基于FDS的高校寢室火災(zāi)數(shù)值模擬

李苑　劉江虹　謝啟苗

摘要：近年來，高校人群密度日漸升高，而寢室作為學(xué)生學(xué)習(xí)、生活的主要場所之一，其安全問題就顯得尤為重要。本文運用FDS軟件，對上海海事大學(xué)學(xué)生寢室樓某層進(jìn)行建模及火災(zāi)數(shù)值模擬分析，旨在對寢室火災(zāi)發(fā)展規(guī)律進(jìn)行研究。通過對比兩種工況下的火災(zāi)發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)可以在火災(zāi)初期明顯減小火勢，為被困人員贏得寶貴的逃生時間，并針對如何預(yù)防寢室火災(zāi)及火災(zāi)情況下的人員疏散提出了相關(guān)的對策建議。

關(guān)鍵詞：寢室火災(zāi)；FDS：數(shù)值模擬；機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)

1.引言

近年來，高?；馂?zāi)事故屢見不鮮，對師生的生命財產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅，而寢室火災(zāi)是造成人員傷亡和財產(chǎn)損失的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計，2005年以來，全國高校共發(fā)生火災(zāi)2000余起直接財產(chǎn)損失達(dá)5200余萬元，給高校工作的正常運轉(zhuǎn)和安穩(wěn)和諧造成了極大障礙。學(xué)生宿舍空間有限，人員和物品相對集中，使得房間內(nèi)可燃物多、火災(zāi)負(fù)荷大，而且一旦發(fā)生火災(zāi)，疏散難度較大。加之很多學(xué)生防火意識薄弱，使用高負(fù)荷違章電器，使得寢室火災(zāi)多為人員因素導(dǎo)致。因此，對寢室進(jìn)行火災(zāi)數(shù)值模擬，研究寢室火災(zāi)發(fā)展規(guī)律，并提出相應(yīng)的防火對策建議，有著重要的現(xiàn)實意義。

2.模型建立

2.1模型建立及網(wǎng)格劃分

本文根據(jù)上海海事大學(xué)寢室樓某層實測數(shù)據(jù)運用PyroSim建模。網(wǎng)格模型長×寬×高=72.0m×16.0m×3.6m，X，Y，ZCells分別為360，80，18，共劃分了518400個網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.2m×0.2m×0.2m。FDS物理模型場景如圖2.1。

2.2模型主要參數(shù)和邊界條件描述

單層寢室樓模型的周圍環(huán)境溫度為20℃，氣壓為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。寢室正門的開口尺寸為長×寬=2.25m×1.2m；寢室陽臺的開口尺寸為長×寬=2.25m×1.5m；走廊兩端窗戶的開口尺寸為長×寬=2m×1.8m：走廊出口的開口尺寸為長×寬=2.45m×1.8m；根據(jù)實測數(shù)據(jù)，除陽臺墻體厚度為0.3m外，其余墻體厚度均為0.5m。墻體材料為“1.0的GYPSUM”。全部地板均為瓷磚材料，寢室內(nèi)床上用品為泡沫材料，其余均為木材。通風(fēng)口尺寸為長×寬=0.6m×0.3m，通風(fēng)管道的材料為“1.0的STEEL”。

走廊天花板共設(shè)有6個通風(fēng)口，兩兩間隔10m，風(fēng)機(jī)型號為DZ-11型，風(fēng)量為1600m3/h，計算得通風(fēng)口的風(fēng)速約為2.5m/s。所有門窗均敞開，南北陽臺外邊界為開放狀態(tài)，天花板為封閉狀態(tài)。

2.3火源的設(shè)置

學(xué)生寢室內(nèi)堆放有大量書籍，家具通常為木制品，均屬易燃物品，根據(jù)這一特點，此處將火源設(shè)置在南側(cè)9號寢室1號桌面上。火源尺寸大小為0.2m×0.2m。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，火勢將向四周蔓延，可燃物燃燒的熱釋放速率直接反應(yīng)了火源釋放熱量的快慢和大小，是評價火災(zāi)發(fā)展程度的重要參數(shù)，也是火災(zāi)模擬必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，將火源的最大熱釋放速率設(shè)為2MW，計算可得在燃燒大約413秒時達(dá)到峰值，火源熱釋放速率HRR與時間關(guān)系函數(shù)：

Q=at²

根據(jù)可燃物的種類和性質(zhì)的不同，α有不同取值，具體取值依據(jù)見表2.1。

由于學(xué)生寢室內(nèi)的可燃物主要為床上用品及書籍，內(nèi)置家具基本均為木制，因此本文取α值為0.01172。

2.4監(jiān)測點布局

本文上海海事大學(xué)學(xué)生寢室樓某層模型中主要設(shè)置了火災(zāi)溫度探測器、CO煙氣層厚度探測器和CO濃度探測器。由于溫度、能見度和CO濃度是影響人員逃生的重要因素，所以將火災(zāi)溫度探測器、煙氣濃度探測器和CO濃度探測器的高度均設(shè)在人的平均身高1.7米處來考察不同工況下火災(zāi)發(fā)生后的溫度、煙氣高度以及CO濃度對人員逃生造成影響。火災(zāi)溫度探測器、煙氣層厚度探測器及CO濃度探測器設(shè)置在走廊中心軸線上，用來探測火災(zāi)發(fā)生時走廊各處尤其是走廊出口處和火源房間處溫度變化、煙氣層厚度變化和CO濃度變化情況；在走廊中部切面上設(shè)置了5個火災(zāi)溫度探測器、5個煙氣層厚度探測器和5個CO濃度探測器，分別位于著火房間門口、兩邊安全出口處及安全出口到著火房間的中央，并在1.6m高度設(shè)置了能見度切片。

3.模擬過程及結(jié)果分析

本文模擬了2MW火災(zāi)，設(shè)置了有無機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)兩種工況，并針對不同工況下的溫度、煙氣層厚度、能見度和CO濃度進(jìn)行了對比分析，具體分析結(jié)果如下。

3.1走廊溫度分析

取火源中心上方1.7m處為監(jiān)測點，在走廊上共設(shè)置了5個溫度探測器，如圖3.1（a）與圖3.1（b）所示，可觀察到走廊內(nèi)溫度隨時問的變化規(guī)律：（1）各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)均顯示，有控風(fēng)條件下的溫度明顯低于無控風(fēng)條件溫度，這是由于排煙口在火災(zāi)初期能夠?qū)煔馀懦?，降低走廊?nèi)溫度。但排煙口客觀上增加了空氣流動，降低火場內(nèi)大氣壓，使新鮮的空氣輸入到火場中，在火災(zāi)發(fā)生后期反而助長火勢，所以應(yīng)當(dāng)在火災(zāi)發(fā)展初期合理使用控風(fēng)措施。（2）一般認(rèn)為，人體所能承受溫度為60℃，溫度超過60℃即認(rèn)為是危險狀態(tài)。由圖可知，在模擬時間內(nèi)，兩種工況下溫度均未達(dá)到危險溫度，這說明溫度不是影響人員疏散并最終導(dǎo)致火場內(nèi)人員傷亡的最主要的因素。

3.2走廊煙氣濃度分析

根據(jù)以往火災(zāi)事故統(tǒng)計，火災(zāi)中大部分人員傷亡是由于吸入過量有害煙氣，火災(zāi)煙氣對人員的危害主要體現(xiàn)在缺氧、中毒及高溫?zé)煔庵舷ⅰＨ?，火?zāi)需要消耗大量02，使走廊及房間內(nèi)02含量降低，當(dāng)下降到5%以下時，會造成人員嚴(yán)重缺氧窒息；人員如果吸入煙氣中過量的CO，會中毒甚至死亡；另外，高溫?zé)煔庖矔l(fā)人員呼吸道阻塞窒息?？梢姡馂?zāi)煙氣對人員的危害性之大。

在火源房間門口處、兩個安全通道處及走廊中間共設(shè)置了5個煙氣層高度探測器。圖3.2（a）與圖3.2（b）反映了兩種工況下的煙氣層高度變化規(guī)律。

通過對兩種工況下煙氣層高度曲線圖的對比可知：（1）同一時刻，由于排煙設(shè)備能加速煙氣的排出，有控風(fēng)條件下的煙氣層高度厚度明顯小于無控風(fēng)條件下的煙氣層厚度，這使得走廊內(nèi)能見度相對較高，極大地提高了人員疏散效率。（2）由于熱煙氣首先是向上運動，然后發(fā)生沉降，因此在疏散過程中，被疏散人員務(wù)必要降低身體重心，俯身快速逃離火場。（3）無控風(fēng)條件下，250s后，檢測點1處的煙氣層高度已接近甚至低于人員逃生臨界值1.5m，此時人員已處于絕對危險狀態(tài)，其他監(jiān)測點處的煙氣層高度也明顯低于有控?zé)煿r下的煙氣層高度。

3.3走廊能見度分析

火災(zāi)煙氣的產(chǎn)生，會導(dǎo)致走廊內(nèi)能見度降低，更會造成走廊內(nèi)人員呼吸困難，心理狀態(tài)緊張，使人員不能以正常行動能力進(jìn)行逃生和疏散，也導(dǎo)致了救災(zāi)工作受到阻礙。

由于火場能見度主要對寢室樓內(nèi)人員的逃生產(chǎn)生影響，因此，分析人眼特征高度處（通常取值范圍為1.2-2m，本文取1.6m）的能見度水平變化規(guī)律能作為人員是否處于危險狀態(tài)的判斷依據(jù)，即取z=1.6m為監(jiān)測水平面，圖3.3（a）——3.3（f）反映了火災(zāi)發(fā)展過程中能見度在水平面上的變化：

通過觀察兩種工況下1.6m處能見度水平方向的變化示意圖，可以發(fā)現(xiàn)，隨著火災(zāi)煙氣的上升、積聚、下降沉淀，在無控風(fēng)條件下，150s時火源房間內(nèi)的能見度已下降到10m左右，300s時火源房間內(nèi)能見度已接近于0，走廊兩端能見度明顯小于10m，大約在5m左右，一般認(rèn)為此時已為人員傷亡危險點，500s時整個走廊能見度已基本均在3m以下，若此時仍為疏散完畢，人員已處于絕對危險狀態(tài)。在有控風(fēng)條件下，150s時火源房間內(nèi)能見度在10m左右，300s時火源房間內(nèi)能見度接近于0，走廊內(nèi)除兩端大約5m處能見度較低，其余中部位置能見度良好，500s時兩端個別房間內(nèi)能見度較低，人員處于危險狀態(tài)，其余位置能見度基本良好。

3.4走廊CO濃度分析

通過查閱大量火災(zāi)統(tǒng)計資料，人員因CO窒息中毒死亡的人數(shù)占全部死亡人員約70%。吸入空氣中CO濃度達(dá)292.5mg/m3時，人可產(chǎn)生嚴(yán)重頭痛、眩暈等癥狀；CO濃度達(dá)1170 mg/m3時，吸入超過60min認(rèn)可昏迷，CO濃度達(dá)11700mg/m3時，數(shù)分鐘可致人死亡。圖3.4（a）與圖3.4（b）反映了兩種工況下的CO濃度隨時間變化的曲線圖。

通過觀察上圖中CO的濃度曲線走勢可知：（1）在同一時刻，由于排煙裝置的作用，有控風(fēng)條件下的CO濃度明顯低于無控風(fēng)條件下的CO濃度。（2）在模擬時間內(nèi)，在有控風(fēng)條件下CO濃度較低，人員相對安全；在無控風(fēng)條件下，350s后，1號探測器位置CO濃度已達(dá)到300mg/m3，若此時還未撤離，人員將處于絕對危險狀態(tài)。

4.結(jié)論與對策建議

通過對兩種工況下火災(zāi)發(fā)展及蔓延的對比研究，可以得出以下結(jié)論：（1）在火災(zāi)發(fā)展初期，控風(fēng)系統(tǒng)將煙氣排出，從而能夠有效降低走廊內(nèi)的煙氣濃度與溫度，為樓內(nèi)的人員疏散贏得了寶貴的時間，因此，安裝機(jī)械控風(fēng)系統(tǒng)是保護(hù)樓內(nèi)人員財產(chǎn)安全的有力手段，是十分必要的。（2）另一方面，由于控風(fēng)系統(tǒng)將煙氣排出，使得走廊內(nèi)壓力降低，加速了空氣的流入，因此在火災(zāi)后期反而會助長火勢，因此必須合理利用機(jī)械排煙系統(tǒng)，其運行時間長短還有待進(jìn)一步的研究。（3）從上述模擬結(jié)果可以看出，影響人員疏散、并最終導(dǎo)致人員傷亡的主要因素并非高溫環(huán)境，而是由于燃燒產(chǎn)生的煙氣。低能見度條件下人員行動速度會受到明顯制約，而CO等有毒有害氣體一旦進(jìn)入人體，會大大影響人員的行動能力，煙氣濃度較高時還會導(dǎo)致人員窒息，這些都是在發(fā)生火災(zāi)時導(dǎo)致人員傷亡的主要因素。（4）根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，由于左邊出口更靠近窗口及通風(fēng)設(shè)備，因此左邊出口處的煙氣流動更為明顯，火勢發(fā)展與蔓延比右邊出口處更為猛烈，因此樓內(nèi)人員，尤其是中部位置的人員，在距離兩出口距離相差不大時，應(yīng)優(yōu)先選擇右邊出口更為保險。（5）人為因素是造成寢室火災(zāi)的主要原因之一，為了預(yù)防寢室火災(zāi)的發(fā)生，一方面學(xué)校要加大監(jiān)察力度，務(wù)必杜絕存在火災(zāi)隱患的違章電器的使用；另一方面要加強(qiáng)對學(xué)生的安全教育力度，讓每一個人樹立安全意識，從根本上降低寢室火災(zāi)發(fā)生的可能性。

此外，本文對火災(zāi)情況下人員疏散動力學(xué)沒能進(jìn)行更深入的研究，僅針對某一樓層內(nèi)火災(zāi)蔓延情況給出了人員撤離所必須時間。但實際上，影響人員疏散行為的因素是十分復(fù)雜的，比如心理因素、社會因素、年齡差異、性別差異等，都會在不同程度上導(dǎo)致個體呈現(xiàn)出不同的逃生行為，有關(guān)這些因素的人員疏散研究還有待進(jìn)一步的討論。