随着人们消防意识的提高，火灾数量不断减少，但每年仍有大量的人员伤亡。最新统计资料显示，室内家具火灾引起的死亡最多，其次是电气火灾^[1]。2017年2月17日，山东省章丘市发生了一起农村居民住宅火灾，夺去一对80多岁老人的生命。2017年2月15日，上海市普陀区一处出租屋发生火灾，导致4人死亡。据河北省公安消防总队统计，2010年以来河北省发生亡人火灾中九成属于“小火亡人”。家庭住宅内存在较多潜在点火源和可燃物，其燃烧过程将产生大量有毒烟气，室内温度会急剧升高，极大威胁室内人员的生命安全^[2]。

国内外进行了大量室内火灾研究，取得了许多成果，并已形成了相应的国家标准和国际标准, 如美国标准NFPA260 A等^[3]。Zammarano等^[4]评估了不同材质和不同结构的软垫沙发的引燃特性。刘万福等^[5]以室内组合家具为研究对象，对比研究了组合家具与单体家具的燃烧特征。Li Zhi等^[6]提出了一种新的火灾疏散算法，用FDS软件模拟室内发生火灾时，预测到达各个出口的必要疏散时间并与实验比较，证明了FDS模拟具有较高的预测精度。Wang Dongxing等^[7]设计了室内火灾复合识别系统，系统包含早期火灾预警系统、可移动火灾探测和灭火系统，实验证明，此系统可很好地发现和扑灭室内火灾。张和平等^[8-9]在符合ISO 9705标准的燃烧间内对单个单人沙发进行了火灾实验和数值模拟，结果表明，在热释放速率、温度场和中性面的高度方面，数值模拟结果与实验结果吻合的较好，但在燃烧时间方面存在少许差异。李俊楠^[10]在室内火灾双区域模型中提出了一种积分比值法，结合FDS模拟，应用积分比值法计算出了烟气层高度值。张琳等^[11]研究了单人沙发燃烧时，采用不同流量喷淋对火灾蔓延的影响。

本文参照当前家庭中常见的房间布置情况，开展全尺寸双室火灾实验和数值模拟，研究火灾过程中室内温度场分布，进而预测室内到达安全极限温度的时间，并对FDS的适用性进行了分析。

1 火灾实验设计

火灾实验在某双室住宅内进行，室内包含客厅和卧室，面积相等，总建筑面积8.1 m×6.6 m，房间内高度3.5 m，所有墙壁厚度均为0.3 m。卧室和客厅中间有隔墙，隔墙材料为石膏板，隔墙门的长、宽、高分别是0.9、0.1、2.0 m。火灾原因是客厅垃圾篓内的烟头阴燃着火，引燃客厅内的布艺沙发。实验用单人沙发尺寸长宽厚为0.7、0.7、0.3 m，客厅窗口处是两个纯实木沙发，纯实木家具对工艺及材质要求很高，具有较好的防火性能；右边是三个布艺沙发，其主要材料为泡沫、织物等易燃材料。茶几、桌子、电视柜等均是实木材料，表面油漆具有防火作用。卧室内主要物品有床、衣柜、化妆台和写字台。客厅和卧室侧墙上均有窗户，在火灾时关闭，长度和高度分别是1和1.2 m。实木沙发距离北面墙壁0.2 m，布艺沙发距离北面墙壁0.9 m，垃圾篓(点火源)和布艺沙发和实木沙发之间距离为0.2 m，茶几距离布艺沙发和实木沙发之间距离均为0.4 m，电视柜和茶几之间距离为1.1 m。餐桌长宽均为0.7 m，餐桌距离南墙0.8 m，距离西墙1.1 m，距离分割门1.5 m。卧室内床的长和宽分别是2.1和1.5 m，距离北面墙1.3 m。写字台长和宽分别是1.2和0.4 m，化妆台长和宽分别是0.7和0.4 m，两者之间距离为0.4 m。衣柜长和宽均为0.6 m，距离南墙1.2 m，距东面墙0.2 m。客厅和卧室内物体具体尺寸与位置如图 1、图 2所示。燃烧前后对比见图 3所示。

2 数值模拟设定 2.1 火源及网格设置

数值模拟采用火灾动力学软件FDS^[12]。网格尺寸通常在火灾特征直径0.1倍附近取值，各个方向网格个数需满足2^k3^m5ⁿ的关系，k、m、n表示不全为0的非负整数，火灾特征直径的确定与火灾热物性参数有关^[12]，公式表示为

$ {D^{\rm{*}}}{\rm{ = }}{\left( {\frac{Q}{{{\rho _\infty }{c_p}{T_\infty }\sqrt g }}} \right)^{\frac{2}{5}}} $

(1)

式中：Q为热释放速率，ρ_∞为密度，c_p为定压比热，T_∞为环境温度，g为重力加速度。

综合考虑网格尺寸与火源功率，计算区域设置8.1×7.2×4 m³，网格数81×72×40，模拟时间3 000 s。

2.2 数值模拟参数设置

点火源是客厅内垃圾篓，功率大小为5 kW，设为超快速t²火，燃烧时间为340 s。固体燃烧采用固体热解与气相燃烧模型^[12]，房间内主要可燃物包含木材(实木沙发、床、茶几、餐桌)、石膏板(墙壁)和棉麻织物(布艺沙发、枕头)，其热物性参数如表 1所示。实木沙发引燃温度350 ℃，布艺沙发引燃温度150 ℃。模拟初始温度为20 ℃。

2.3 热电偶位置

本文实验过程中温度采集选用K型铠装热电偶，数值模拟温度测点的设置与实验保持一致，温度测量点1、2、3、4、5设置在客厅，温度测量点6、7、8、9设置在卧室。实验中共布置9列热电偶束，每列测点布置5个热电偶，每列最上部热电偶距屋顶0.1 m，热电偶间距为0.7 m，具体如图 4所示。

3 实验和数值模拟温度结果分析 3.1 实验中火灾的蔓延与发展过程

本实验设置烟头引发垃圾篓内可燃物着火，火焰逐步引燃附近的三个布艺沙发，使客厅温度迅速升高，客厅内充满黑色烟气，并蔓延至卧室，使卧室温度升高，能见度降低。具体火灾发展过程如下：

1) 垃圾篓被点燃后，火焰逐渐增大，至135 s时，垃圾篓火焰从侧面引燃邻近的第一个布艺沙发；340 s时，第一个布艺沙发剧烈燃烧，表面几乎全部着火，形成较大火焰，垃圾篓燃烧完全并熄灭；360 s时，第二个布艺沙发表面层被引燃；399 s时，第一个和第二个布艺沙发表面层发生剧烈燃烧，整个沙发火焰集中在表面坐垫等易燃物上，火焰高度达到最大，且亮度很高，冒出大量黑烟；532 s时，第二个沙发上部表面易燃物过火燃尽后熄灭，第一个沙发的底座部仍继续燃烧，火势有所下降；928 s时，第一个沙发基本燃烧完全，火势下降，并重新引燃第二个沙发内层可燃物。

2) 1 184 s时，第二个布艺沙发整体发生剧烈燃烧，形成较大火焰，第一个沙发仅余微弱火焰；1 493 s时，第一个沙发基本燃尽，第二个沙发主要为底座燃烧，火势衰减；1 644 s时，第二个沙发仅有微弱火焰，第三个沙发被引燃。

3) 1 737 s时，第三个沙发表层几乎全部剧烈燃烧。2 572 s时，前两个沙发基本燃烧完全变为残渣，第三个沙发表面层燃烧结束，火势衰减。2 982 s时，三个沙发基本燃烧殆尽。

3.2 客厅温度变化特点

图 5给出了客厅内4个位置(见图 4)温度实验和数值模拟变化。图 5(a)、(b)分别显示沙发1上方温度的实验和数值模拟变化，1~5代表由上至下的5个热电偶。从实验数据来看，四个位置的温度变化规律类似，沙发着火后，热电偶温度迅速上升，400 s时温度达到最大值，之后温度随火灾蔓延大小不断变化，3 000 s时火灾熄灭。图 5(d)、(e)处于沙发2正上方，整体温度比其他热电偶温度高。

可以看出，实验过程中，虽然实木沙发和布艺沙发与火源距离相等，但布艺沙发上方(位置3)的温度高于实木沙发上方(位置1)的温度，原因是纯实木沙发材料可燃性较差，实验中未被引燃。火源引燃布艺沙发以及其他易燃的棉纺织物，其他实木家具基本未发生燃烧。火灾发生320 s时，受房间内急剧增大的高温作用，客厅窗户玻璃发生炸裂。总体来说，火灾过程中，着火房间温度变化较大，各测点温度均出现了3个明显峰值。结合火灾发展过程，这三个峰值时间几乎和燃烧最剧烈时间相吻合，具体如下：1)400 s时，第一个布艺沙发被引燃后到达剧烈燃烧阶段，并进一步引燃第二个布艺沙发的表面层与坐垫，两个沙发一起燃烧，释放出大量的热量，温度出现最高峰值；2)在1 200 s时，第二个布艺沙发再次被引燃后到达剧烈燃烧阶段，室内温度急剧升高，形成了第二个温度峰值，但由于此时第一个沙发已进入了燃烧后期，仅有微弱火焰，相对于第一个温度峰值，有所下降；3)1 700 s时，第三个布艺沙发被引燃后，达燃烧最旺盛阶段，释出大量热量，形成了第三个温度峰值，此时第一个沙发基本已熄灭，第二个沙发火势下降，仅有微弱火焰，因此该峰值与第二个温度峰值相近。比较实验和数值模拟结果，数值模拟中位置3温度高于实验数据，原因是实际实验中布艺沙发材料燃烧不完全，释放热量较少，温度较低。

3.3 门两侧温度变化特点

图 6给出了客厅发生火灾后，客厅和卧室之间的门两侧温度变化情况。图 6(a)中客厅温度在480 s达到第一个峰值400 ℃，之后温度保持相对稳定，全程顶棚温度均在200 ℃以上，而图 6(c)中卧室门处温度较低。卧室门上框处温度高于顶棚温度。原因是门上方的墙具有阻挡延缓烟气蔓延的作用，烟气蔓延主要路径在门上框处，可见卧室门上方隔墙在火灾初期阶段可有效阻止烟气蔓延，使烟气主要集中在着火房间，而相邻房间温升较小。

3.4 卧室温度变化特点

图 7给出了客厅发生火灾后，卧室内热电偶束7、8、9的温度变化。由图可见，实验温度在400 s时达到最大值，此后温度基本保持稳定。由于隔墙的阻挡作用，进入卧室的烟气较少，在3 000 s内最高温度在150 ℃以下。

3.5 火灾危险时间分析

安全极限温度一般是指人员脸部在短时间能忍受的温度(其值为100 ℃)^[13]。图 8(a)给出了客厅内窗口、点火源、沙发和客厅中心位置2 m高度处测点的温度(测点5与测点6距离较近，温度按照测点6计)，以及相应位置到达安全极限温度所对应的时间。由图 8(a)可得，客厅内测点到达安全极限温度的时间分别为t₁=285 s，t₂=267 s，t₃=280 s，t₄=293 s，而数值模拟所用的时间分别为t′₁=249 s，t′₂=237 s，t′₃=252 s，t′₄=258 s。图 8(b)给出了卧室内门、窗、卧室中心和墙角位置2 m高度处测点的温度，以及相应位置到达安全极限温度所对应的时间。由图 8(b)可得，卧室内测点到达安全极限温度的时间分别为t₆=312 s，t₇=388 s，t₈=398 s，t₉=361 s。而数值模拟时间分别为t′₆=292 s，t′₇=337 s，t′₈=368 s，t′₉=331 s。综合图 8(a)、(b)可得，客厅和卧室数值模拟到达安全极限温度的时间比实验早大约30 s，由此可得FDS数值模拟结果相对保守，在预测室内火灾危险性上具有一定的应用价值。

4 结论

1) 火灾发生时，火源正上方温度最高，客厅温度高于卧室温度，卧室门处温度介于两者之间。由于居室内可燃物较多且分散，发生室内火灾时，可燃物将由点火源向周围逐个被引燃，火灾规模也随之蔓延扩大，室内温度也因不同可燃物的消耗和引燃而随时间出现了多个极小值和极大值。

2) 在卧室门敞开的情况下，卧室门上方隔墙在火灾初期阶段可以有效阻止烟气的蔓延，使烟气主要集中在着火房间内，使相邻房间温升较小。

3) 数值模拟与实验结果相比，客厅和卧室内FDS数值模拟温度稍高于实验结果。原因是实际实验中布艺沙发材料燃烧不完全，释放热量较少，温度较低。数值模拟预测到达安全极限温度的时间早于实验大约30 s，FDS模拟结果相对保守，在预测室内火灾危险性上具有一定的应用价值。