充气膜结构是利用柔性膜材在某种有压差的气体(通常为空气)作用下这一特点,形成一种具有稳定形态及一定刚度的结构形式。充气膜结构一般分为气承式膜结构和气胀式膜结构。充气膜结构在民用和航天领域中都有比较广泛的百富策略白菜网。随着2008年奥运国家游泳中心中标方案———“水立方”的固护体系采用充气膜结构形式,充气膜在我国将更广泛地被运用到工程实践中。鉴于充气膜结构大空间建筑火灾与普通建筑火灾具有很大的差异,传统的“处方式”防火规范已不一定适用于充气膜大空间的防火设计。如何有效预防充气膜结构建筑火灾和控制火灾烟气蔓延,以减少火灾对人员的生命和财产造成的损害,是当前火灾科学研究工作者面临的新挑战。因此,对充气膜结构建筑火灾烟气的蔓延规律进行研究,对于可靠预测火灾并进一步制定火灾扑救预案、减少人员伤亡具有十分重要的现实意义,并且有助于提高大空间火灾防治的主动性和针对性,对日后发展和完善性能化防火设计也有一定的参考作用。

充气膜结构通常为大空间结构体系。大空间高温烟气流动可以视为非定常的三维流体流动及传热传质过程。其数学模型是以物质守恒、能量守恒及动量平衡等基本定律为基础建立起来的化学流体力学基本方程组,即:连续性方程、动量方程、能量方程和组分方程。

连续性方程:

动量方程:

其中,i=1、2、3;

组分质量守恒方程:

能量方程通常表示成内能变化形式、焙变化形式和温度变化形式。在经典的燃烧理论中,通常使用表达成温度变化的能量方程:

上述方程构成了研究充气膜大空间内部火灾烟气流动的数学模型。此外,在浮力效应下,着火区域范围内热烟气上升形成一定厚度的热烟气层,并随烟气的不断产生而迅速膨胀,向两侧扩充,同时下部冷空气流向火源,此时火场两侧形成对称的循环风流。

采用FDS进行模拟计算,模拟对象为一个采用充气膜结构的大空间建筑,呈半球型,模拟模型见图1所示。

建筑长约97m,宽约80m,中心高约32m,出入口尺寸为5m×4m。根据火源位置的不同共建立4个火灾场景。各火灾场景的火源位置分别位于模型结构中心处、中心左四分之一跨处、靠近左边墙壁处和靠近门口处。其中,靠近门口处的火源位置为发生火灾时的最不利点,即人员疏散的最不利点。火源功率6 MW,燃烧模型均为t2火燃烧模型,模拟时间900s(因为大部分实际火灾15min左右就基本燃烧完全)。每个火灾场景在X、Y、Z方向上都设有温度切片,通过观察温度云图再结合空间24个热电偶提供的全程温度-时间数据可知各火灾场景的温度场分布特性。工况设置如表1所示。

由于充气膜结构属密闭性结构,为了防止内压泄漏影响结构的正常使用,FDS模拟时事先在结构左上角安置一个风机。网格的尺寸为1.0m×1.0m×0.5m,共80万个网格。火源是1.0m×1.0m×0.5m的长方体,考虑结果分析的需要,模型设置了一系列热电偶用于参数采集。热电偶的空间布局如图2所示。

笔者以火灾场景2为例进行数值模拟结果分析。

取风机风速v=5m/s时不同时刻的压强图,如图3所示。由图3可见,100s时整个充气膜内部区域的压强基本等于大气压;300s时,燃烧物上方的压强开始发生变化,渐渐增大;600s时,空间内2/1区域的压强发生了变化,并且从下部到上部逐渐上升;900s时,充气膜顶部的相对气压已经达到15Pa。此场景中相对压强的变化同中心火源处相比,模拟的结构基本相同,温度升高时,上部气流受到加热向上,促使上部的压强越来越大。

图4显示100、300、600、900s时刻的相对压强变化曲线图。火灾燃烧初期,室内总体相对压强应持续在一个相对稳定的水平。但图4出现了负压现象。分析其原因在于:一是可能与可燃物的位置有关,处于建筑轴线的1/4处,同建筑物中心一样,这是特殊点;二是可能与风机有关系,风机处伴随着进风和送风,会影响压强变化。

火灾燃烧中期(300s),室内总体相对压强持续在一个相对稳定的水平。随着高度的增加,相对压强呈现缓慢上升的趋势。建筑物中心处上方的相对压强变化相对明显。除火源处和建筑物中心处外,风机处和门口处相对压强曲线基本重合,说明其变化情况基本相似。由图4可知,这两处相对压强在竖直方向变化很平稳,梯度很小,呈稳定趋势,相对压强基本无变化。

火灾发展中后期(600s),无论是1/4火源处、门口处、风机处还是门侧左边角落处,其相对压强都呈现上升状态,此时刻压强的增长速度明显加快。随着时间增加,温度越高,空气流速加快,温度对相对压强有着极大的影响。随时间增长,门口处、风机处的相对压强曲线基本重合,说明他们的变化情况基本相似。由图4可知,这两处温度在竖直方向变化很平稳,梯度很小,呈稳定趋势。

火灾衰减初期(900s),总体温度相对还是较高的,所以建筑物上部相对压强还处在一个较高的水平。建筑中心处最高点压强最大,随着高度增加,相对压强也越大。门口处和风机处的压强曲线完全重合,说明他们的变化情况基本相似。由图4可知,这两处温度在竖直方向变化很平稳,最高相对压强为19Pa。该时刻是烟气聚集最多的时候,大量烟气由膜上空向下逼近。

由以上4个时刻的图可以得出,尽管发生时刻不同,但不同时刻所表现出的过程是类似的,参数增长的总体趋势也是相同的。风机处压强随着高度增加而增加,在远火源处增长幅度较小。在整个过程中,最高相对压强接近20Pa。

图5为风机风速为1.2 m/s时,y=0方向在100、300、600、900s时CO体积分数变化。观察截图可以发现,100s时空间CO体积分数变化较小,只在火源处正上方出现变化,随着时间推移,变化逐渐明显;300s时CO体积分数已经较高,并且空间上部1/3区域都被CO充满;600s时,中心火源的垂直上方CO体积分数较高,其余空间呈现喷淋状继续蔓延整个空间。火焰正上方CO体积分数维持较高水平,其余部位均较低;900s时,CO体积分数已经占到整个空间的4/5,并且中心处的CO体积分数达到8.5×10-6,离地面最近处维持在3.2×10-6左右。

风机风速为1.2m/s时,随着时间的增长,火灾烟气蔓延,同时充气膜内的能见度下降。图6为X=0方向在100、300、600、900s时的能见度。

在正常没有烟气的情况下,普通人的最高视程是30m,安全疏散的时候所需要的能见度以及烟气浓度的关系,如表2所示。

观察图6可以发现,100s时除了火焰正上方区域能见度较低外,其余部分能见度均在28m;300s时,由于烟气的逐渐积聚,上方的烟气层增加造成能见度下降;600s时,空间上部约1/2的区域能见度显著下降,处于10~12m之间;900s时,空间约3/4的区域能见度在13 m左右。根据表2,若对建筑不熟悉的人,能见度已经达到了临界值。

通过设置不同的火灾场景,分别从压强、CO体积分数和能见度对充气膜结构内的火灾发展进行分析,主要得到如下结论:

(1)温度是影响相对压强的重要因素之一,在不同的火源位置,相对压强的增长趋势是不一样的;

(2)火源位置的改变对充气膜结构内的烟气流动影响极大;

(3)在火源附近处垂直高度最高点的相对压强、烟气温度、CO体积分数上升的速度很快并且数值相对于整个模拟过程中的数据较高,烟气层的高度和能见度也会下降到最低。远离火源处的温度和CO体积分数上升缓慢,能见度相对于其他区域较高;

(4)风速为5m/s时能见度大大高于风速小的场景,空气流速对整个室内的压强及能见度有着极大的影响;

(5)在实际工程中还应合理设置侧排或顶排、增加风机进气量。若采用自然排烟,顶部排烟打开时膜面降温效果会比侧排方式好,但由于开口尺寸相对于模型尺寸很小,整体降温效果不佳,所以应采取合理的机械排烟系统,尽可能在火灾发展初期把烟气排出去;

(6)如果是公共建筑火灾,还需考虑人员安全疏散。建议至少再开一个紧急疏散门,适时开启消防疏散门,根据不同的火灾场景应采取不同的人员疏散方案。尽量在最短的时间完成人员疏散,因为通过试验得知,火灾演化速度相当快,如果不及早疏散,到后期高温分布整个空间,将使人员处于极大的危险中。