火灾中热释放速率对一氧化碳浓度影响的数值模拟研究

火灾中热释放速率对一氧化碳浓度影响的数值模拟研究

程浩1  刘子萌1  郭长升1  任海洋2

滁州学院土木与建筑工程学院   滁州学院材料与化学工程学院     安徽滁州 239000

摘要：本文旨在讨论火灾模拟中热释放速率对烟气中CO浓度的影响。得出在密闭环境条件下，热释放速率的变化对燃烧产生的CO浓度具有显著影响。当热释放速率为1000kW/h时，房间内的CO浓度最高，随着热释放速率的增大，房间内的CO浓度最高值逐渐升高。

关键词：高校宿舍；热释放速率；火灾模拟；CO浓度

1引言

1.1 研究背景与意义

热释放速率是描述火灾过程的关键参数之一，它反映了火灾中能量释放的速率和大小[1]。在火灾中，热释放速率的大小直接影响到火势的发展速度、火场的温度分布以及火灾的持续时间，因此，对于火灾的预防和控制具有重要的指导意义[2]。

一氧化碳是一种无色、无味、无臭的有毒气体，在火灾中由于燃烧不完全，大量的一氧化碳会被释放出来。一氧化碳的毒性主要表现在与血液中的血红蛋白结合，形成碳氧血红蛋白，导致人体缺氧，进而造成窒息、中毒甚至死亡[3]。因此，研究火灾中一氧化碳的浓度变化规律，对于评估火灾的危害程度和制定救援策略具有重要意义[4]。

1.2研究方法与步骤

本文采用建立相关模型研究，设置不同热释放速率的燃烧条件，然后置于密闭环境中进行模拟燃烧，设置烟气高度测点及一氧化碳浓度测点，均为距离模型地面2m处，运行FDS进行模拟火灾得到相关数据。具体步骤如下：

1.确定模型尺寸：本文以高校宿舍进行模拟研究，建立一个合适尺寸的宿舍模型。

2.设置相关测点：按照试验方案设置不同的热释放速率燃烧材料，在2m高度处设置烟气测点，并处于密闭空间下燃烧。

3.运行FDS模拟：运行FDS模拟软件在四种不同热释放速率条件下对模型进行模拟火灾，并得到模拟实验数据。

4.数据处理与分析：对得到的实验数据进行处理和分析，探究密闭环境下热释放速率对一氧化碳（CO）浓度的影响规律。

2试验方案与方法

2.1热释放速率设计

热释放速率(HRR)是指在规定的实验条件下，材料在单位时间内燃烧所释放的热量，通常以“瓦特”为单位。这个参数对于火灾分析至关重要，因为它直接关系到燃烧反馈给材料表面的热量，进而影响材料的热解速度和挥发性可燃物的生成量，从而加速火焰传播。

一般来说，热释放速率越大，材料产生的热量越多；但是随着时间的推移，热释放速率会逐渐降低，火焰传播慢。同时，在门窗紧闭的条件下，热释放速率的影响可能会更加显著，因此根据相关资料，本文选择了250、500、750、1000kW/h四种不同的热释放速率进行研究，燃烧时间为50s。

2.2试验方案

本次试验在密闭空间的条件下对不同热释放速率材料进行模拟燃烧，记录各测点在燃烧至规定时间后的CO浓度并进行分析。

根据相关宿舍资料，制作的宿舍模型为尺寸5×8×3m的模型，之后设置房间内的起火点在密闭环境下进行模拟燃烧。在烟气蔓延至整个房间后，记录此时的烟气中CO浓度值。

3 试验结果与分析

四种热释放速率的CO浓度实验结果如图1所示。从图1中可以看出随着热释放速率的增加导致CO浓度值明显升高，热释放速率为250kW/h时，CO浓度在5s左右时开始增长，在46s时达到最高浓度1mol/mol；在热释放速率为500kW/h时，CO浓度在4s左右时开始增长，在44s时达到CO最高浓度1.9mol/mol，之后烟气内CO浓度开始下降；在热释放速率为750kW/h时，CO浓度在4s时开始增长，在46s时达到最高值2.8mol/mol；在热释放速率为1000kW/h时，CO浓度在3s时开始增长，在50s时达到最高浓度值3.8mol/mol。

图1 不同热释放速率下CO浓度变化

4 结论

本研究通过在密闭环境条件下对不同热释放速率的材料对空气内CO浓度影响进行研究，得出以下结论：

（1）在密闭环境条件下，热释放速率的变化对燃烧产生的CO浓度具有显著影响。当热释放速率为1000kW/h时，房间内的CO浓度最高，随着热释放速率的增大，房间内的CO浓度最高值逐渐升高。

（2）通过对比不同热释放速率房间的CO浓度，燃烧时间越长，热释放速率对其CO浓度产生的影响越大。

参考文献

[1]王自龙,张天航,黄鑫炎.一种基于火灾图像和人工智能的热释放速率计算方法[J].燃烧科学与技术,2024,30(01):69-74.

[2]杨云浩,张国维,朱国庆,等.基于机器学习的火源热释放速率预测方法[J].清华大学学报(自然科学版),2024,64(05):922-932.

[3]尚健雄.基于木竹建筑用主要建材火灾响应特性及其火场模拟研究[D].中南林业科技大学,2022.

[4]妥林,马静.基于pyrosim的高校宿舍火灾模拟研究[J].科学技术创新,2023,(13):29-32.

基金项目：安徽省大学生创新创业训练项目“基于BIM和VR技术的建筑消防安全信息化管理研究”(2023CXXL133);

作者简介：程浩(2002- )，男，汉族，安徽滁州人，滁州学院土木与建筑工程学院