樓體火災(zāi)逃生最優(yōu)路徑數(shù)值試驗研究

李 鐵 王 寧* 朱 琳

(1.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083； 2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

樓體火災(zāi)逃生最優(yōu)路徑數(shù)值試驗研究

李 鐵1，2王 寧1，2*朱 琳1，2

(1.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083； 2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

為探索人員密集的大型公建火災(zāi)科學(xué)逃生機理，選擇“L”形寫字樓標(biāo)準(zhǔn)樓層為例，采用CFD計算軟件FLUENT，設(shè)定了四種逃生出口開啟條件，開展數(shù)值仿真試驗研究，通過分析發(fā)現(xiàn)：不同逃生出口條件會導(dǎo)致逃生路徑適宜程度有較大差異；高溫和煙氣聚集區(qū)位置出現(xiàn)在風(fēng)阻最小的走廊一側(cè)，沿壁逃生可能加重傷害；最短的逃生路徑不一定是最優(yōu)的逃生路徑；FLUENT軟件能較好地模擬相對密閉空間的火災(zāi)溫度場和煙氣場。

火災(zāi)，溫度場，煙氣場，逃生路徑，F(xiàn)LUENT

0 引言

公共建筑是人員高度密集場所，科學(xué)合理地逃生疏散對于減少乃至避免人員傷亡至關(guān)重要[1]。

火災(zāi)過程十分復(fù)雜，本文采用基于場模型的流體力學(xué)與傳熱分析軟件FLUENT[2，3]，以一幢“L”形寫字樓為例，仿真模擬標(biāo)準(zhǔn)樓層內(nèi)的溫度場，并運用流線形式直觀表現(xiàn)煙氣在樓宇內(nèi)的擴散[4-6]。比較開啟不同逃生出口狀態(tài)下的溫度和煙氣場變化規(guī)律，以期為人員密集公共建筑的火災(zāi)逃生疏散提供最優(yōu)路徑參考。

1 溫度場數(shù)值試驗的理論基礎(chǔ)與模型

1.1 場模擬

經(jīng)驗?zāi)M、半物理模擬以及物理模擬是火災(zāi)的計算機模擬的3個層次，而各種不同的火災(zāi)過程都是基于場模擬形成的理論基礎(chǔ)。場模擬將需要分析的空間劃分成多個計算單元網(wǎng)格，建立方程組并進行計算[7]。

三維空間控制火災(zāi)的微分方程為[8，9]：

(1)

其中,ρ為流體密度；Φ為任一變量；ui為脈動速度；ΓΦ為變量Φ的擴散系數(shù)；SΦ為變量的源項；t為單位時間。

1.2 簡化數(shù)值試驗?zāi)Ｐ?/p>

在本次的數(shù)值試驗中為了使較為復(fù)雜的火災(zāi)溫度場問題在現(xiàn)有理論以及技術(shù)條件下得到基本合理的解決，我們進行了如下簡化假設(shè)：

1)忽略了由流體黏性力做功所引起的耗散熱；并且認(rèn)為室內(nèi)氣體是低速流動，視室內(nèi)氣體為不可壓縮流體。

2)由于火災(zāi)所產(chǎn)生的煙流視為多組分理想氣體，并且有關(guān)風(fēng)流及煙流遵循理想氣體狀態(tài)方程。

1.3 模型建立

用ANSYS內(nèi)嵌的CFD計算軟件FLUENT，模擬樓體內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)層的溫度場，針對試驗對象情況進行如下主要參數(shù)的設(shè)置：

1)樓體所選用的結(jié)構(gòu)是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而混凝土的主要化學(xué)成分為碳酸鈣(CaCO3)，碳酸鈣所具備的其中一點性質(zhì)是它的熱工參數(shù)是伴隨著溫度和時間的變化而變化的，那么在FLUENT軟件中就選擇基于壓力的3D非穩(wěn)態(tài)隱式求解器作為該模型的求解方式。

2)燃燒的過程中，屬于湍流過程，針對這一過程選取經(jīng)典湍流模型k—ε標(biāo)準(zhǔn)方程模型進行數(shù)值模擬[10]。

3)建立的L形模型，根據(jù)常見樓宇和建筑消防設(shè)計規(guī)范設(shè)定出口位置，共設(shè)東向、北向以及中部電梯井處的樓梯共三個出口。

1.4 模擬條件

數(shù)值模型選用平面形狀相對復(fù)雜而常見的L形樓體內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)層作為試驗對象，該試驗樓體東西方向長度50 m，寬度15 m；南北方向長度20 m，寬度15 m；走廊寬度均為3 m；中部轉(zhuǎn)角處有一35 m2的電梯井。全樓層設(shè)有正北側(cè)、正東側(cè)和電梯井附近三個步梯出口，并各自安裝有消防門，正北、正東側(cè)出口設(shè)窗與樓外空氣溝通。配電室位于電梯井北側(cè)，是該樓層的潛在火災(zāi)源。具體分布見圖1。

數(shù)值試驗?zāi)M配電室起火后，分別開啟電梯井處與正北方向逃生出口、電梯井處與正東方向逃生出口、正東方向與正北方向逃生出口，整個起火樓層溫度場的分布規(guī)律以及煙氣擴散的趨勢，由此確定樓宇較為合理的火災(zāi)逃生出口和逃生路徑。

對高溫下材料力學(xué)性能的研究表明，在高溫作用下，鋼筋和混凝土的力學(xué)性能隨之會發(fā)生變化，表現(xiàn)為鋼筋和混凝土強度和剛度會隨著溫度的升高而降低，鋼到873 K時基本喪失承載強度。所以我們在建立模型的過程中考慮到了最不利情況。設(shè)定樓層內(nèi)流場溫度為303 K，壁面和底面溫度均為常溫300 K[11]。

2 數(shù)值試驗結(jié)果分析

2.1 溫度場模擬

設(shè)定配電室起火后，開啟不同逃生出口條件下，溫度場數(shù)值試驗結(jié)果及分布規(guī)律如下。

2.1.1 逃生條件-1

同時開啟電梯井處和正北方向逃生出口，樓層溫度場分布如圖2所示。在電梯井處出口形成一個相對低溫渦流，而在南北向走廊近壁區(qū)域形成一個高溫區(qū)，溫度高于通道中部16.33%。比較兩個逃生通道，沿電梯井處出口逃生路徑相對有利。

2.1.2 逃生條件-2

同時開啟正東方向以及電梯井處逃生出口，樓層溫度場分布如圖3所示。距起火點最近的電梯井處出口附近產(chǎn)生一個溫度相對較低的渦流，但電梯井附近的東西向走廊近壁處形成一個高溫區(qū)，是電梯井處出口逃生路徑上的障礙。東西向溫度比較均勻。比較之下，東西向走廊和正東出口是可選的逃生路徑。

2.1.3 逃生條件-3

同時開啟正東方向以及正北方向逃生出口，樓層溫度場分布如圖4所示。南北向走廊溫度相對高于東西向走廊，且在南北向走廊近壁區(qū)域形成一個高溫區(qū)，東西向走廊和正東出口是較好的逃生路徑。最短的逃生路徑不是最優(yōu)的逃生路徑。

2.2 煙氣擴散場模擬

針對上節(jié)三種逃生出口開啟條件，開展火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣擴散速度以及擴散趨勢數(shù)值試驗，分析適宜的逃生通道，試驗結(jié)果如下。

2.2.1 煙氣擴散條件-1

同時開啟電梯井處和正北方向逃生出口，數(shù)值試驗結(jié)果如圖5所示。未開口的東西向走廊和701室外廊內(nèi)煙氣擴散速度很慢，不宜選擇為逃生通道。而近電梯井出口煙氣擴散速度較快，相對適合逃生。

2.2.2 煙氣擴散條件-2

同時開啟正東向及近電梯井處出口，數(shù)值試驗結(jié)果如圖6所示。未開口的南北向走廊和701室外廊內(nèi)煙氣擴散速度很慢，煙氣聚集。東西向走廊和電梯井處出口煙氣擴散速度相對較大，最有利于煙氣擴散，這兩個出口和路徑均適合逃生。

2.2.3 煙氣擴散條件-3

同時開啟正東與正北出口時，數(shù)值試驗結(jié)果如圖7所示。未開口的電梯井處出口和701室外廊內(nèi)煙氣擴散速度很慢，南北向走廊東側(cè)近避煙氣擴散速度均很慢，有煙霧聚集。東西向走廊煙氣擴散速度較快，沿東西向走廊和出口相對適合逃生。最短的逃生路徑不是最優(yōu)的逃生路徑。

2.3 溫度與煙氣場綜合分析

1)開啟不同的逃生出口，L形樓層內(nèi)溫度場及煙氣擴散情況有很大差異，導(dǎo)致各逃生路徑并非都適宜逃生，四種逃生條件的最優(yōu)逃生路徑綜合判定結(jié)果見表1。

表1 最優(yōu)逃生路徑綜合判定一覽表

2)四種逃生條件均出現(xiàn)火場局部沿壁溫度異常增高區(qū)，近壁高溫區(qū)出現(xiàn)的位置與逃生開口有關(guān)：當(dāng)開啟一側(cè)走廊開口和電梯井處開口時，近壁高溫區(qū)位置出現(xiàn)在開啟出口的走廊一側(cè)；當(dāng)開啟一側(cè)走廊開口時，近壁高溫區(qū)位置出現(xiàn)在較短走廊一側(cè)；當(dāng)開啟全部三個開口時，近壁高溫區(qū)位置出現(xiàn)在較短走廊一側(cè)。由此判定，近壁高溫區(qū)位置出現(xiàn)在風(fēng)阻最小的走廊一側(cè)。

3)走廊近壁高溫區(qū)對面墻壁，通常是煙氣低速擴散區(qū)，因此，這兩個因素造成逃生通道上的逃生障礙。

3 結(jié)語

1)FLUENT軟件可以較好地模擬相對密閉空間的火災(zāi)溫度場和煙氣場。

2)選取四種不同的逃生出口開啟方式，對比分析結(jié)果表明，不同逃生出口條件會導(dǎo)致逃生路徑適宜程度有較大差異。

3)火場局部沿壁溫度異常增高和煙氣聚集，高溫和煙氣聚集區(qū)位置出現(xiàn)在風(fēng)阻最小的走廊一側(cè)。沿壁逃生可能加重傷害，火場逃生應(yīng)引起高度關(guān)注。

4)最短的逃生路徑不一定是最優(yōu)的逃生路徑，關(guān)鍵要看逃生路徑上阻礙逃生的因素。

5)試驗沒有考慮逃生出口打開時風(fēng)流的影響，如外部有正北或正東向風(fēng)涌入則會加重火災(zāi)。

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Numerical tests on the fire escape optimal path of body building

Li Tie1，2Wang Ning1，2*Zhu Lin1，2

(1.StateKeyLaboratoryofHigh-efficiencyMiningandSafetyofMetalMines,MinistryofEducation,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China；2.SchoolofCivilandEnvironmentEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

In order to explore the escape mechanism science of personnel intensive large-scale public buildings crowded fire, we chose a “L” shaped standard office floors for simulation test. In this test we have set four different conditions of export and use the CFD calculation software FLUENT, found that： the different exits conditions lead to the different of suitability degree in escape route. The high temperature and the zone of gas accumulation are appeared the floor which the windage is least, and the shortest path is not necessarily the best. Last of all, the FLUENT software proves to be useful to simulate the relatively closed space fire temperature field and secondary gas diffusion.

fire, temperature field, secondary gas diffusion, escape route, FLUENT

2015-08-23

李 鐵(1961- )，男，博士，教授； 朱 琳(1989- )，女，在讀碩士

王 寧(1990- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)31-0227-03

TU998.1

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