基于PyroSim的高校宿舍火災(zāi)數(shù)值仿真

王妍(首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué),北京 100070)

基于PyroSim的高校宿舍火災(zāi)數(shù)值仿真

王妍(首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué),北京 100070)

高校宿舍是典型的人員密集場(chǎng)所,為了有效保障師生的人身安全,對(duì)高校宿舍的火災(zāi)蔓延情況,應(yīng)用火災(zāi)模擬軟件PyroSim建立模型并進(jìn)行數(shù)值仿真進(jìn)行模擬。分析煙氣、溫度、能見(jiàn)度等因素對(duì)于逃生的影響。并根據(jù)分析給出合理的建議。

高校宿舍火災(zāi) PyroSim 火災(zāi)數(shù)值模擬

1 引言

高校宿舍是學(xué)生們休息的地方,學(xué)生有一半的時(shí)間在宿舍度過(guò),如果發(fā)生火災(zāi)事故很可能造成大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失,因此做好高校宿舍的火災(zāi)研究和預(yù)防工作具有十分重要的意義。近年來(lái),高?；馂?zāi)頻繁發(fā)生,給高校宿舍的消防安全敲響了警鐘[1]。例如,2003年2月20日清晨,武漢大學(xué)某男生宿舍樓一個(gè)寢室突發(fā)大火,火借風(fēng)勢(shì)瞬時(shí)吞噬了整個(gè)三樓22間寢室,大火被撲滅時(shí),3樓燒得只剩下斷壁殘?jiān)?2003年11月24日,俄羅斯人民友誼大學(xué)學(xué)生宿舍樓失火,造成41名學(xué)生死亡,將近200人受傷,其中遇難的中國(guó)留學(xué)生11名;2007年1月11日,東北師范大學(xué)研究生宿舍樓發(fā)生火災(zāi),濃煙將十一層高的宿舍樓籠罩,樓里百余個(gè)寢室的500多名學(xué)生被困;2008年5月5日,中央民族大學(xué)28號(hào)樓6層一個(gè)女生宿舍發(fā)生火災(zāi),上千名女生被迫疏散;2008年11月14日上午6點(diǎn)10分左右,位于上海中山西路的上海商學(xué)院發(fā)生火災(zāi),煙氣把四名女生逼到陽(yáng)臺(tái),最后四人從6層樓高的宿舍跳下,不幸全部身亡[2]。

我國(guó)多數(shù)高校宿舍建造的時(shí)間比較早,消防設(shè)施陳舊以及日常管理中對(duì)安全疏散不夠重視,一旦發(fā)生火災(zāi)事故,宿舍內(nèi)人員能否及時(shí)、合理地疏散逃亡直接關(guān)系到學(xué)生和宿舍工作人員的生命和財(cái)產(chǎn)安全。因此,研究高校宿舍火災(zāi)事故是十分必要的。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,采用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)火災(zāi)情況進(jìn)行模擬,獲得火災(zāi)中的一些重要參數(shù),可以有效地指導(dǎo)人員逃生[3]。用以描述建筑物內(nèi)部火災(zāi)事故的模型已經(jīng)有很多種,比如CFAST、FLUENT、PHOENICS、JASMINE、FDS等。筆者以某高校女生宿舍為研究對(duì)象,利用火災(zāi)模擬軟件PyroSim分析了發(fā)生火災(zāi)時(shí)具體煙氣、溫度等方面情況,為現(xiàn)實(shí)中的高校宿舍發(fā)生火災(zāi)等緊急情況下的人員逃生提供指導(dǎo)。

表3 .1 網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置

圖4 .1 t=70.8s的溫度切面圖(單位℃)

2 PyroSim軟件簡(jiǎn)介

PyroSim軟件是一款用于消防模擬的軟件,是在FDS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。PyroSim是最著名的開(kāi)源燃燒動(dòng)力學(xué)仿真軟件Fire Dynamics Simulator(FDS)的圖形界面軟件。其最大的特點(diǎn)是提供了三維圖形化用戶界面的模擬設(shè)計(jì)和執(zhí)行。友好的用戶操作界面,包括建模、邊界條件設(shè)置、火源設(shè)置、燃料材料設(shè)置等均可以輕松的完成。不僅如此,PyroSim 軟件可以模擬預(yù)測(cè)火災(zāi)中的煙氣流動(dòng)情況,并對(duì)火災(zāi)中煙氣的運(yùn)動(dòng)、溫度、和毒氣濃度進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)分析。

3 數(shù)值建模

3.1 學(xué)校女生宿舍樓介紹

本文所選模型來(lái)自于某高校女生宿舍樓。該宿舍樓共4層,每層約高3m,東西長(zhǎng)81m,南北寬15m,總面積為1215平方米。宿舍樓1層有47個(gè)房間,其中2個(gè)衛(wèi)生間,2個(gè)洗漱間,1個(gè)過(guò)廳,1個(gè)管理間,41個(gè)住宿間;2層到4層樓每層有49個(gè)房間,其中2個(gè)衛(wèi)生間,2個(gè)洗漱間,45個(gè)住宿間。每個(gè)住宿間的入住人數(shù)為4人,共有1名管理人員和704名住宿女生,為典型的人員密集場(chǎng)所。一般情況下三個(gè)樓梯均開(kāi)啟,大門也開(kāi)啟,但除大門以外的逃生門處于關(guān)閉狀態(tài)。該女生宿舍經(jīng)過(guò)合理簡(jiǎn)化,建立女生宿舍PyroSim模型。

3.2 PyroSim建模

3.2.1 網(wǎng)格參數(shù)的選取

由前文所述,房間尺寸為3m×6m,高3m。中間過(guò)道寬為3m。模型的計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)X=81m,Y=15m,Z=12m,采用直角坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò),均勻分布,取網(wǎng)格參數(shù)見(jiàn)表3.1,最小網(wǎng)格尺寸1.5m×1.0m×0.5m,網(wǎng)格總數(shù)為19,440個(gè),在坐標(biāo)系中形成精細(xì)的網(wǎng)格。

3.2.2 火源和模擬參數(shù)的設(shè)定

建立的模型尺寸為81m×15m×12m。結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的研究成果和工程的實(shí)際情況,設(shè)置燃燒物質(zhì)功率:480kw,模擬時(shí)間為400s。著火源為樓梯1旁的宿舍。在模擬宿舍人員逃生時(shí),由于溫度和煙氣是干擾人員疏散的主要因素,而煙氣的遮光性和障礙物的封閉效應(yīng)對(duì)逃生時(shí)的可見(jiàn)度又有影響,因此選用溫度、煙氣和能見(jiàn)度參數(shù)來(lái)反映火災(zāi)的危害性。

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 煙氣

圖4.2 一層的樓梯1溫度-時(shí)間曲線

有研究表明:火災(zāi)發(fā)生時(shí),2/3以上的人員死亡是由煙氣導(dǎo)致的[4,5]。因此,有必要對(duì)煙氣的運(yùn)動(dòng)方向和分布進(jìn)行研究。模擬結(jié)果表明,由于火源在樓梯1旁的宿舍內(nèi),高溫?zé)煔庵饕韧ㄟ^(guò)樓梯1迅速向上運(yùn)動(dòng),然后向樓道兩側(cè)擴(kuò)散,這時(shí)大量煙氣集中在一層和四層的樓梯1附近(t=0-63.6s),然后通過(guò)樓梯2煙氣上下運(yùn)動(dòng)(t=73.2-93.6s),在橫向擴(kuò)散同樣主要集中在一層、四層,最后通過(guò)樓梯3,在二層、三層樓道充滿煙氣,此時(shí)全部樓層已充滿煙氣(t=246.0s)。在315.6s時(shí),煙氣的濃度已經(jīng)很大,能見(jiàn)度極低,情況危險(xiǎn),而煙氣還在聚集。

4.2 溫度

設(shè)定溫度切片平面(Y=7.5m,位于樓道中央)。由下圖的溫度分布云圖可以觀測(cè)到,在燃燒一段時(shí)間后,溫度急劇上升,t=70.8s時(shí)到最高溫度,最高溫度集中在一層如圖4.1。由于四層的溫度比二層和三層的溫度上升的更快,因此主要分析一層和四層的溫度變化對(duì)于逃生時(shí)的影響。在高校宿舍由于逃生方式全部是通過(guò)樓梯間進(jìn)行,因此在各層三個(gè)樓梯口設(shè)置溫度探測(cè)器?；鹪丛跇翘?旁的宿舍內(nèi),因此一層的樓梯1的溫度在短時(shí)間內(nèi)急速上升如圖4.2所示,在逃生時(shí),住在高層的學(xué)生不適合選擇樓梯1進(jìn)行逃生。圖4.3、圖4.4分析可知,最高溫度為樓梯2一層的溫度大約在43℃,低于安全疏散溫度60℃,所以溫度對(duì)相關(guān)人員安全疏散無(wú)影響。樓梯2和樓梯3均可選作為逃生路線。

圖4.3 一層(左)、四層(右)的樓梯2時(shí)間曲線圖

圖4.4 一層(左)、四層(右)的樓梯3溫度-時(shí)間變化曲線

4.3 能見(jiàn)度

煙氣的遮光性直接影響使能見(jiàn)度,發(fā)生火災(zāi)后,影響人員逃生的一個(gè)極為重要的因素就是能見(jiàn)度[6]。根據(jù)上述煙氣的走勢(shì)和分布以及人員的逃生選擇主要集中在樓梯2和3,確定能見(jiàn)度探測(cè)器位置設(shè)置在四層的樓梯2和3。四層的樓梯2在75s內(nèi)的能見(jiàn)度為30m,然后急劇下降,在80s左右就下降到5m以下,對(duì)逃生極為不利。四層的樓梯3在120s內(nèi)的能見(jiàn)度為30m,然后馬上降低到5m逐漸趨近于0m。由此,樓梯2最佳逃生時(shí)間在75s內(nèi),樓梯3最佳逃生時(shí)間在120s內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

高校發(fā)生火災(zāi)的主要原因有明火引燃、使用電器不當(dāng)、不遵守宿舍安全管理規(guī)定胡亂使用大功率電器等等,因此,為了避免發(fā)生火災(zāi),學(xué)生和宿舍管理人員應(yīng)該嚴(yán)格遵守宿舍安全管理規(guī)章制度。作為人員密集場(chǎng)所,高校宿舍一旦發(fā)生火災(zāi)對(duì)學(xué)生的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)非常嚴(yán)重的威脅。利用火災(zāi)模擬軟件PyroSim表明,煙氣、溫度、能見(jiàn)度對(duì)人員逃亡疏散有直接影響,因此安裝機(jī)械排煙機(jī)、自動(dòng)噴淋系統(tǒng)、逃亡指示燈十分有必要。不僅如此,學(xué)校也應(yīng)該定時(shí)的進(jìn)行安全疏散演習(xí)。

[1]李琳,程遠(yuǎn)平,吳蕾,宋艷.高校學(xué)生宿舍消防安全疏散[J].消防科學(xué)與技術(shù),2010(2):122-125.

[2]樂(lè)增,金潤(rùn)國(guó),毛龍,湛鑫.高校宿舍火災(zāi)數(shù)值仿真模擬[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2009(2):51-55.

[3]劉濤,李葳.禮堂火災(zāi)情況下人員疏散過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬[J].消防科學(xué)與技術(shù),2008(1):10-13.

[4]Hietaniemi,J.,S. Hostikka,J. Vaari. FDS Simulation of Fire Spread—Comparison of Model Results with Experimental Data[R].Finland: VTT Building and Transport Press,2004:20-32.

[5]Kevin,M.,B.Klein,S.Hostikka,et al. Fire Dynamics Simulator(Version5) Technical Reference Guide[R].USA:NISTIR,2008:47-48.

[6]崔武遠(yuǎn),劉禹辰,侯龍飛,肖麗娜.基于FDS與Pathfinder的賓館火災(zāi)與人員疏散數(shù)值仿真[C].2010(沈陽(yáng))國(guó)際安全科學(xué)與技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì).中國(guó)遼寧沈陽(yáng):2010.

王妍(1990—),女,北京,研究生在讀,研究方向:安全技術(shù)。