地下室火灾的计算机建模

2021年1月7日

UL 的科学家、工程师和研究人员团队正致力于通过各种方式创造“新科学”。从现场实验到计算机建模，从统计分析到风险量化，我们孜孜不懈，为提高产品质量、改进技术、方法、流程和标准而上下求索。

地下室火灾建模的意义

地下室火灾是消防员面临的极端危险的挑战。在二十世纪七十年代末，建筑物内部火灾导致的消防员的死亡率为每 100,000 起火灾死亡 1.8 人。到了二十世纪九十年代末，死亡率上升到每 100,000 起火灾死亡 3 人。Fire Engineering（消防工程）指出，“大部分的消防员死亡或重伤事故归根结底是由地下室火灾造成。

”综合上述原因，通过实验和高级工程分析手段来了解地下室火灾特有的安全风险显得尤为重要。为了利用并进一步探索从实物实验中获得的知识，UL借助基于计算流体动力学 (CFD) 的火灾模拟工具来扩充可用的实验数据集并深化对火灾的认识。

背景

今天，大型住宅、敞开式楼层设计、合成型可燃物负荷和新型建筑材料共同加速了火灾发展阶段的演变，制造了更加危险的火情。值得注意的是，工程木制品是导致消防安全风险上升的一个重要诱因，为达到经济环保型建筑产品的要求，它们正被越来越多地用于建筑材料当中。遇到着火情况时，轻质复合地板在较短时间内导致结构失效的风险更大，因为与传统木地板相比，这些工程制品的横截面尺寸更小。发生地下室火灾或源自地下室的火灾时，到达现场的消防人员往往对大火已经烧了多久、出现火情的地板系统是何类型或者地板系统的结构稳定性如何一无所知。

在先前发表的《地下室火灾新动态》一文中，我们详细介绍了 UL 为更好地了解住宅地板系统对火灾的响应而开展的各种研究实验以及从中获得的结果和见解。除了这些研究实验，我们还建立了热-机械有限元模型来模拟结构响应，并建立了基于CFD 的火灾模型来模拟火灾动态以及不同通风方案对火灾的影响。在本文中，我们将介绍通过火灾建模工作所发现的不同通风方案对地下室火灾动态的影响。

^{为达到经济环保型建筑产品的要求，工程木制品被越来越多地使用，导致消防安全风险不断上}

UL 工作成果

根据从带复合工字木梁天花板结构的地下室火灾现场实验中获得的数据，我们使用火灾动态模拟器软件建立了同一实验基于 CFD 的火灾模型，并将结果进行了对比。从完全通风模型可获得与实验结果大致相同的数据，从而提供了一阶验证。由于火灾动态与通风条件紧密相关，因此我们选择通过运用多个不同的模型，而非开展代价高昂

的大规模火灾实验来确定这种敏感性。在其他模型中，我们通过在不同时间点打开或关闭门窗来改变通风条件。场景的选择旨在帮助检验从完全通风到通风不良的一系列通风条件下模型预测的质量。

根据不同场景的建模，我们发现：

对于在整个模拟过程中门窗全部打开的完全通风地下室场景，与实验数据对比后发现模型预测的结果质量颇高。与仅可从若干离散点获得数据的实验相比，地下室火灾模型可生成地下室整体的温度（气体和热电偶）、气流、烟雾流动和其他变量。这有助于我们更深入地了解火灾动态。该模型还捕获到一些关键特征，例如空气和热量沿天花板工字木梁所形成的通道发生流动，导致入口处的热量和火焰向地面一层蹿升。
在起火后门窗突然打开的其他一些场景中，模型显示门窗打开的时机以及开口的位置可能会对火灾动态产生显著影响。
实验前先进行模拟可能有助于了解在建筑物内如何放置传感器才更有效和更实用。