火災(zāi)煙氣對(duì)人員疏散影響的研究現(xiàn)狀及展望

張安琪

(青島科技大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，山東 青島 266000)

火災(zāi)煙氣對(duì)人員疏散影響的研究現(xiàn)狀及展望

張安琪

(青島科技大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，山東 青島 266000)

隨著建筑高度的變化和風(fēng)格作用的多樣化，建筑火災(zāi)的發(fā)生越來(lái)越威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，而眾多事故中火災(zāi)煙氣對(duì)人的安全疏散造成了極大的危害，研究煙氣的蔓延規(guī)律及其對(duì)人員疏散的影響成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重要課題。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外大量關(guān)于火災(zāi)煙氣研究的文獻(xiàn)進(jìn)行歸納分析，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外對(duì)于煙氣研究幾種重要研究手段的發(fā)展，并簡(jiǎn)述了對(duì)煙氣蔓延及其成分研究重要進(jìn)程。最后分析了對(duì)火災(zāi)煙氣的發(fā)展趨勢(shì)和研究存在的問(wèn)題。

火災(zāi)煙氣；人員疏散；研究方式；運(yùn)移規(guī)律

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，人們的工作和居住等建筑水平有了明顯的改善和提高，建筑的風(fēng)格和類型也有了日新月異的變化，伴隨而來(lái)的是各種建筑發(fā)生的火災(zāi)事故層出不窮，給人民帶來(lái)了嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005 年我國(guó)共發(fā)生火災(zāi)14.3萬(wàn)起，火災(zāi)造成了人員死亡2500人，受傷人員2508人，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到了9.03億元[2]；2017 年我國(guó)共發(fā)生火災(zāi)31.2萬(wàn)起，火災(zāi)造成人員死亡1582人,受傷1065人,直接經(jīng)濟(jì)損失37.2億元。數(shù)據(jù)表明，我國(guó)城市社區(qū)火災(zāi)發(fā)生起數(shù)呈明顯上升趨勢(shì)，尤其是高層建筑火災(zāi)占相當(dāng)比例[1]，火災(zāi)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失也顯著增加。典型火災(zāi)事故如：2004年2月15日，吉林省吉林市中百商廈發(fā)生特大火災(zāi)事故，54人在事故中喪生，70多人受傷，過(guò)火面積達(dá)2040m2，直接經(jīng)濟(jì)損失約426萬(wàn)多元；2010年11月15日，上海膠州路一棟高層建筑發(fā)生特大火災(zāi)事故，死亡58人[3]；2017年6月14日凌晨，位于肯辛頓-切爾西區(qū)的格倫費(fèi)爾大樓突發(fā)大火，這座高24層的公寓樓幾乎燒成空殼，造成至少79人死亡。

不難看出，火災(zāi)的發(fā)生威脅到了人們的生命安全，對(duì)人們?cè)斐闪藝?yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明,建筑火災(zāi)中約75-85%的死亡是由煙氣導(dǎo)致的，根據(jù)美國(guó)對(duì)建筑火災(zāi)中死亡人員的統(tǒng)計(jì)，其中85%是火災(zāi)煙氣的危害所致，經(jīng)過(guò)分析后確定CO與血紅蛋白的結(jié)合是導(dǎo)致人員死亡的主要原因?？梢?jiàn)煙氣在火災(zāi)中對(duì)人具有極大的危害性，因此對(duì)火災(zāi)煙氣的研究具有極其重大的意義。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著火災(zāi)科學(xué)的發(fā)展，世界各地的專家學(xué)者們對(duì)火災(zāi)煙氣的研究越發(fā)的深入，探究深度和方式都獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，對(duì)火災(zāi)煙氣有了更深入的了解，從而對(duì)火災(zāi)的控制和人員疏散提供了有效的依據(jù)。

1.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)的科學(xué)家們對(duì)火災(zāi)煙氣的研究已經(jīng)取得了日新月異的成就，并在研究方式和研究?jī)?nèi)容上有了很大的創(chuàng)新性和實(shí)用性。麻柏坤，張人杰等人用鹽水模擬實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)受限空間起火災(zāi)時(shí)煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了探討，研究了建筑物內(nèi)初起火災(zāi)產(chǎn)生的煙羽流和頂蓬射流所誘發(fā)的空氣運(yùn)動(dòng)，得出了走廊煙氣速度受煙氣流量、密度和點(diǎn)源位置的影響，走廊頂棚煙氣的平衡厚度與煙氣體積生成率、密度和點(diǎn)源位置等有關(guān)。尤其值得提到的是他們研究了走廊中煙氣對(duì)空氣的卷吸作用，主要是通過(guò)走廊中清水的運(yùn)動(dòng)來(lái)顯示[4]。

公安部四川消防研究所蘭彬等人對(duì)地下商業(yè)街實(shí)體模型中不同送風(fēng)、排煙方式下煙氣流速規(guī)律和特性進(jìn)行了分析研究[5]；董華等人在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室比例為1:2的五層模型樓內(nèi)進(jìn)行了煙氣從通道向中庭擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)的主要儀器采用雙向風(fēng)速管和微壓傳感器組成的速度測(cè)量系統(tǒng)來(lái)測(cè)量煙氣的運(yùn)動(dòng)速度;姜馮輝等人同樣在五層模型樓中做了雙室火災(zāi)煙氣特性的實(shí)驗(yàn)研究[6];霍然等人構(gòu)建的房間和走廊直線相連的模型，研究了突然進(jìn)風(fēng)對(duì)室內(nèi)火災(zāi)的影響，主要研究的是室內(nèi)和房間的煙氣層的溫度場(chǎng)[7]。

目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于火災(zāi)中煙氣致死者大多數(shù)位于離火源位置較遠(yuǎn)處，即火災(zāi)中煙氣的遷移規(guī)律的研究(主要研究CO的遷移)還剛剛開(kāi)始，其中代表性的成果有，黃銳根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)和理論分析所推導(dǎo)出的在典型的側(cè)間-走廊建筑結(jié)構(gòu)中，紙張?jiān)诨鹪捶块g的燃燒的失重速率公式和在走廊中遠(yuǎn)距離點(diǎn)處的濃度變化公式，這兩個(gè)公式和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，其中的各參量均具有相應(yīng)的物理意義。同時(shí)，馮文興對(duì)火災(zāi)煙氣和環(huán)境之間的作用進(jìn)行了探索性的研究[8]。

值得注意的是，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和科學(xué)的不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)模擬逐漸成為火災(zāi)煙氣研究的重要工具。傅祝滿和范維澄對(duì)建筑火災(zāi)的區(qū)域模擬(Zone Modeling)方法開(kāi)展了早期工作，而陳曉軍等[9]則發(fā)展了多區(qū)域模型來(lái)預(yù)測(cè)單個(gè)房間中的垂直溫度分布，改進(jìn)了燃燒模型、流體流動(dòng)模型和熱傳遞模型；姚建達(dá)和范維澄[10]發(fā)展了煙氣運(yùn)動(dòng)場(chǎng)模擬方法(Field Modeling)并建立了三維數(shù)理模型，進(jìn)而發(fā)展了一種體積守恒修正壓力的 場(chǎng) 區(qū) 網(wǎng) 數(shù) 值 方 法 (Field-Zone-Net Modeling)。楊銳等[11]則結(jié)合大渦模擬技術(shù)發(fā)展了新的火災(zāi)過(guò)程場(chǎng)區(qū)模擬程序。

在近幾年的研究中，火災(zāi)煙氣的成分及其蔓延規(guī)律逐漸被探究出來(lái)?；馂?zāi)中煙霧成為人員疏散的致命物質(zhì)，為此深入研究火災(zāi)煙霧特性，成為地鐵火災(zāi)安全疏散研究的重點(diǎn)之一，其研究的主要焦點(diǎn)集中在煙霧熱釋放率及蔓延速度和方向上。楊君濤、楊昀等人[12]在研究火源位置對(duì)樓梯口處煙氣速度的影響中，對(duì)火災(zāi)熱源熱釋放率做了一定研究，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)模擬的有效性。對(duì)煙霧熱釋放率的研究主要在一維或者二維空間對(duì)火災(zāi)的煙霧情況進(jìn)行模擬，不能直接反映出火災(zāi)煙霧熱量在地鐵站內(nèi)的分布情況。

1.2 國(guó)外的相關(guān)研究

在國(guó)外，研究者的研究集中在對(duì)室內(nèi)煙氣的生成機(jī)理的研究，主要是CO的生成機(jī)理。如美國(guó)的Tewarson在1984年通過(guò)GER(global equivalance ration)來(lái)預(yù)測(cè)CO的生成，并生成模型[13]。Pitts在1994年又進(jìn)行了模型的算法修正，使其具有更普遍性[14]。

隨著火災(zāi)事故的頻繁發(fā)生，煙氣的運(yùn)移過(guò)程及其變化規(guī)律在近幾十年內(nèi)逐漸引起學(xué)者們的關(guān)注。1986年，F(xiàn)ardell[15]等人通過(guò)研究在通風(fēng)受限的情況下全尺寸的房間-走廊模型，得到從走廊末端及火源房間中收集到的煙氣產(chǎn)物的濃度，發(fā)現(xiàn)從火源房間流進(jìn)走廊中的煙氣在干燥后其CO含量達(dá)到3.5%～4.0%；1987年，Heskestad和Hill[16]研究了在火源附近的煙氣的溫度場(chǎng)、煙氣層厚度等，并對(duì)高濃度的CO從火源房間向遠(yuǎn)離處的目標(biāo)房間的傳播進(jìn)行了驗(yàn)證。

Ewens[17]在火災(zāi)煙氣的運(yùn)移規(guī)律的探究中做了大量的工作。1994年，他提出利用GER預(yù)測(cè)走廊排出的氣體中CO的生成量，并在Gottuk使用的火源間的基礎(chǔ)上構(gòu)建了房間-走廊(走廊中有充足的氧氣供應(yīng))的典型建筑結(jié)構(gòu)。他在實(shí)驗(yàn)中觀察了房間中的燃燒向走廊中擴(kuò)展，也發(fā)現(xiàn)了走廊遠(yuǎn)端處的回燃現(xiàn)象，并且說(shuō)明了走廊遠(yuǎn)端的回燃降低了CO濃度。同時(shí)，Ewens在沿著走廊長(zhǎng)度方向進(jìn)行取樣分析，發(fā)現(xiàn)UHC的濃度降低比CO快。

此外，Brian[18]等人在Ewens等人研究的基礎(chǔ)上，同樣構(gòu)建了典型的側(cè)間-走廓的建筑結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)揭示高濃度的CO是如何遷移到離火源遠(yuǎn)距離的位置。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，CO遷移到遠(yuǎn)距離處的程度主要取決于從火源房間進(jìn)入走廊中的高溫?zé)煔獾幕瘜W(xué)組分、從火源房間進(jìn)入走廊中的煙氣對(duì)氧氣的卷吸量、從火源房間進(jìn)入走廊中的煙氣的熱損失，同時(shí)發(fā)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離處的CO濃度影響的決定因素主要是火源房間中的化學(xué)當(dāng)量比以及是否在遠(yuǎn)距離處存在回燃。

另外還發(fā)現(xiàn)，將火源房間設(shè)置在走廊的側(cè)面，走廊中煙氣的流動(dòng)機(jī)理主要是三維的，在走廊中煙氣濃度均勻之前，遠(yuǎn)離火源房間的一側(cè)要比靠近火源房間一側(cè)的濃度水平一直要高，而在煙氣從火源房間開(kāi)口剛流入走廊時(shí)，兩者濃度水平相差一倍多。所以在遠(yuǎn)離火源房間一側(cè)的死者反而多。研究者還發(fā)現(xiàn)，上層煙氣層的厚度基本上和燃料的種類無(wú)關(guān)。

此外，Kang等人證實(shí)煙霧流動(dòng)方向和逃生方向是重合的，而Manabu Tsukahara等人得出結(jié)論煙霧沿水平流動(dòng)的速度為0.5～1.0m/s，垂直方向速度為3.0～5.0 m /s，煙霧向上攀爬的速度比人員向上疏散的速度要快[19]。RanGao等人利用LES(Large Eddy Simulation)針對(duì)中國(guó)西安大型地鐵站進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)火災(zāi)發(fā)生后大部分的煙會(huì)蔓延到天窗的頂部。RanGao等人研究了煙霧在6種火災(zāi)情景下的傳播，借鑒Qin等人的煙霧垂直方向上的溫度值，發(fā)現(xiàn)煙霧在水平方向上傳播越遠(yuǎn)，煙霧會(huì)遇到越多的天花板通風(fēng)口，排出煙霧的數(shù)量將會(huì)增加，而這些通風(fēng)口可以有效地控制煙霧在水平方向上產(chǎn)生的擴(kuò)散。Yang等人[20]利用FDS+ Evac研究地鐵站火災(zāi)熱源對(duì)疏散的影響，認(rèn)為火源點(diǎn)、疏散人員所處的位置、通風(fēng)條件和材料性能對(duì)于緊急疏散有很大的影響。

2 結(jié)論與展望

根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于火災(zāi)煙氣的研究現(xiàn)狀的總結(jié)分析，我們可以看出近幾十年來(lái)科學(xué)家們對(duì)于火災(zāi)煙氣的研究逐步深入，由理論猜測(cè)到全尺寸模型和實(shí)驗(yàn)類比，再到如今的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)算，其研究方法和方向呈現(xiàn)更加數(shù)字化、高效化和細(xì)致化，這些都對(duì)火災(zāi)的研究和人員疏散有著極其重要的幫助。

但科學(xué)的研究是無(wú)止境的，對(duì)于火災(zāi)煙氣對(duì)人員疏散的影響的研究依然還有許多問(wèn)題值得我們?nèi)パ芯?，筆者認(rèn)為我們可以在一下幾方面繼續(xù)深入研究：

(1)探究多因素耦合對(duì)火災(zāi)煙氣的復(fù)合影響，掌握火災(zāi)煙氣在耦合因素作用下的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和聚集規(guī)律，以及在外界因素?cái)_動(dòng)下的變化趨勢(shì)；

(2)探究特殊建筑、超標(biāo)準(zhǔn)建筑物以及地下建筑物等建筑物在火災(zāi)時(shí)的煙氣蔓延規(guī)律，為人員的安全疏散提供理論依據(jù)。

此外，在對(duì)火災(zāi)煙氣的研究過(guò)程中，我們應(yīng)響應(yīng)時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，不斷探索更新、更高效、更科學(xué)的研究工具和方法，從而更好地探究火災(zāi)煙氣的奧秘，更大程度上減少火災(zāi)煙氣對(duì)人們生命財(cái)產(chǎn)的危害。

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ResearchStatusandProspectsoftheImpactofFireSmokeonPersonnelEvacuation

ZhangAnqi

(School of Environmental and Safety Engineering,Qingdao University of Science & Technology,Qingdao 266000,China)

As the change of building height and style diversification,the happening of building fire threat to people's life and property safety more and more seriously,and fire smoke in numerous accidents caused great harm to people safety evacuation,studying the spread regularity of smoke and its influence on evacuation have become an important hot topic in the field of domestic and foreign scholars.In this paper,a large number of both home and abroad in the research of fire smoke was summarized,the domestic and foreign research development of several important research techniques for flue gas was summarized,and the spread of smoke and its components important process was briefly described.Finally,the development trend and research problems of fire flue gas were analyzed.

fire smoke;personnel evacuation;research methods;migration regularity

2017-09-28

張安琪(1992—)，女，遼寧阜新人，研究生，主要從事化工過(guò)程安全研究。

X932

A

1008-021X(2017)22-0049-02

(本文文獻(xiàn)格式：張安琪.火災(zāi)煙氣對(duì)人員疏散影響的研究現(xiàn)狀及展望[J].山東化工，2017，46(22)：49-50,55.)