廣州白云機(jī)場區(qū)域火災(zāi)煙氣流動(dòng)數(shù)值模擬

鄧偉雄,黃艷山,廖堅(jiān)衛(wèi),陳小輝,周孝清

(1.廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院,廣州,510010);2.廣州大學(xué)建筑節(jié)能研究院,廣東省建筑節(jié)能與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州510006)

在建筑物受限空間的火災(zāi)中,煙氣運(yùn)動(dòng)與火蔓延存在著復(fù)雜的相互作用?；鸬穆訒?huì)產(chǎn)生大量的煙氣,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,煙氣的毒害性和減光性是造成火災(zāi)中人員傷亡的主要原因[1]。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,在火災(zāi)中85%以上的死亡者是死于煙氣的影響,而其中大部分是吸入了煙塵及有毒氣體 (主要是一氧化碳)昏迷后致死的[2]。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)火場人員安全疏散產(chǎn)生的具體影響。

1 模擬計(jì)算區(qū)域

西指廊三層區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)防火分區(qū),主要用于旅客候機(jī)大廳,設(shè)計(jì)滯留人數(shù)為0.5人/m2。各登機(jī)橋可作為疏散口。指樓三層有可能起火的地方主要是旅客通道一側(cè)的商店,其中的可燃物主要是商品。本文主要模擬在自然排煙條件下,西二指樓(見圖1)三層大空間煙氣流動(dòng)特性及規(guī)律,確定自然排煙口面積對(duì)大空間煙氣層下降的影響規(guī)律,校核自然排煙口設(shè)計(jì)的合理性。同時(shí)對(duì)指樓的疏散時(shí)間進(jìn)行分析,計(jì)算煙氣運(yùn)動(dòng)情況結(jié)果能否滿足指樓的疏散要求。

圖1 西二指廊三層平面圖

2 人員疏散分析

火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的主要項(xiàng)目之一是評(píng)估建筑物內(nèi)的人員在發(fā)生火災(zāi)情況下的人身安全。

通常情況下,在出現(xiàn)火災(zāi)等緊急情況時(shí),建筑物中的人員都希望盡可能早地離開著火區(qū),疏散到安全區(qū)。而實(shí)際上,由于火災(zāi)環(huán)境和建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,在開始階段,人員往往不能迅速地察覺火災(zāi)并做出反應(yīng),只有等到火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)動(dòng)作或者火焰和煙氣由起火區(qū)向非起火區(qū)蔓延,火勢擴(kuò)大時(shí)人員才能發(fā)現(xiàn)火災(zāi)并開始疏散,但是由于火災(zāi)煙氣的迅速蔓延將嚴(yán)重妨礙建筑物內(nèi)人員的逃生行動(dòng),火場中的人員往往不能理智地選擇最佳疏散路徑加以疏散,從而使人員生命和財(cái)產(chǎn)遭受重大損失。下面根據(jù)指樓的總體建筑特點(diǎn)和客流量數(shù)據(jù),計(jì)算在最不利情況下,不同人員疏散方式所需要的時(shí)間,為候機(jī)樓內(nèi)人員疏散方式的選擇提供科學(xué)依據(jù)。

2.1 疏散方式

西指樓的疏散口較多,包括從連接樓到指樓的入口和各個(gè)登機(jī)口。但是登機(jī)口的情況較為復(fù)雜,為安全起見,分以下兩種情況進(jìn)行疏散計(jì)算:情況①只從登機(jī)通道盡頭的疏散樓梯疏散;情況②只從連接樓到指廊的入口疏散,入口寬度10m。

2.2 疏散行動(dòng)時(shí)間預(yù)測分析

候機(jī)樓內(nèi)各區(qū)域疏散行動(dòng)時(shí)間計(jì)算將主要由最大步行時(shí)間和出口排隊(duì)時(shí)間兩方面組成,若疏散時(shí)出口排隊(duì)時(shí)間大于最大步行時(shí)間,則疏散行動(dòng)時(shí)間將主要由出口排隊(duì)時(shí)間決定,即航站樓內(nèi)的大量人群疏散將主要受到排隊(duì)效應(yīng)的影響。若將平均步行速度確定為1 m/s,情況①中候機(jī)樓內(nèi)的最大疏散距離取80m,則最大步行時(shí)間應(yīng)該為80s,情況②中候機(jī)樓內(nèi)的最大疏散距離取265m,則最大步行時(shí)間應(yīng)該為265s,兩種情況中出口寬度人員流量參系數(shù)設(shè)定為1.5(人/m·s)的寬度[3],計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 疏散行動(dòng)時(shí)間計(jì)算結(jié)果

情況①只從登機(jī)通道盡頭的疏散樓梯疏散,考慮登機(jī)口到地面的臺(tái)階的影響,這可由下面公式計(jì)算人員下臺(tái)階所用時(shí)間[4]:

式中:s為樓梯的長度,取30m;R為樓梯階高,取0.2m;B為樓梯階寬,取1.2m;v為人員下樓梯速度,取0.915m/s。

通過上式計(jì)算得到人員下樓梯的時(shí)間為 T2=60s。時(shí)間T3是指從人員得到火災(zāi)信號(hào)到開始疏散行動(dòng)時(shí)間,本文中設(shè)定為30s。因此,情況①層疏散時(shí)間則為30+60+307=397s,情況②則為276+30=306s。

3 煙氣對(duì)人員疏散影響的數(shù)值模型

3.1 計(jì)算模型

場模擬是利用計(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。本文利用計(jì)算流體軟件PHEONICS對(duì)其進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算,模型外觀如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型外觀圖

3.2 參數(shù)設(shè)置

(1)初始條件:

火災(zāi)發(fā)生前,室內(nèi)溫度 t內(nèi)=26℃,室外溫度t外=33.5℃,且無煙氣產(chǎn)生。

(2)火災(zāi)火源設(shè)定條件:

三層有可能起火的地方主要是旅客通道一側(cè)的商店,其中的可燃物主要是商品,根據(jù)美國NIST的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和BSI標(biāo)準(zhǔn)中列出的最大熱釋放速率可用于火災(zāi)安全設(shè)計(jì) (表2),取火災(zāi)點(diǎn)的燃燒強(qiáng)度500kW/m2。在模擬計(jì)算時(shí),采用一種較為不利情況進(jìn)行模擬,即起火的商店在指廊的端頭附近,這樣有一側(cè)的煙氣擴(kuò)散會(huì)受到限制。

表2 火災(zāi)發(fā)展速率和最大熱釋放速率

(3)人體控制參數(shù):

在大尺度空間內(nèi)隨著煙氣不斷上升或者蔓延到遠(yuǎn)離火源的地方時(shí),煙氣溫度大大降低,容易發(fā)生局部沉降,造成煙氣層表面并非十分平整,此時(shí),在確定煙氣層危險(xiǎn)高度時(shí),應(yīng)該考慮頂棚高度和空間面積的影響而作相應(yīng)調(diào)整,本文建議采用下面的計(jì)算公式,該公式只考慮了頂棚高度的影響[5]。

式中:Hd為危險(xiǎn)高度 (m);Hp為人體的平均身高 (m),本文取1.6m;Hc為棚的高度 (m),本文為14m。

通過計(jì)算可以得到疏散危險(xiǎn)高度為3 m。

(4)排煙條件:

指樓屋頂中部是天窗結(jié)構(gòu),在消防上作為自然排煙。天窗長度為200m,高度從中間到兩側(cè)由1.8～0.5m不等,排煙口的面積取地面面積的1%為82m2,排煙口高度從8～15m不等,火災(zāi)發(fā)生時(shí)假定排煙口與疏散口同時(shí)開放。

(5)煙氣層界面的判定:

根據(jù)中國科技大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)研究表明,取煙氣的折光率30%左右為煙氣層的邊界是合理的,本文取中心煙氣濃度的5%這一保守值作為煙氣層的邊界。

4 煙氣模擬結(jié)果分析

(1)三層商店著火失控后,西二指樓三層旅客通道和候機(jī)廳人員疏散到室外為止的397s后的煙氣高度為 8.1m,煙氣溫度95℃,離危險(xiǎn)高度(3.0m)還有很大的高度 (見圖3)。到1000秒時(shí)煙氣層的高度還在3m以上,這樣有利于消防撲救的開展。

圖3 西二指樓煙氣模擬結(jié)果

(2)候機(jī)大廳屬于大空間建筑,室內(nèi)有較充足的冷空氣補(bǔ)充,同時(shí)自然排煙天窗在60s時(shí)就已經(jīng)向外排煙 (見圖4),使得煙氣上升較快。但煙氣在建筑內(nèi)上部空間受限,所以建筑上部空間的溫度升高很快,但3m以下的空間溫度升高不是很大,到了1000s時(shí)80℃的等溫曲面最低點(diǎn)才到離地3m的位置 (見圖5)。如果考慮機(jī)場的消防自救能力,在火源蔓延受到有效遏制 (墻和防火簾等)情況下,因高溫氣煙侵襲而引燃臨近商店的可能性較小。

圖4 候機(jī)廳60s時(shí)煙氣層情況

圖5 1000s時(shí)80℃煙氣等溫面位置

煙氣層在商店火災(zāi)失去控制后有較大的水平擴(kuò)散空間。模擬火源點(diǎn)是在指樓的一端,該側(cè)煙氣水平擴(kuò)散受到限制,煙氣下降比較快,在1000s后這一側(cè)的登機(jī)通道才開始有煙氣涌入(見圖6)。候機(jī)廳由于空間大,有一定的蓄煙能力,且排煙窗在60s時(shí)就開始向外排煙,這樣自然排煙天窗在人員疏散前有效的控制了煙氣層的高度和溫度,所以自然排煙的方式和排煙口的位置和大小都能很好的滿足消防要求。

圖6 1000s時(shí)煙氣層情況

(3)圖7是火源點(diǎn)最近排煙口數(shù)據(jù)圖,從中可以看出電動(dòng)百葉自然排煙口在火災(zāi)過程中的工作狀態(tài)。隨著火災(zāi)時(shí)間和強(qiáng)度的增加排煙風(fēng)速和濃度也快速增加,到了1000s(17分鐘左右)風(fēng)速可以達(dá)到6m/s之多,濃度達(dá)到50%左右。所以排煙口的排煙效果十分明顯。由于三層的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要是幕墻結(jié)構(gòu),內(nèi)部有金屬面板。玻璃材料在溫度超過100℃后,很容易會(huì)引起破碎而從高空墜落,傷到地面上的人員。圖7排煙口數(shù)據(jù)中可以看出到達(dá)600s(10分鐘)時(shí),排煙口的煙氣溫度已經(jīng)超過了100℃,玻璃很可能會(huì)發(fā)生破碎。

圖7 火源點(diǎn)最近排煙口數(shù)據(jù)曲線

5 結(jié)論

本文首先對(duì)新白云機(jī)場西二指樓人員疏散進(jìn)行了預(yù)測分析,然后利用PHOENICS軟件對(duì)候機(jī)廳內(nèi)的煙氣流動(dòng)進(jìn)行模擬研究,并分析了電動(dòng)百葉自然排煙口對(duì)人員安全疏散的影響,得到以下結(jié)論:

(1)制定詳細(xì)而妥善的疏散計(jì)劃,保證人員疏散安全。

只從登機(jī)通道盡頭的疏散樓梯疏散和只從連接樓到指樓的入口疏散這兩種方式應(yīng)該結(jié)合起來,當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)由專人進(jìn)行有組織的疏散,避免疏散造成擁擠,堵塞疏散通道。特別是前一種疏散方式中由于登機(jī)通道狹窄,應(yīng)該加強(qiáng)疏散的管理,以免造成人員踩踏。在火災(zāi)發(fā)生時(shí),最好能及時(shí)將登機(jī)口與地面之間的臺(tái)階換成斜坡,這樣能夠減小疏散時(shí)間。

(2)通過數(shù)值模擬分析,可以發(fā)現(xiàn)候機(jī)廳的大空間具有很大程度的蓄煙能力,使得煙氣不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)下降到危險(xiǎn)高度,對(duì)人員危害較小。大空間頂部合理的安裝電動(dòng)百葉自然排煙口,可以在疏散時(shí)間內(nèi)保持足夠的煙氣高度,不需要另行安裝大功率機(jī)械排煙設(shè)備。減少防火投資,增加商業(yè)建筑的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)鑒于玻璃在高溫條件下易發(fā)生破碎的特點(diǎn),大空間的玻璃幕墻和屋頂應(yīng)特殊處理,提高玻璃發(fā)生破碎的溫度值,這樣在很大程度上增加可用的疏散時(shí)間。

(4)通過實(shí)驗(yàn)室測量火災(zāi)發(fā)展數(shù)據(jù)的難度較大,而計(jì)算機(jī)模擬是試驗(yàn)方法的一種補(bǔ)充。

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