料的点火温度。试验3与试验1、试验2的区别在于点火后的温升。本文采用1. 8m高度的温度特征来评价撤离人员的安全水平。
图4为点火后395s时1.8m高度的模拟温度。在场景1中一楼温度超过300度，7号门温度甚至达到1500度。对于其他闸门，温度也超过180度，对这些疏散人员造成了危害，对疏散过程造成了极大的危险。在方案2中，喷淋系统一开始减缓了火灾的发展，降低了火源附近的热辐射和热传导。因此室内温度几乎低于30度，所以人们能够安全疏散。在情景3中，靠近火源的温度可以达到300C,但室内温度仍然低于35℃,说明靠近火源的可燃材料着火温度升高，热辐射也随之升高，可燃元素不断积累，可能导致闪络。虽然目前所有出口都处于安全状态，但如果在闪络前疏散过程不能完成，后果将是可怕的。
图4 不同火灾场景下395秒1.8m高度的温度快照:(a)试验1；(b)测试2；(C)测试3。
5.结论
本文通过数值研究，研究了喷水灭火系统对大型商业建筑火灾蔓延的抑制作用。在模型中考虑了不同的火源和喷水灭火系统的六种运行方式。结果表明，当喷水灭火系统未启动时，建筑物内的火
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