双室木质工棚火灾发展与蔓延：全尺寸实验与FDS验证研究

《Fire》：Fire Development and Spread in a Two-Room Wooden Site Cabin: Full-Scale Experiment and FDS Validation

　　

木质工棚与模块化单元是可燃围护结构，其中单一家具火灾可迅速波及相邻房间，然而涉及可燃内衬的多隔间火灾发展的全尺寸实验数据仍然匮乏。本文介绍了一项在带有可燃内衬的双室木质工棚中进行的全尺寸火灾实验，并辅以基于火灾动力学模拟器（FDS）的简化数值研究。一个F21型扶手椅，在着火房间角落使用庚烷作为助燃剂点燃，充当主火源。通过分布在隔间、门道和窗户处的19个热电偶监测温度发展。实验中，火焰从扶手椅迅速发展，约2.5分钟后在主房间达到轰燃，随后通过内部门口蔓延至相邻隔间，并导致窗户失效。FDS模型采用了简化的可燃内衬表征，表面点火温度为340 °C，单位面积热释放率（HRRPUA）设定为150 kW m-2。在应用经验性时间对齐46秒后，模拟再现了增长阶段和早期充分发展阶段的一般温度发展情况。实验中两个房间最早轰燃阈值跨越的时间间隔为36秒，模拟中为24秒，表明模型中隔间之间的过渡更为迅速。这一差异可能部分归因于对可燃表面点火和火焰蔓延的简化处理。然而，时间对齐和简化的建模假设限制了关于独立预测精度的结论，特别是对于事件时序和后期温度发展。本研究的主要贡献是为研究轻质、可燃多隔间结构中的火灾发展和蔓延提供了一个全尺寸实验参考案例。实验数据和辅助数值材料可通过Zenodo公开获取，以促进进一步的模型评估和研究。

研究背景与问题提出

轻质木质工棚和模块化单元被广泛用作建筑工地办公室、临时住房以及露营地假日公园的住宿和服务设施。由于其墙壁、内衬和内含物大多为可燃材料，单个家具引发的火灾能在数分钟内波及整个房间并蔓延至相邻房间，留给居住者极短的响应和安全疏散时间。隔间火灾的发展不仅受初始燃料包和通风条件的影响，还受到周围建筑材料的热特性和燃烧特性的制约。当存在可燃内衬时，火焰向墙壁和天花板的蔓延会贡献额外燃料，改变热释放速率，并影响向全室卷入的过渡。在多房间结构中，这些过程还会通过开口和连接门道影响相邻隔间的热暴露。然而，涉及可燃内衬的多隔间火灾发展的全尺寸实验数据仍然十分匮乏。现有的采用气体燃烧器的预设火灾实验虽然提供了可控边界条件，但未必能再现火灾增长、可燃家具与可燃建筑表面参与之间的耦合相互作用。因此，开展包含家具火源和可燃建筑表面的全尺寸实验，对于理解此类结构的火灾动力学以及评估数值模型的预测能力至关重要。

研究目标与意义

本研究的主要贡献在于提供一个记录完整的全尺寸火灾实验，用于研究双室木质工棚中的火灾发展和隔间间火灾蔓延。该实验涉及软垫家具火灾和可燃建筑表面，使得可以检验着火房间和相邻隔间的热发展。通过将实验测量数据、几何结构、仪器细节和支持文件公开共享，该研究旨在为独立分析和评估数值火灾模型提供一套可重复使用的实验数据集。研究的次要目标是探究简化的FDS模型能够在多大程度上再现实验观察到的温度发展和关键事件（如火灾增长和隔间间火灾蔓延）。该比较旨在评估所采用的建模方法在当前火灾场景下的表现及其局限性，而非确立其普遍的预测有效性。

关键技术方法

研究人员采用了一种结合全尺度物理实验与数值模拟的研究方法。实验方面，在一个尺寸为6.0 m × 2.44 m × 2.59 m（长×宽×高）的全尺寸双室木质工棚中进行。工棚由中央木质隔墙分为着火房间（2.92 m × 2.32 m × 2.40 m）和相邻房间（2.63 m × 2.42 m × 2.37 m）。火源为一个放置在着火房间角落、质量约28 kg的F21型软垫扶手椅，使用约150 mL庚烷作为助燃剂点燃。温度测量采用分布于各隔间、门道和窗户处的19根K型铠装热电偶（直径3 mm），采样间隔约3秒。数值模拟方面，使用火灾动力学模拟器（FDS）版本6.11.1进行建模。模型忠实再现了内部几何结构和通风开口。火源被建模为局部0.64 m²的燃烧器表面，遵循t²增长曲线，峰值热释放率为2 MW。可燃边界采用简化的点火温度法建模，表面温度达到340 °C时点燃，随后释放预设的单位面积峰值热释放率（HRRPUA）150 kW m^-2。墙壁和天花板定义为复合结构，包含50 mm聚氨酯泡沫保温层夹在两个20 mm木板之间。网格敏感性研究采用了三种单元尺寸（0.20 m、0.10 m和0.05 m），最终选择0.10 m网格作为计算成本与精度的折衷方案。

研究结果

4.1 时间对齐与虚拟原点

由于FDS模型采用预设火灾增长曲线，未明确表示实验中观察到的初始点火和火灾建立过程，研究人员应用了一个经验性常数时间偏移量46秒，将模拟结果与实验的生长阶段温度发展进行对齐。该偏移量被视为后处理对齐参数，而非独立预测的点火延迟。

4.2 实验火灾发展

在初始阶段，点火源正上方的气体温度在前约60秒内保持接近环境温度。此后温度迅速上升，在145秒至156秒之间跨越600 °C的轰燃阈值，并在充分发展阶段达到1000 °C至1275 °C的峰值温度。着火房间中心以及紧随其后的相邻房间都遵循相同的增长轨迹，证实了火灾从角落扶手椅起源、充满主房间、随后通过内部门口溢出并点燃相邻房间的预期蔓延机制。实验末期约320秒后，相邻房间测量到明显的温度下降，其原因尚不明确，可能与通风条件变化或测量系统故障有关。

4.3 模拟火灾发展

模拟的总热释放率（HRR）显示，火灾始于燃料控制状态，远低于通风极限。着火房间在162秒（对齐时间线上）发生轰燃，相邻房间在186秒发生。模拟中，窗口失效由预设的200 °C气体温度阈值触发，导致窗户在对齐时间线的约166秒处移除，早于实验中观察到的约246秒。模拟达到的峰值总HRR约为8.5 MW，显著超过了估算的通风限制HRR，这与外部火焰现象一致，表明存在通风控制型火灾发展。

4.4 实验与模拟的比较

在应用46秒时间对齐后，模拟再现了增长阶段和早期充分发展阶段的一般温度上升趋势。实验中两个房间最早轰燃阈值跨越的时间间隔为36秒，而模拟中为24秒，表明模型中隔间间的过渡更快。该时间间隔不受恒定时间对齐的影响。在门窗温度对比中，FDS模型再现了出口上层气体的极端高温，但模拟维持了清晰的较冷下层热分层，而实验中门道在全高度上均变热，暗示了强烈的湍流混合或传感器阵列的机械坍塌。模拟中窗户失效后温度过度预测至1100 °C至1300 °C，显著高于实验约700 °C的平台期，这可能与模拟中瞬时移除整块玻璃的理想化表示以及实验中残留玻璃碎片减小有效开口面积有关。

4.5 讨论

比较分析揭示了简化FDS模型的两个主要发现。第一，在经验时间对齐后，模拟再现了火灾增长阶段和早期充分发展阶段的一般温度发展，但在后续温度发展中存在差异，包括实验中出现的一个后期温度峰值未被模拟重现。第二，模拟再现了两个房间轰燃的先后顺序，但预测了更短的轰燃阈值跨越间隔（24秒对比36秒）。该差异可能与可燃表面点火和火焰蔓延的简化处理有关。简化的可燃内衬模型引入了额外局限性，例如预设的HRRPUA在点火后不会动态响应表面温度变化。其他差异还包括后期相邻房间温度骤降、门道全高度高温现象以及窗户温度过高等，这些可能与通风条件变化、传感器失效、湍流混合以及玻璃破裂的简化表示等因素有关。

讨论总结与结论翻译

讨论部分指出，简化的FDS模型能够再现火灾增长阶段的一般温度发展和轰燃序列，但无法捕捉所有细节，尤其是在事件时序和后期温度发展方面存在局限。模型预测的隔间间轰燃传播更快，这可能源于对可燃表面点火和火焰蔓延的简化处理。此外，窗户失效的简化表示（瞬时完全移除）导致了局部温度和通风条件的偏差。研究人员强调，这些发现是基于特定场景和经验性时间对齐的，不应过度推广为模型的普遍预测能力。

研究结论如下：

本研究报告了双室木质工棚中全尺寸火灾的实验结果和FDS计算模型，火灾由角落扶手椅引发，并使用了19个热电偶进行仪器测量。采用了简化的可燃内衬火灾蔓延方法。主要发现如下：

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  全尺寸实验记录了快速的火灾发展、两个隔间的轰燃以及随后涉及可燃内衬的火灾蔓延。该实验提供了轻质、多隔间结构中火灾发展的详细温度测量和观察。
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  在应用经验性确定的46秒时间对齐后，FDS模型再现了火灾增长阶段的一般温度发展以及两个房间的轰燃序列。实验中两个房间最早轰燃阈值跨越的时间间隔为36秒，模拟中为24秒，表明模型中隔间之间的过渡更为迅速。与绝对轰燃时间不同，该时间间隔不受所应用的时间对齐的影响。
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  该实验数据集为评估轻质、可燃、多隔间结构中的数值火灾模型提供了一个全尺寸参考案例，并通过Zenodo（https://doi.org/10.5281/zenodo.23432061）公开获取。未来工作将研究基于材料特定实验数据的、更详细的基于热解的可燃内衬表征方法。