某加油站典型火灾过程数值模拟案例

A Numerical Simulation Case on Typical Fire Process in a Gas Station

摘要: 本文运用PyroSim火灾动态模拟软件，对某加油站站房火灾的发生、发展过程进行了数值模拟，简要讨论了火灾过程中温度、CO、烟气蔓延、能见度、火焰发展和热释放速率等关键参数的变化规律。从模拟过程及结果来看，PyroSim火灾动态模拟软件能较好地模拟火灾发生和发展过程，其强大的数据后处理功能，能得到直观形象的数值结果，计算结果与实际站房火灾烟气蔓延趋势吻合较好。本文的研究方法与结论可为加油站火灾安全的性能化设计提供一定参考。

Abstract: Fire simulation software PyroSim was used to simulate the occurrence and development pro-cess of a station building fire in a gas station. The variation of key parameters, such as tempera-ture, CO, smoke spread, visibility, flame development and heat release rate etc., in fire process were discussed briefly. From the simulation process and results, the fire software PyroSim can better simulate the process of fire occurrence and development, and its powerful post-processing function of data can also get visualized numerical results, and the calculated results are in good agreement with the fire smoke spread trend of the actual situation. The method and conclusions of this article can provide some useful references to the design of a gas station.

1. 引言

加油站属于典型的涉危险品场所，火灾、爆炸风险较大。加之加油站作业频繁，流动车辆多，人员来往复杂，这在客观上给加油站的安全管理工作也带来了隐患 [1] [2]。在加油站作业过程中稍有不慎，就可能会引发火灾、爆炸事故，从而造成人员伤亡和财产损失。

加油站站房是加油站的主要建筑物，其火灾事故具有突发性和火势蔓延迅速等特点，特别是站房一般距离储油区不远，站房遭遇火灾后一旦影响至储油区，后果将不堪设想。因此，研究加油站站房火灾过程，对于了解加油站火灾过程规律、应急扑救加油站火灾、减少或避免人员伤亡和财产损失具有重要的意义。

本文针对加油站站房典型火灾过程，采用数值计算的研究方法，运用PyroSim火灾动态模拟软件，着重讨论火灾发生、发展过程关键火灾参数的变化规律。一方面，可以为深入研究加油站火灾规律及其应急处置方案提供参考，另一方面，可以为安全工程专业的研究生工程中的数值方法课程提供一份工程应用教学案例。

2. 火灾模型的构建与参数设置

2.1. 物理模型

由于加油站区域面积较大，因此本文只对核心区域进行建模，主要为加油亭和配套办公储藏室区域，其尺寸规格为：加油亭长11 m，宽9.7 m，高6.2 m；配套办公区域长18.5 m，宽6.5 m，高4 m，其中左侧办公房间内布置有几组沙发、茶几和办公桌，中间房间为辅油储藏间，右侧房间为储藏室，放置有若干储物柜。根据上述数据建立的物理模型如图1所示。

Figure 1. Physical model

图1. 物理模型

2.2. 火灾情景与参数设置

经广泛调研发现，明火和电气两个因素是加油站站房火灾发生的主要原因 [2] [3]。本文着重模拟电气火灾过程，着火房间为上述值班室内，火灾工况如下：

火灾情景：由于电器设备老化、短路、接线不规范或电器使用不当等引起的电气火灾。

值班室内可燃材料参数设置 [4]：

1) 沙发：聚氨酯泡沫，密度40 kg/m³，比热1.0 kJ/(kg∙K)，导热系数0.05 W/(m∙K)，化学反应热1500 kJ/kg；

2) 沙发靠垫、脚垫：纺织物，密度100 kg/m³，比热1.0 kJ/(kg∙K)，导热系数0.1 W/(m∙K)，化学反应热3000 kJ/kg；

3) 茶几、办公桌：松木，密度640 kg/m³，比热2.85 kJ/(kg∙K)，导热系数0.14 W/(m∙K)，化学反应热3350 kJ/kg。

起火位置：如图2所示。

Figure 2. Ignition location

图2. 起火位置

为了模拟办公室内火灾发展过程，分别在值班室地面以上1.0 m，2.0 m和3.0 m位置处布置了温度、能见度、CO浓度监测点，用以监测室内火灾环境；分别在Z = 1.0 m、Z = 2.0 m、Z = 3.0 m处布置了温度、能见度、CO浓度切片。

2.3. 计算网格的设定

数值模拟计算中，网格精度对计算结果精确性有很重要的影响。FDS提供了一种计算方法来确定相应的网格尺寸，计算公式如下 [5]：

$D^{*}={\left(\frac{Q}{{\rho }_{\infty }{C}_p{T}_{\infty }\sqrt{g}}\right)}^{\frac{2}{5}}$ (3.1)

式中： $D^{\text{*}}$ ——为火源特征直径(m)，Q——为总的热释放速率(KW)，ρ_∞——为空气密度(kg/m³)，C_P——为环境空气比热kJ/(kg∙K)，T_∞——为环境空气温度(K)，g——为重力加速度(m/s²)。

由公式(3.1)可知，影响网格精度的因素主要为Q热释放速率。考虑到值班室内火灾情况与室内可燃材料性质自身有关，与参考文献 [6] [7] [8] [9] [10] 中预先设定的固定火源情形不同，本文模型预先并不能确切了解模型究竟会形成多大的火灾规模。综合考虑计算模型精度、计算机性能、计算时间成本等因素，通常通过公式(3.2)计算选择合适的网格尺寸大小 [9]。

$\frac{D^{*}}{{\delta }_x}\in \left(4,16\right)$ (3.2)

式中： $D^{\text{*}}$ 为火源当量直径；δ_x为实际模拟中方向上单个网格大小。

由此计算得出本文可选用的网格精度在0.2~0.8 m之间，本文模拟最终选取网格尺寸为0.2 m × 0.2 m × 0.2 m，可以同时满足公式(3.1)和公式(3.2)的要求，同时也能平衡了计算时间成本。

3. 火灾动态模拟结果与分析

3.1. 温度分布

假定人员平均身高为2 m，讨论Z = 2 m处的各项参数，对于分析人员逃生时间、扑救火灾有效利用时间等具有重要意义。图3为Z = 2.0 m高度处不同时刻火场内温度分布图。图3表明，在Z = 2.0 m高度处最高温度达到了370℃。由于火灾发生在封闭空间内，高温烟气被限制在室内，没有冷空气进入降低火灾温度，因此该火灾情景下的温度要比一般明火火灾情形高约200℃ [11]。从图3可以看出，在本文的模拟工况下，火场温度变化非常迅速，150 s时Z = 2.0 m切面平均温度约为100℃，而600 s时已迅速升高至230℃以上，此时的火场温度已对室内人员构成严重威胁。

Figure 3. Temperature distribution at the height Z = 2 m of the burning room

图3. 着火房间Z = 2 m高度处温度分布图

3.2. CO浓度分布

火灾中的燃烧过程会产生很多物质，如烟气固体颗粒、多种有毒有害气体和液体。火灾中对人员安全疏散影响较大的主要是有毒有害气体和一些窒息性气体。火场中常见的有毒气体主要是一氧化碳。一氧化碳的密度与空气相近，容易与空气均匀混合，人体吸入过量的一氧化碳就发生中毒昏迷，甚至死亡。

图4为电气短路火灾工况下，不同时刻火场Y = 4.85 m平面切片上的CO浓度分布。从图4可以看出，由于火灾情景是室内封闭空间，CO不断从着火点产生，在600 s时室内CO浓度最高甚至达到了1500 ppm。由于高温烟气被限制在室内，并且没有冷空气补入稀释室内CO浓度，此时人员在此环境中2~3分钟就会发生意识不清甚至昏迷的情形。因此，封闭环境下的电气短路火灾对人员的安全疏散会造成严重威胁。从相同时刻不同时刻CO分布还可以看出，室内空间仅仅在300 s之后就已经被CO完全弥漫，而且浓度已达到对人体造成伤害的500 ppm。

Figure 4. CO concentration distribution at plane section of Y = 4.85 m

图4. Y = 4.85 m平面切片CO浓度分布

3.3. 烟气蔓延速度

图5为火灾在初始工况(火源的热释速率为1000 kW/m²，火源面积为0.2 m × 0.2 m)下，烟气蔓延情况图。从图5可以看出，在设定工况下，烟气蔓延速度非常快，仅6 s烟气即从着火点窜至站房顶部天花板，由于站房高为4 m，因此烟气上浮速度约为0.67 m/s。在约18 s后烟气就由屋顶向下蔓延至Z = 2 m高度处，此时烟气的下降蔓延的速度在约为0.09 m/s，远远小于，上升阶段的蔓延速度。这主要是因为上升的烟气遭遇天花板后迅速向四周扩散，在此过程中热烟气的浮力导致烟气下降蔓延的速度大大降低 [7] [8] [9]。约30 s后大量烟气就由屋顶向下蔓延至Z = 1 m高度处，在约2分钟后站房就充满了黑烟。从模拟结果可以看出，假设人员平均身高为2 m，那么此种工况下，从火灾发生到人员发现的时间约为18 s左右，而留给人员逃生、扑救火灾的时间约为2分钟。在200 s之后，室内完全被热烟气灌满，已超过了人体能够承受的极限。这也说明门窗封闭的情况下，烟气难以排出导致迅速积聚，此时的火灾更加危险。

Figure 5. Smoke spread process

图5. 烟气蔓延情况

3.4. 能见度分布

图6为不同时刻X方向火场能见度分布图。图6显示，在室内火灾发生的600 s时间内，随着火灾持续时间延长，室内火场中的能见度分布迅速降低，因为火灾工况是封闭的，烟气环境变得更加危险，烟气难以排除并且迅速积聚，在200 s之后，室内完全被热烟气灌满，能见度参数降低至0 m，已超过了人体能够承受的极限 [4]。

Figure 6. Visibility distribution at X-direction

图6. X方向能见度分布图

3.5. 火焰蔓延情形

图7为电气短路火灾工况下，不同时刻火焰蔓延的情形。从图7电气短路引起周边可燃物发生燃烧的火焰分布图上可以看出，在150 s时，沙发首先被引燃，并且可燃物少量燃尽，同时可燃材料燃烧释放的热量继续引燃了旁边的可燃物，在火灾发生了10分钟后，可燃物燃尽了大部分，并且附近办公桌也被点燃。

3.6. 火灾发展过程分析

图8为电气短路火灾房间中间位置地面以上Z = 1.0 m，Z = 2.0 m和Z = 3.0 m高度位置的温度曲线，从图上可以看出以下规律：1) 相同高度位置的温度，电气短路火灾温度较高，电气火灾的温度达到了230℃；2) 电气火灾引燃时间较长，在约30 s左右材料才开始燃烧，但是电气火灾发展速度较快，整体温度更高；3) 不同火灾工况下，热电偶位置越高，温度越高，这是由于热烟气密度较小，先聚集在楼板处再慢慢沉降原因所致；4) 在Z = 2.0 m处，温度已经达到了180℃，远远大于人体能够承受的温度极限，可见电气短路的封闭室内火灾的危险性更大。

图9为电气短路火灾热释放曲线。从图上可以看出电气火灾的最大热释放速率约0.9 MW。一般来说，明火火灾初始火源面积大，火源功率大，随着火源附近的可燃物被引燃，火灾曲线缓慢发展，热释放曲线相对电气火灾来说较为稳定，然而，从图9可以看出，模拟工况下电气火灾的热释放曲线释放波动性较大，这主要是由于可燃材料在火灾中不断被引燃蔓延并且出现可燃物燃尽的现象。即曲线上出现的热释放突然下降反映了此时刻部分可燃物已燃尽。

Figure 7. Flame distribution at X-direction

图7. X方向火焰分布图

Figure 8. Temperature curves for thermocouples at different heights in the middle of the room

图8. 房间中部不同高度热电偶曲线

Figure 9. Heat release curve of the fire process

图9. 火灾过程热释放曲线

4. 结论

本文针对某加油站典型火灾过程，运用PyroSim火灾动态模拟软件，对加油站站房电气火灾发生、发展过程进行了数值分析，定量评估了站房火灾风险性，简要讨论了火灾过程的温度、CO、烟气蔓延、能见度、火焰发展和热释放速率等关键参数的变化规律。本文的研究方法及结论，不仅可为加油站火灾安全的性能化设计提供一定参考，同时也可为安全工程专业的研究生工程中的数值方法课程提供一份工程应用教学案例。本文的主要结论如下：

1) 在模拟工况下，火灾发展非常迅速。在200 s时，室内已被热烟气完全占据，能见度也降低至0；在300 s时室内已被CO完全弥漫，且CO浓度已达500 ppm；10 min时，高度z = 2 m切面的平均温度已高达230℃，此时附近办公桌将被点燃。

2) 从模拟结果来看，火灾过程最大热释放速率约为0.9 MW，与一般火灾相比电气火灾引燃时间较长，但是火灾发展速度较快，整体温度更高，因此电气火灾的危险性更大。

3) PyroSim火灾动态模拟软件能较好地模拟加油站火灾发生和发展过程，能得到形象直观的数值结果，且计算精度较高，与实际站房火灾烟气蔓延趋势吻合较好。

基金项目

本文得到国家自然科学基金(No. 51704301)、重庆市高等教育教学改革研究项目(No. 193353)、陆军勤务学院教改项目基金(No. 2019-098)资助。