航站楼公共区的实体试验与模拟试验研究_袁沙沙.pdf

文章编号:1009-6094(2023)04-1067-06航站楼公共区的实体试验与模拟试验研究*袁沙沙，孙旋，晏风，相坤，杜鹏，周欣鑫，王志伟(中国建筑科学研究院有限公司建筑防火研究所，北京 100013)摘要:机场航站楼公共区存在的各类火灾荷载不仅加剧了火灾隐患，还由于各自不同的燃烧特点给相关研究增加了难度。通过对商铺货架、书店书架、值机普通座和商务桌椅开展实体燃烧试验，并采用火灾动态模拟器(Fire DynamicSimulation，FDS)进行全尺寸建模和数值模拟，分析火灾荷载类型、燃烧过程和温度的相关性，通过统计分析软件对比实体试验与模拟试验的燃烧过程、温度、热释放速率(Heatelease ate，H)等参数的差异及原因。结果表明，H与 O2/CO2释放率均会对温度产生显著影响，导致模拟后期的温度比实体试验的更低。火灾荷载类型会影响实体试验的 H 和温度，而实体试验和模拟试验测得的温度均与燃烧过程的 H 呈显著正相关性，O2/CO2释放率也会影响模拟试验的 H 和温度。通过 O2/CO2释放率的参数赋值，可提高 FDS 模拟结果的准确度。关键词:安全工程;火灾荷载;航站楼;实体试验;数值模拟中图分类号:X928文献标志码:ADOI:10.13637/j issn1009-6094.2021.2290*收稿日期:2021 12 16作者简介:袁沙沙，高级工程师，从事火灾风险评估、防排烟设计和火灾蔓延等研究，。基金项目:中国建筑科学研究院有限公司科研基金项目(20190111330730002);住 房 和 城 乡 建 设 部2021 年科学技术计划项目(2021 K 029)0引言机场航站楼作为重要的交通枢纽建筑，具有功能多样、客流量大、空间互通等特点。航站楼中庭和敞开楼梯等位置在后期改造时通常会增设功能区，不仅增加了大量的可燃物，还降低了疏散功能，严重影响了航站楼的火灾安全性1 3。各公共区内的可燃物类型不同，如商铺柜台上摆放的文具、玩具、纸盒包装品，书店书架上放的报刊书籍，以及休息区摆放的商务沙发和加设软垫的金属座椅，这些可燃物具有不同的几何厚度、点燃温度、热传导系数、单位热释放量和烟释放量等特征，在燃烧过程中具有不同的火势和燃烧特点4。此外，为了便于乘客充电，公共区内设有较多的充电装置，当充电电压较高时插座容易燃烧并引发火灾，显著增大了高火灾荷载区(商铺和书店)与人员相对密集区(休息区)的火灾危险性。因此，需要对航站楼的多种功能区进行火灾风险评估，并研究各类型可燃物的燃烧特点，以提高航站楼的火灾安全系统性能。目前，火灾风险研究主要依靠实体试验和计算机数值模拟 2 种方式。在实体试验中，全尺寸实体试验能较好地反映可燃物的燃烧特性，但是开展实体试验的经济成本较高，还受到实验条件的限制;与全尺寸实体试验相比，中小尺寸试验的成本低，便于操作，更适合于火灾研究，但由于比例问题，中小尺寸试验不能完全准确地反映实际燃烧状况。采用火灾科学研究中较成熟的场模拟软件 火灾动态模拟器(Fire Dynamic Simulation，FDS)可较好解决成本问题，但是有可能出现低准确度的特殊情况。2009年，Hjohlman 等5 对火车车厢进行了实体燃烧试验，并以实体试验的火车车厢为原型采用 FDS 软件建立了数值模型，通过数值模拟分析温度变化规律，构建了火车车厢的火灾风险建模体系。2004 年，Hietaniemi 等6 最先对松木、中纤板家具以及 PVC地毯进行了实体试验，并通过 FDS 软件建立了等比例的模型，在与实体试验相同的工况条件下分析了火焰传播特征，为火势描述和温度测量奠定了基础。在国内，2016 年，杨晓菡等7 最先采用锥形量热仪测试家具单品的单位面积热释放速率(Heat eleaseate，H)，并通过 FDS 软件模拟出了与实体试验相同条件下的烟气蔓延和温度变化规律，发现 FDS软件可较准确地模拟顶棚及气流温度峰值的变化趋势，但热烟气层高度以下的模拟结果偏差较大。2018 年，Zhang 等8 进行了建筑外墙和室内家具的实体燃烧试验，并建立了与实体试验相同的数值模拟模型，在数值模拟下更系统研究了烟气蔓延规律，试验结果为建筑的火灾研究奠定了理论基础。An等9 对敷有节能保温材料的建筑幕墙进行了实体燃烧试验，并建立了等比例的数值模拟模型，基于对模型参数的优化，使得优化后的模拟试验与实体试验的温度差异小于 10%，表明这种优化方式可减少与实体试验的差异，提高模拟的准确度。综上所述，采用实体试验与数值模拟相结合的方式，可以更准确、更系统地研究建筑的火灾风险。目前，尚未出台关于机场航站楼公共区火灾风险评估的方法规定，亟须采用更科学合理的方法研究其火灾隐患。7601第 23 卷第 4 期2023 年 4 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 4Apr，2023鉴于此，本文以机场航站楼公共区的商铺货架、值机普通座、商务桌椅和书店书架为研究对象开展实体燃烧试验，采用锥形量热仪对可燃物的燃烧特性进行分析，并且利用火灾模拟软件按照实体试验建立等比例模型，按照相同试验条件进行可燃物的燃烧数值模拟，分析火灾荷载类型与火势的相关性，对比实体试验和模拟试验的温度差异，探究存在差异的 原 因，并 通 过 统 计 产 品 与 服 务 解 决 方 案(Statistical Product and Service Solutions，SPSS)软件研究实体试验与模拟试验结果的差异，以期得到准确度更高的数值模型。1研究方法图 1实体试验台Fig 1eal test stand1.1实体试验与模拟试验方法1)实体试验方法。试验台由电脑(联想，型号 ThinkCentre E73)和大型锥形量热仪(苏州阔云检测仪器设备有限公司，型号ZY6257D PC)组成，锥形量热仪包括标准试验房间(长 宽 高分别为10.0 m 10.0 m 3.0 m 和3.0 m3.0 m 1.3 m 2 种)、锥形收集器、气体分析仪、排烟管道、烟气冷却器、风机等，见图1。图1(a)中放置了3排不锈钢货架并放置了用纸盒包装的食品、文具、玩具等作为可燃物，图1(b)分别放置了与航站楼相同型号的普通椅和商务椅各1 张，以及放有书籍的书架作为可燃物;在可燃物距地面0.3 m 处安装插线板，通过调压器可对插线板的输入电压进行控制。试验开始时，输入较高电压使插线板引燃，进而引燃可燃物。在距起火点水平和垂直距离均为 0.5m 处布置测温热电偶以监测温度，为尽量避免高温烟气对补偿导线的影响，热电偶补偿导线采用硅酸铝纤维棉保护，并采用锥形量热计监测 H 和生烟速率(Smoke Produce ate，SP);在距试验台距离1.5 m 处安置红外热像仪和摄像机，并定时进行拍摄;采用二氧化碳气体检测仪和氧指数测定仪分别进行 CO2和 O2浓度的测试。2)模拟试验方法。参照文献 10，采用 FDS 软件构建与实体试验等尺寸的模型试验平台。商铺、普通座、商务座和书架 4 组模型设置相同数量的网格，其中可燃物需要分别赋予不同的可燃材质。在模型 1 上方设置 4 个排风量均为 15 m3/s 的排风机，模型 2 模型 4 上方各设置 1 个排风量为 15 m3/s 的排风机。4 组试验的火源位置均设在距地面 0.3 m 处，模型 1 的起火点为最左侧的货架，模型2 模型4 的起火点为整个可燃物，火源的单位热释放率均为 106kW/m2。参考实体试验，模拟试验的测温点在距可燃物水平和垂直距离均为 0.5 m 处布置。图 2模拟试验平台Fig 2Simulation test stand1.2数据分析方法参照文献 11，对比分析实体试验和模拟试验的温度和热辐射结果，采用 IBM SPSS 25.0 与 Python2.2.17 软件，对测试结果进行聚类与相关性分析。2试验结果与讨论2.1实体试验与火灾模拟的对比2.1.1可视观测实体试验与火灾模拟的可视化观测结果见图8601Vol 23No4安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 4 期3。由图3(a)可知，实体试验开始 1 min 后，插线板由于电压过高被点燃，引燃了周围的可燃物。试验开始8min 后，4 组可燃物的火势均发展到较大程度，其中商铺左侧货架的火势开始向中央货架蔓延，火势的扩散最明显;普通座的火势最小，这是因为普通座上仅有部分软垫为可燃物，因此火灾荷载质量比其他3 组更小，导致燃烧更不剧烈。试验开始 15 min 后，商铺货架的火已被扑灭，普通座和商务座的火势也趋于熄灭，而书架还在燃烧，这是因为书架的荷载质量比其他3 组的更大，在试验15 min 后可燃物仍未完全烧尽。由图3(b)可知，模拟试验进行1 min 后，可燃物均被引燃，商铺货架的燃烧程度比其他 3 组更剧烈，烟气弥漫也更明显，这可能是由于火灾荷载间的间隙较大，燃烧更充分。模拟试验进行 8 min 后，4 组模拟试验的火势均达到较大程度，尤其是商铺货架的烟气弥漫最明显，说明其火势最强。运行 15 min后，火势逐渐减弱，这主要是因为可燃物逐渐烧尽。对比图 3(a)与(b)可知:实体试验与模拟试验在进行 1 8 min 时的火势情况基本接近;在进行8 15 min 时，书架的火势也没有比普通座和商务座的更明显，这可能与可燃物赋值等模型参数条件的选取有关12，表明数值模拟仅能给可燃物赋予不同的材质，但较难模拟出可燃物的真实燃烧特性。图 3实体试验与模拟试验的燃烧过程Fig 3Combustion process of real test and simulation test2.1.2燃烧规律实体试验与模拟试验的温度变化规律见图 4。由图4(a)可知:试验进行3 min 后，温度呈指数上升的趋势;试验进行 5 8 min 时，温度先达到峰值之后迅速下降，其中峰值从大到小依次为商务座、书架、普通座和货架。由图 3(a)和图 4(a)可知，温度变化规律与火势的发生、发展和熄灭规律具有相似性，即温度和火势均在达到峰值后呈现立即下降的趋势。这可能是因为随着可燃物的燃烧，火灾荷载质量迅速减小，使得火势迅速减弱。图 4实体试验与 FDS 模拟试验的温度变化Fig 4Temperature variation of real test andFDS simulation test由图4(b)可知:模拟试验进行3 min 后，温度也呈指数上升的趋势;模拟试验进行 4 5 min 时，温度达到峰值，4 组可燃物温度峰值大小相近，但在模拟试验进行 5 10 min 时，书架的温度仅略有下降，而其他 3 组的温度保持稳定。结合图 3(b)和图4(b)可知，在模拟试验进行 8 min 以后，4 组的火势虽然明显减弱，但是温度没有明显下降。火势减弱可能是因为火灾荷载的质量随着燃烧而快速减小，导致火势范围明显减少，烟气减弱;温度未明显下降的原因可能为模型的火灾荷载质量比实际值稍大，因此，模拟试验进行 8 min 后燃烧过程仍在进行。对比图 4(a)和(b)可知，实体试验中商务座和书架的温度峰值比普通座和货架的更高，而在 FDS软件模拟中 4 组可燃物的温度峰值相近，这表明实96012023 年 4 月袁沙沙，等:航站楼公共区的实体试验与模拟试验研究Apr，2023体试验和模拟试验测得温度的影响因素不同，在实体试验中可燃物的燃烧性质对温度的影响效果较明显，商务座和书架的 H 较高，因此这 2 组可燃物监测到的温度较高;在模拟试验过程中，由于货架的体积较大，燃烧时可能释放更高的热量，所以监测到的温度与商务座和书架的相近。在实体试验和模拟试验进行 5 12 min 时，实体试验的温度比模拟试验的温度低 16.67%50%，分析其原因可能与燃烧性质有关，另外随着燃烧的进行，氧体积分数的减小也会逐渐削减燃烧程度，使得实体试验的温度有所降低。因此，燃烧性能和氧体积分数是影响实体试验火势和温度的主要因素。2.2实体试验与模拟试验的影响因素2.2