常玉鋒,陳 鋒,賈 沛,張 焱

(1.武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院,湖北 武漢 430074;2.北京保利達(dá)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司杭州分公司,浙江 杭州 310003;3.中南大學(xué)土木建筑學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410075)

0 引 言

煙氣是建筑火災(zāi)中對(duì)人的生命安全構(gòu)成巨大威脅的一個(gè)重要因素,因此有必要對(duì)火災(zāi)煙氣的氣流組織分布規(guī)律進(jìn)行充分的研究,分析其對(duì)火場(chǎng)人員安全疏散產(chǎn)生的具體影響.

1 建筑火災(zāi)煙氣的危害

一般認(rèn)為,燃燒可產(chǎn)生火焰、熱量、煙氣,同時(shí)造成氧氣不足,這對(duì)人身有各種各樣的生理影響,其中最主要的是燒傷和吸入熱空氣而出現(xiàn)的中毒現(xiàn)象.另外,懸浮在氣體中的固態(tài)和液態(tài)顆?！獰煔?對(duì)人體也有很大的傷害作用.火災(zāi)煙氣的危害性主要表現(xiàn)在煙氣的毒害性、煙氣減光性等方面上[1].據(jù)資料統(tǒng)計(jì),在建筑火災(zāi)時(shí)死亡的人員中,大部分是由于窒息、吸入煙塵、一氧化碳中毒而死亡,屬于燒傷而死亡的約為1/4.專家分析,在洛陽(yáng)東都商廈12.25大火中,“煙”是造成309人死亡的第一幫兇.

若建筑物內(nèi)防火、防煙設(shè)計(jì)不當(dāng),煙氣在浮力、高溫膨脹、風(fēng)力和“煙囪效應(yīng)”等作用力下蔓延速度將不斷加大,在猛烈燃燒階段水平擴(kuò)散速度可達(dá)0.5～0.8 m/s,垂直擴(kuò)散速度可達(dá)3～4 m/s,這將大大擴(kuò)大火災(zāi)的影響區(qū)域[2-3].

2 建筑火災(zāi)煙氣對(duì)人員疏散影響的數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型建立

場(chǎng)模擬是利用計(jì)算機(jī)求解火災(zāi)過程中狀態(tài)參數(shù)的空間分布及其隨時(shí)間變化的模擬方式,場(chǎng)模擬的理論依據(jù)是自然界普遍成立的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒以及化學(xué)反應(yīng)的定律等.火災(zāi)過程中狀態(tài)參數(shù)的變化也遵循著這些客觀規(guī)律,上述方程也就構(gòu)成煙流三維模型方程組,再引入雷諾時(shí)均化、紊流粘性等參數(shù)構(gòu)成封閉可解析的方程組.本文就是采用目前應(yīng)用較廣泛且效果較好的k-ε二方程模型,使用PHOENICS3.5軟件中的FLAIR模塊進(jìn)行實(shí)體模擬.

本文選取某高層建筑的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)間作為研究對(duì)象,利用計(jì)算流體軟件PHEONICS對(duì)其進(jìn)行模擬計(jì)算,模擬房間的平面布置圖、PHEONICS軟件下的模型示意圖如圖1所示[4].

圖1 PHOENICS軟件下客房標(biāo)準(zhǔn)間的立體模型

2.2 控制參數(shù)

a.初始條件.火災(zāi)發(fā)生前,房間內(nèi)保持常溫、常壓的無(wú)風(fēng)狀態(tài),且無(wú)煙氣產(chǎn)生:T=18 ℃,P=P0,u(x,y,z)=0,Cs=0.火災(zāi)發(fā)生時(shí),僅在火源處,T=Tfire,Cs=Cfire.

b.火源參數(shù).室內(nèi)著火過程中,其主要燃燒物為木質(zhì)柜子以及柜子上的雜物等(當(dāng)然也包括電氣火災(zāi)),為了簡(jiǎn)化計(jì)算,將火源處理成穩(wěn)態(tài)發(fā)熱,火源釋熱功率峰值取為565 kW/m2,火源釋熱功率取為170 kW/m2,煙氣散發(fā)率為30 m3/s,不斷地向周圍釋放熱量和煙氣,屬于中型火災(zāi)規(guī)模[3,5].

c.人體控制參數(shù).人體對(duì)煙氣最敏感的部位為眼睛,對(duì)于人員疏散時(shí)的眼睛危險(xiǎn)溫度取183 ℃:即當(dāng)煙氣層高度未下降到1.5 m時(shí),如果其溫度值達(dá)到183 ℃,就會(huì)對(duì)人體造成危害;若溫度未達(dá)183 ℃,而煙氣層低于1.2 m,則此危險(xiǎn)溫度取100 ℃,當(dāng)然也要考慮此高度下煙氣的危險(xiǎn)濃度.其中測(cè)點(diǎn)1、2位于1.5 m控制高度下疏散路線上[1,3].

d.模擬控制時(shí)間.對(duì)于單室火災(zāi),由于其室內(nèi)人員較少,火災(zāi)發(fā)生300 s后再去研究煙氣流動(dòng)對(duì)人員疏散已經(jīng)沒有太大意義,故本文只模擬300 s內(nèi)單室火災(zāi)煙氣流動(dòng)的變化過程[3,6].

2.3 模擬分析

模擬狀態(tài)分別為:無(wú)任何排煙措施、自然排煙,機(jī)械排煙等三種常見的建筑排煙方式.

a. 發(fā)生火災(zāi)后,若無(wú)任何排煙措施,除了靠門縫的氣流滲透外沒有其它的新鮮空氣補(bǔ)充,此時(shí)的室內(nèi)溫度和煙氣濃度增長(zhǎng)較快,煙氣分層現(xiàn)象比較明顯.300 s內(nèi)室內(nèi)的氧氣依舊可以維持充分燃燒,火災(zāi)場(chǎng)一直處于發(fā)展階段,沒有達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).由于墻體、門窗的自然分隔,火災(zāi)影響區(qū)域僅局限于起火房間內(nèi).但高溫會(huì)對(duì)墻體、門窗等建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生垮塌、破裂等破壞作用,火災(zāi)通過破裂開口泄漏將影響周圍更廣的區(qū)域,引發(fā)更大的火災(zāi).300 s時(shí),室內(nèi)相對(duì)壓力30 Pa,1.5 m高度平面煙氣濃度(指體積分?jǐn)?shù),下同)5.8%,煙氣平均流速0.2 m/s.眼睛特征高度下煙氣流分布如圖2,人員疏散通道立面的煙流分布如圖3所示.

圖2 無(wú)排煙措施1.5 m高度平面氣流組織分布圖

圖3 無(wú)排煙措施疏散通道中線立面煙氣分布圖

b. 火災(zāi)后由于門窗的開啟形成自然排煙,由于室內(nèi)外風(fēng)壓的影響,火災(zāi)煙氣通過開啟的門向走廊蔓延,燃燒比較迅速.室外大量低溫新鮮空氣通過窗戶不斷補(bǔ)入,使得300 s內(nèi)火災(zāi)場(chǎng)一直處于發(fā)展階段,室內(nèi)煙氣溫度和濃度增長(zhǎng)較慢.300 s時(shí),室內(nèi)相對(duì)壓力5 Pa,1.5 m高度平面煙氣濃度0.74%,煙氣平均流速0.5 m/s.眼睛特征高度下煙氣流分布如圖4,人員疏散通道立面的煙流分布如圖5所示.

圖4 自然排煙下1.5 m高度平面煙氣氣流組織分布圖

圖5 自然排煙下疏散通道中線立面煙氣分布圖

c. 火災(zāi)后啟動(dòng)機(jī)械排煙系統(tǒng),高溫?zé)煔馔ㄟ^排煙風(fēng)口進(jìn)入排煙風(fēng)管排出,室外低溫新鮮空氣通過門、窗的縫隙補(bǔ)充(量較少),300 s內(nèi)火災(zāi)場(chǎng)已達(dá)到穩(wěn)定的燃燒狀態(tài),火災(zāi)溫度和煙氣較好地被控制在起火房間.300 s時(shí),室內(nèi)相對(duì)壓力為微負(fù)壓-1.4 Pa,1.5 m高度平面煙氣濃度0.96%,煙氣平均流速0.2 m/s.眼睛特征高度下煙氣流分布如圖6,人員疏散通道立面的煙流分布如圖7所示.

圖6 機(jī)械排煙下1.5 m高度平面煙氣氣流組織分布圖

圖7 機(jī)械排煙下疏散通道中線立面煙氣分布圖

2.4 模擬結(jié)果分析

火場(chǎng)逃生中,人正常的疏散路線為:室內(nèi)(火場(chǎng))→門廊(緩沖)→門(相對(duì)安全)→走廊→疏散樓梯(安全)→室外(安全),當(dāng)然人逃出起火房間后隨手關(guān)門也是減緩煙氣向外蔓延的一個(gè)有效手段.為此,本文選取火災(zāi)中疏散通道上相對(duì)安全點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)1,見圖1)火災(zāi)場(chǎng)變化作為評(píng)判安全疏散的控制參數(shù).不同排煙條件下測(cè)點(diǎn)1的溫度、煙氣濃度變化曲線如圖8所示:

圖8 不同排煙條件下控制測(cè)點(diǎn)1的溫度、煙氣濃度變化曲線

a. 火災(zāi)后,若無(wú)任何排煙措施,新鮮空冷氣從未著火區(qū)流向火源,結(jié)合火羽流和頂棚射流實(shí)現(xiàn)室內(nèi)氣流循環(huán),門廊內(nèi)保持相對(duì)低溫,較利于人員疏散.逃生通道上控制測(cè)點(diǎn)1在90 s時(shí)溫度達(dá)到168.6 ℃,煙氣濃度為5.8%,300 s時(shí)其溫度值為629.4 ℃;控制測(cè)點(diǎn)2在90 s時(shí)溫度經(jīng)達(dá)到169.4 ℃,煙氣濃度為5.8%,測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定后的溫度為663.4 ℃.意味著人員只要在火災(zāi)發(fā)生后90 s內(nèi)逃到出口就不會(huì)受到火災(zāi)溫度場(chǎng)的太大影響,但此時(shí)煙氣濃度對(duì)人員安全疏散的影響也不容忽視.

b. 自然排煙中煙氣流動(dòng)路線(室內(nèi)→房門→走廊)和人體逃生的路線相同,對(duì)人員的疏散形成較大的影響,也不利于室外救援(當(dāng)然建筑中和面上起火房間也存在火災(zāi)通過窗戶向外蔓延的煙氣流動(dòng)路線,對(duì)人員疏散影響不是很大).室內(nèi)的正壓加速了高溫?zé)煔獾穆?進(jìn)入走廊后將影響更大的區(qū)域.自然排煙受中和面、室外風(fēng)等因素的影響較大,不能形成可靠的排煙效果,同時(shí)也可能存在煙氣的回灌等現(xiàn)象.控制測(cè)點(diǎn)1的最高溫度162.9 ℃;控制測(cè)點(diǎn)2(見圖1)在90 s時(shí)溫度經(jīng)達(dá)到179.7 ℃,測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定后的溫度為221.4 ℃;煙氣層高度在210 s內(nèi)一直沒有低于1.5 m.意味著人員只要在火災(zāi)發(fā)生后90 s內(nèi)逃到門廊處也不會(huì)受到火災(zāi)場(chǎng)的太大影響.

c. 火災(zāi)后機(jī)械排煙系統(tǒng)啟動(dòng),冷空氣和熱煙氣都流向排煙口,門廊內(nèi)保持相對(duì)安全低溫.同時(shí)室內(nèi)保持微負(fù)壓,使得煙氣的影響局限在起火房間,對(duì)室外及其他房間的影響較小.同時(shí)室內(nèi)除了火源處的火羽流流速較大外,頂棚射流及煙氣層的下降速度都較慢,利于火場(chǎng)人員的逃生.控制測(cè)點(diǎn)1在120 s時(shí)溫度達(dá)到188.2 ℃,煙氣濃度為2.8%,300 s時(shí)其溫度值為319.2 ℃;控制測(cè)點(diǎn)2在120 s時(shí)溫度經(jīng)達(dá)到182.8 ℃,煙氣濃度為2.6%,測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定后的溫度為316.1 ℃.意味著人員只要在火災(zāi)發(fā)生后120 s內(nèi)逃到出口就不會(huì)受到火災(zāi)溫度場(chǎng)的太大影響,煙氣濃度場(chǎng)的影響相對(duì)較小.

3 結(jié) 語(yǔ)

本文利用商業(yè)計(jì)算流體軟件PHOENICS對(duì)單室火災(zāi)在不同排煙條件下的火場(chǎng)變化進(jìn)行了模擬研究,并分析其對(duì)火場(chǎng)人員安全疏散的影響,得到以下結(jié)論:

a.室內(nèi)火災(zāi)后,火場(chǎng)的溫度場(chǎng)和煙氣濃度場(chǎng)都有不同程度的增長(zhǎng),對(duì)火場(chǎng)人員的安全疏散和外部救援都產(chǎn)生一定的影響,同時(shí)高溫和煙氣也會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的破壞作用,危及更廣的區(qū)域.

b.自然排煙的冷卻作用,使得人員的允許疏散時(shí)間為90 s,和無(wú)排煙措施相同,但人員在門廊內(nèi)可以獲得較充足的緩沖時(shí)間.由于煙氣流動(dòng)路線和人體逃生路線相同,和外部救援路線相反,不利于火場(chǎng)人員逃生和外部救援.當(dāng)然,自然通風(fēng)的不穩(wěn)定性也導(dǎo)致其在火災(zāi)中達(dá)不到到良好的排煙效果.

c.火災(zāi)后機(jī)械排煙的作用,火場(chǎng)出現(xiàn)微負(fù)壓,減緩了煙氣的蔓延速度,人員的允許疏散時(shí)間為120 s,相對(duì)增加了30 s,和無(wú)排煙狀態(tài)相比室內(nèi)平均溫度和煙氣濃度降幅高達(dá)50%.此外,合理選用機(jī)械排煙系統(tǒng)可以保證穩(wěn)定的排煙效果,減輕火災(zāi)高溫對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞.

d.通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量火災(zāi)發(fā)展數(shù)據(jù)的難度較大,而計(jì)算機(jī)場(chǎng)模擬是實(shí)驗(yàn)方法的一種有效補(bǔ)充.本文的分析結(jié)果,符合了單室煙氣運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)散機(jī)理,證明使用計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)對(duì)火災(zāi)現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬是可行的,論文的研究結(jié)果對(duì)于室內(nèi)火災(zāi)的撲救和人員的安全疏散都具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義.

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