邢哲理 李春東 龍洋波 毛 維 鄧非凡 李超峰 樊成飛

火源位置對(duì)防護(hù)工程火災(zāi)煙氣擴(kuò)散影響研究

邢哲理 李春東 龍洋波 毛 維 鄧非凡 李超峰 樊成飛

（軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院 北京 100036）

為討論火源位置對(duì)防護(hù)工程火災(zāi)時(shí)走廊內(nèi)煙氣擴(kuò)散的影響，根據(jù)相似原理搭建了模型與實(shí)體比例為1:4的單室-走廊模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了2個(gè)工況的模型實(shí)驗(yàn)，分析了走廊內(nèi)煙氣溫度分布，研究了火災(zāi)分別位于走廊和單室時(shí)走廊內(nèi)煙氣溫度、CO濃度、CO2濃度及O2濃度等煙氣特性。結(jié)果表明，火源位于走廊時(shí)，走廊內(nèi)煙氣最高溫度、平均溫度及煙氣溫度變化速率均大于火源位于單室時(shí)，火源位于走廊時(shí)走廊內(nèi)CO濃度、CO2濃度及O2濃度與火源位于單室相比對(duì)人員也更不利，應(yīng)避免在工程的走廊內(nèi)放置易燃、可燃物品，尤其是高熱值物品。

火源位置；防護(hù)工程；火災(zāi)；煙氣

0 引言

火災(zāi)煙氣是指火災(zāi)時(shí)產(chǎn)生的氣體和懸浮在其中的煙粒子的總稱，是燃燒和熱解產(chǎn)物的混合物，是衡量火災(zāi)危害性的重要要素，是火災(zāi)的基本表征參數(shù)之一。火災(zāi)發(fā)生后，在短時(shí)間內(nèi)會(huì)形成大量的高溫?zé)煔猓瑹煔馐侨藛T傷亡的主要原因[1,2]，煙氣的高溫不僅會(huì)對(duì)人員安全造成威脅，還對(duì)設(shè)施設(shè)備、工程建筑結(jié)構(gòu)造成巨大損壞[3,4]，甚至造成坍塌。近年來，不少人員針對(duì)防護(hù)工程、隧道等地下工程進(jìn)行了研究[5-8]。

由于火災(zāi)的破壞性，模型實(shí)驗(yàn)成為研究火災(zāi)的重要手段[9]，“單室-走廊”結(jié)構(gòu)是防護(hù)工程中非常典型的結(jié)構(gòu)樣式，美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)的研究組搭建了“房間-走廊”結(jié)構(gòu)的模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了通風(fēng)受限情況下的煙氣遷移規(guī)律研究[10,11]，受他們啟發(fā)，國(guó)內(nèi)火災(zāi)研究人員也搭建并改進(jìn)了小尺度模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了相關(guān)的研究[12,13]?；馂?zāi)具有隨機(jī)性，走廊和單室內(nèi)均有可能發(fā)生火災(zāi)，本文根據(jù)相似原理搭建“單室-走廊”模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過變換工況研究火源分別位于單室和走廊時(shí)對(duì)走廊內(nèi)煙氣擴(kuò)散規(guī)律的影響，為建筑火災(zāi)人員逃生及消防救援工作提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)選擇一個(gè)防護(hù)工程的防火分區(qū)為原型，該原型由一個(gè)火源房間和長(zhǎng)通道組成，中間為走廊（尺寸為60m×2m×3m），火源房間尺寸為4.8m×3m×2.4m，房間開一個(gè)高2m、寬0.8m的門，沒有窗戶。

本文根據(jù)傳熱學(xué)相似理論和關(guān)鍵相似準(zhǔn)則[5]以1:4的幾何比例建立模型，依據(jù)模型率分析可得到模型與實(shí)體之間的溫度、煙氣濃度關(guān)系均為1:1，時(shí)間比例為1:2，熱釋放速率比例為1:32，火源熱值比例為1:64，模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)尺寸如圖1所示。模型主體采用塑鋼材料，模塊化連接，可變換模型的寬度和高度，火源房間選用耐高溫鋼化玻璃材質(zhì)，以便于觀察火焰，火源房間頂部采用厚鐵皮，模塊之間連接處采用防火密封劑封堵以保證完全密封。搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖2所示。

圖1 模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)尺寸

圖2 模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

1.2 火源及工況設(shè)置

工況1和工況2均采用直徑10cm的油池盛放100mL正庚烷燃料作為火源，其中工況1的火源位置位于走廊一端，油池的圓心距相近的走廊端為0.3m，走廊遠(yuǎn)火源端封閉，走廊寬度為0.5m，走廊高度為0.75m。工況2時(shí)模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)為單室-走廊結(jié)構(gòu)，火源位于單室中央，走廊尺寸與工況1相同。

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

火災(zāi)模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括煙氣成分濃度采集系統(tǒng)、火源質(zhì)量損失速率采集系統(tǒng)以及溫度采集系統(tǒng)，本文分析只涉及溫度采集系統(tǒng)和煙氣成分濃度采集系統(tǒng)。溫度測(cè)量采用直徑0.5mm的K型熱電偶制作熱電偶樹探測(cè)不同高度溫度值，熱電偶測(cè)量范圍為0～1300℃，測(cè)量精度為0.4%，響應(yīng)時(shí)間為10s。經(jīng)過溫度采集模塊R-8018BL處理后通過RS-485通信總線將數(shù)據(jù)顯示在采集軟件上，數(shù)據(jù)采集軟件由VIASUAL BAISC編寫，能夠?qū)崟r(shí)的采集、觀察和儲(chǔ)存各測(cè)點(diǎn)處的溫度情況。

通過TESTO 310煙氣分析儀進(jìn)行一氧化碳、二氧化碳及氧氣濃度三個(gè)物理量的同時(shí)測(cè)量，氧氣的測(cè)量精度為0.2%，響應(yīng)時(shí)間為30s，CO和CO2的響應(yīng)時(shí)間為60s，CO的測(cè)量精度為20ppm（0～400ppm），5%（401～2000ppm），10%（2001～4000ppm）。

1.4 測(cè)點(diǎn)布置

如圖3所示，從走廊近火源端到遠(yuǎn)火源端布置了五組熱電偶樹（T1～T5），它們與走廊近火源端縱向距離分別為0.75m、3.75m、6.75m、10.75m、14.75m。走廊高度為75cm時(shí)每個(gè)熱電偶樹上包含6個(gè)探頭，從下往上分別是1 #~6 #測(cè)點(diǎn)，其中6 #測(cè)點(diǎn)與走廊頂棚距離為1cm，1 #熱電偶與地面距離為4cm，每相鄰的兩個(gè)探頭之間相距14cm。在距走廊近火源端5.75m處設(shè)置一個(gè)煙氣分析儀測(cè)點(diǎn)，位于走廊的中線。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖

2 結(jié)果與討論

2.1 火源位置對(duì)煙氣溫度影響分析

（a）T2處

（b）T4處

圖4 無量綱溫升隨時(shí)間變化

Fig.4 Dimensionless temperature rise varies with time

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，火源位于單室時(shí)走廊中溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于火源位于單室時(shí)，工況1時(shí)走廊中T2處無量綱最大溫升達(dá)到將近3.5（120℃），工況2時(shí)T2處無量綱最大溫升約為1.75（60℃），工況1的T2處最高溫度比工況2幾乎高了一倍，工況1時(shí)T4處無量綱最大溫升比工況2時(shí)也高了45.5%。除此之外，還可以發(fā)現(xiàn)工況1時(shí)T2和T4處的無量綱平均溫升也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工況2時(shí)，并且工況1時(shí)溫度的變化速率也比工況2時(shí)大。以上說明，火源位于走廊時(shí)對(duì)人員的熱傷害作用遠(yuǎn)大于同種規(guī)模火源位于單室。

由文獻(xiàn)[8]可知，火源位于單室時(shí)燃燒釋放的熱量幾乎50%被圍護(hù)結(jié)構(gòu)吸收，向走廊中擴(kuò)散的煙氣帶走的熱量占總熱量的40%左右，而火源位于走廊時(shí)燃燒產(chǎn)生的熱量全部在走廊中擴(kuò)散，因此，火源位于單室時(shí)走廊中溫度變低。

2.2 火源位置對(duì)煙氣濃度影響分析

圖5～圖7所示為火源分別位于單室和走廊中時(shí)一氧化碳、氧氣和二氧化碳濃度隨時(shí)間的變化。人員在火災(zāi)中逃生時(shí)空氣質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該比正常情況下嚴(yán)格，因?yàn)樵谔由^程中只要一氧化碳、二氧化碳和氧氣等氣體濃度對(duì)人員的判斷和反應(yīng)能力以及身體機(jī)能產(chǎn)生影響，會(huì)大大增加人員逃生的不確定性，降低人員逃生成功的概率，這些氣體的濃度可能還沒達(dá)到相關(guān)規(guī)范說明的致死量人員就已經(jīng)被困，因此火災(zāi)時(shí)這些氣體濃度的臨界值應(yīng)該以正常狀況下對(duì)人員產(chǎn)生重要影響的濃度標(biāo)準(zhǔn)來衡量。一般情況下，當(dāng)氧氣濃度為10%～17%時(shí)人員會(huì)感覺疲憊、活動(dòng)能力下降，設(shè)人員火災(zāi)逃生中氧氣的濃度危險(xiǎn)值為17%；當(dāng)一氧化碳濃度為600ppm～700ppm時(shí)人員會(huì)感覺頭疼、呼吸不暢，設(shè)人員火災(zāi)逃生中一氧化碳濃度危險(xiǎn)值為600ppm；二氧化碳濃度為2%時(shí)人員會(huì)呼吸困難和頭暈，設(shè)人員火災(zāi)逃生中二氧化碳濃度危險(xiǎn)值為2%。

觀察可發(fā)現(xiàn)，火源位于走廊和位于單室時(shí)一氧化碳、氧氣和二氧化碳濃度的變化趨勢(shì)基本一致。工況1和工況2時(shí)一氧化碳和氧氣濃度均未達(dá)到危險(xiǎn)值，火源位置對(duì)它們影響不大。但是二氧化碳濃度在兩個(gè)工況下均達(dá)到了2%以上，工況1時(shí)煙氣測(cè)點(diǎn)處二氧化碳濃度在300s達(dá)到了2%，工況2時(shí)煙氣測(cè)點(diǎn)處二氧化碳濃度比工況1晚了150s達(dá)到2%。因此，火源位于走廊時(shí)煙氣濃度也對(duì)人員造成了不利影響。

圖5 火源位置不同時(shí)CO濃度對(duì)比

圖6 火源位置不同時(shí)O2濃度對(duì)比

圖7 火源位置不同時(shí)CO2濃度對(duì)比

3 結(jié)論

火源位于走廊時(shí)，高溫?zé)煔庠谧呃戎兄苯訑U(kuò)散，沒有了單室的圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)火源釋放熱量的吸收，走廊內(nèi)最高溫度和平均溫度均高于火源位于單室時(shí)工況，煙氣溫度的變化速率也大于火源位于單室時(shí)工況，火源位于走廊時(shí)對(duì)人員的熱傷害作用很大。除此之外，火源位于走廊時(shí)煙氣濃度與火源位于單室內(nèi)相比也對(duì)人員更加不利，因此盡量避免在防護(hù)工程走廊中放置、儲(chǔ)存可燃物，尤其是易燃、熱值高的物品，對(duì)于走廊內(nèi)可燃物的放置地點(diǎn)應(yīng)該重點(diǎn)設(shè)置火災(zāi)報(bào)警和滅火措施，避免在防護(hù)工程的走廊中形成火災(zāi)。

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Influence of Fire Location on Fire Smoke Diffusion in Protective Engineering

Xing Zheli Li Chundong Long Yangbo Mao Wei Deng Feifan Li Chaofeng Fan Chengfei

( Defense Engineering Institute of PLA Academy of Military Sciences, Beijing, 100036 )

In order to discuss the influence of fire location on smoke diffusion in corridors when fire happened in Protective Engineering, a room-corridor model test-bench with a ratio of 1:4 between model and entity was built according to the similarity principle, and model experiments were carried out under two working conditions. The smoke temperature distribution in corridors was analyzed, smoke temperature, CO concentration, CO2concentration and O2concentration were studied. The results show that when the fire source is located in the corridor, the maximum temperature, average temperature and the change rate of smoke temperature in the corridor are higher than those in the room. When the fire source is located in the corridor, the CO concentration, CO2concentration and O2concentration in the corridor are more harmful to the personnel than those in the single room. It is necessary to avoid placing inflammable and combustible goods, especially high calorific value articles in the corridor of Protective Engineering.

fire location; Protective Engineering; fire; smoke

X936

A

1671-6612（2019）05-538-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.51608524）

邢哲理（1986.9-），男，博士，工程師，E-mail：zheli86@sina.com

李春東（1977.1-），男，本科，工程師，E-mail：13691271599@163.com

2018-11-12