樓梯對(duì)豎井內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)影響的研究

吳建波，朱 杰

(西南交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031)

建筑中存在一些樓梯井，電梯井及各種垂直分布的通道，在火災(zāi)的情況下，如果煙氣進(jìn)入此類豎井，初期由于熱煙浮力的作用，當(dāng)豎井內(nèi)溫度上升，豎井內(nèi)外形成溫差，就會(huì)形成煙囪效應(yīng)，氣體的上升運(yùn)動(dòng)十分顯著，致使煙氣迅速向上蔓延，進(jìn)而危及上部樓層。對(duì)于煙囪效應(yīng)對(duì)煙氣在豎井中的運(yùn)動(dòng)的影響，目前做了很多研究，一般認(rèn)為煙氣在煙囪效應(yīng)和熱煙浮力的作用下會(huì)運(yùn)動(dòng)到最高層，所以當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，除著火層外最高層會(huì)先達(dá)到危險(xiǎn)。但是通過(guò)對(duì)某住宅樓火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為例研究，發(fā)現(xiàn)結(jié)果并非完全如此［1－7］。

該住宅樓為11+1層二類單元式住宅樓，為敞開(kāi)式的樓梯間，當(dāng)2層著火時(shí)，在各樓層前室門的1.8 m高度處設(shè)置探測(cè)點(diǎn)，各層可用安全疏散時(shí)間如表1，F(xiàn)n代表第n樓層，研究表明，當(dāng)2層發(fā)生火災(zāi)后，2層最先達(dá)到危險(xiǎn)，接著3層達(dá)到危險(xiǎn)，依次是上一層先達(dá)到危險(xiǎn)。因此，筆者認(rèn)為樓梯對(duì)火災(zāi)煙氣在樓梯這種特殊的豎井內(nèi)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用大。

表1 各層可用安全疏散時(shí)間

1 模擬驗(yàn)證

1.1 軟件介紹

FDS主要用于預(yù)測(cè)在設(shè)計(jì)火災(zāi)下所導(dǎo)致的火災(zāi)環(huán)境。該模型是一個(gè)基于有限元的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型，是用數(shù)學(xué)方法，通過(guò)求解代表物理定律的數(shù)學(xué)方程，來(lái)預(yù)測(cè)流體流動(dòng)、熱傳輸、質(zhì)量傳輸、化學(xué)反應(yīng)和相關(guān)現(xiàn)象的學(xué)科。FDS是一個(gè)由公認(rèn)的政府權(quán)威機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的模型，有相當(dāng)多關(guān)于該模型的文獻(xiàn)資料，而且該模型經(jīng)過(guò)了大型及全尺寸實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證［8］。

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

FDS軟件進(jìn)行模擬驗(yàn)證，采用簡(jiǎn)化的模型，建一個(gè)8層的建筑，每層只設(shè)置樓梯間，前室和房間，層高為3 m，總體尺寸為12 m×2.4 m×24 m，模擬網(wǎng)格尺寸為0.3 m×0.3 m×0.3 m，火源位于房間中部，功率為0.5 MW，設(shè)置兩個(gè)場(chǎng)景，都為1層房間著火，但是場(chǎng)景1設(shè)置樓梯，如圖1所示:場(chǎng)景2設(shè)置為空井，如圖2所示，在每層的前室門中央的1.8 m高度處分別設(shè)置探測(cè)點(diǎn)，研究火災(zāi)下溫度和能見(jiàn)度隨時(shí)間的變化。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律

場(chǎng)景1在各個(gè)時(shí)間階段豎井內(nèi)的煙氣分布，如圖3所示。

圖像表明，在火災(zāi)下，煙氣先是在本層蔓延，然后通過(guò)樓梯間向上部各個(gè)樓層逐步蔓延，在火災(zāi)初期階段，上部樓層幾乎沒(méi)有煙氣存在，在900 s的時(shí)候最上面的三層樓層里的煙氣也很少。

場(chǎng)景2在各個(gè)時(shí)間階段豎井內(nèi)的煙氣分布，如圖4所示。圖像表明，在火災(zāi)下，煙氣先是在本層蔓延，然后通過(guò)樓梯間向上部各樓層蔓延，在300 s時(shí)，豎井內(nèi)充滿煙氣，其中在頂部樓層煙氣較多，在900 s的時(shí)候幾乎整個(gè)樓層都充滿煙氣。

結(jié)合圖3和圖4，可以看出當(dāng)為空井時(shí)，煙氣有前期熱煙浮力的作用，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生一定的時(shí)間后，由于熱煙浮力和煙囪效應(yīng)的雙重作用，煙氣在豎井內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)，豎井內(nèi)充滿煙氣，且在最高層煙氣較多。當(dāng)為樓梯井時(shí)，由于樓梯對(duì)煙氣的縱向運(yùn)動(dòng)起到了一定的阻擋作用，煙氣向上蔓延的速度減小，而橫向運(yùn)動(dòng)作用相對(duì)較大，使得煙氣逐步向上層蔓延。

2.2 不同場(chǎng)景下測(cè)點(diǎn)處溫度變化曲線分析

圖1 場(chǎng)景1

圖2 場(chǎng)景2

圖3 場(chǎng)景1中火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)情況

圖4 場(chǎng)景2中火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)情況

圖5 不同豎井時(shí)測(cè)點(diǎn)處溫度變化曲線

從圖5可以看出，在900 s時(shí)間內(nèi)，對(duì)于場(chǎng)景1而言，著火層測(cè)點(diǎn)處的溫度最高，在95 s的時(shí)候就達(dá)到溫度60℃，其次是二層，接著三層，在七，八層溫度基本不變。即煙氣蔓延到上部樓層較少。對(duì)于場(chǎng)景2而言，著火層的溫度最高，因?yàn)闊煔庀蛏喜繕菍舆\(yùn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)與周圍空氣或者較冷煙氣進(jìn)行熱傳遞，所以上部各樓層測(cè)點(diǎn)處的差異不大，頂部樓層測(cè)點(diǎn)處溫度較高。

2.3 不同場(chǎng)景下測(cè)點(diǎn)處能見(jiàn)度變化曲線分析

圖6 不同豎井時(shí)測(cè)點(diǎn)處能見(jiàn)度變化曲線

從圖6可以看出，在900 s時(shí)間內(nèi)，對(duì)于場(chǎng)景1而言，著火層測(cè)點(diǎn)處的能見(jiàn)度最低，在75 s的時(shí)候能見(jiàn)度就降到10 m以下，其次是二層，接著三層，在八層能見(jiàn)度基本不變;即煙氣蔓延到上部樓層較少。對(duì)于場(chǎng)景2而言，著火層的能見(jiàn)度最低，在65 s的時(shí)候能見(jiàn)度就降到10 m以下，其次是頂部樓層測(cè)點(diǎn)處能見(jiàn)度較低;即煙氣蔓延到上部樓層較多。

結(jié)合溫度和能見(jiàn)度，對(duì)于場(chǎng)景1而言，各層達(dá)到危險(xiǎn)時(shí)間的快慢為F1＞F2＞F3＞F4＞F5＞F6＞F7＞F8，而對(duì)于場(chǎng)景2而言，各層達(dá)到危險(xiǎn)時(shí)間的快慢為F1＞F8＞F7＞F6＞F5＞F3＞F2＞F4?？梢钥闯觯饘幼钗ｋU(xiǎn)以外，當(dāng)豎井內(nèi)有樓梯時(shí)，樓梯對(duì)煙氣的向上運(yùn)動(dòng)起到的阻礙作用比較明顯。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用FDS軟件分別建立樓梯井和空井的建筑內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)模型，對(duì)比分析煙氣運(yùn)動(dòng)的情況發(fā)現(xiàn):樓梯對(duì)火災(zāi)煙氣在樓梯井中蔓延影響較大。在樓梯井中熱煙浮力和煙囪效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力對(duì)煙氣蔓延的作用不明顯。對(duì)于研究豎井中火災(zāi)煙氣蔓延，樓梯井和空井(豎直管道井，電梯井)應(yīng)該分別考慮。

［1］張靖巖，霍然，王浩波，等.煙囪效應(yīng)形成機(jī)理的實(shí)驗(yàn)［J］.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(1):73－76

［2］霍然，袁宏永.性能化建筑防火分析與設(shè)計(jì)［M］.合肥:安徽科學(xué)技術(shù)出版社，2003

［3］Klote J H.an analysis of the influence of piston effect on elevator smoke control［J］.NBSIR，1988

［4］朱杰，霍然，付永勝.超高層建筑火災(zāi)防排煙研究［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2007(1):54－57

［5］孫建軍，李烈，路世昌，等.高層建筑管道井內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)大渦模擬［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2006(9):40－45

［6］Klote J.A General Routine for Analysis of Stack Effect［J］.National Institute of Standards and Technology，NISTNR，1991

［7］張靖巖，霍然，王浩波，等.高層建筑中利用豎井進(jìn)行排煙的可行性分析［J］.工程力學(xué)，2006(7):147－154

［8］鄧玲.FDS場(chǎng)模擬計(jì)算中的網(wǎng)格分析［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2006(2):207－210