基于Phoenics的教室火災(zāi)模擬研究

何珺怡, 孫玉浩

(1. 安徽建筑大學(xué) 建筑健康監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)防技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室, 安徽 合肥, 230022; 2. 安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 合肥, 230022; 3. 浙江工程建設(shè)監(jiān)理公司, 浙江 杭州, 310012)

基于Phoenics的教室火災(zāi)模擬研究

何珺怡1,2, 孫玉浩3

(1. 安徽建筑大學(xué) 建筑健康監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)防技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室, 安徽 合肥, 230022; 2. 安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 合肥, 230022; 3. 浙江工程建設(shè)監(jiān)理公司, 浙江 杭州, 310012)

通過建立單間教室的內(nèi)部模型, 并依據(jù)實(shí)際設(shè)置火災(zāi)火源, 應(yīng)用Phoenics軟件對教室內(nèi)火災(zāi)引發(fā)的煙氣流動進(jìn)行了數(shù)值仿真分析。根據(jù)模擬數(shù)據(jù), 分析了教室發(fā)生火災(zāi)時(shí)的煙氣傳播方式、能見度變化以及溫度的分布規(guī)律。結(jié)果表明: 溫度、能見度對人員疏散起決定性作用, 煙氣濃度對人員疏散影響不大; 在火災(zāi)發(fā)生后180 s內(nèi), 教室內(nèi)的能見度在10 m以上, 教室內(nèi)部溫度也低于60 ℃, 而火災(zāi)發(fā)生180 s后, 教室內(nèi)的能見度開始降低, 溫度也開始升高, 此時(shí)已經(jīng)嚴(yán)重影響人員的疏散, 教室內(nèi)人員應(yīng)在火災(zāi)發(fā)生后180 s內(nèi)完成疏散;火災(zāi)發(fā)生過程中, 對于同一高度不同測點(diǎn)的位置, 距離火源越近, 煙氣濃度大, 溫度上升越快, 教室前門的平均溫度均高于后門, 從溫度上考慮, 教室后門更有利于人員的疏散。

教室火災(zāi); 煙氣; 人員疏散

為了適應(yīng)現(xiàn)代化教學(xué)的需要, 教室內(nèi)現(xiàn)代化教學(xué)設(shè)備越來越多, 某些易燃易爆的儀器極易引起室內(nèi)火災(zāi)的發(fā)生[1]。教室是人口密度高度集中的場所, 一旦發(fā)生火災(zāi), 會產(chǎn)生一些有毒氣體[2]。調(diào)查發(fā)現(xiàn),火災(zāi)中70%以上人員的死亡都是由于吸入了有毒煙氣[3], 因此, 對火災(zāi)時(shí)煙氣分布情況進(jìn)行研究十分必要。探究火災(zāi)蔓延規(guī)律是當(dāng)前火災(zāi)研究領(lǐng)域的發(fā)展方向[4]。黃翰峰[5]利用FDS軟件對教學(xué)樓火災(zāi)進(jìn)行煙氣數(shù)值模擬, 研究煙氣蔓延和擴(kuò)散規(guī)律, 并分析影響人員安全疏散的因素, 以評估和解決建筑物的火災(zāi)安全問題。左秋玲[6]權(quán)重評估了影響教學(xué)樓火災(zāi)因素, 提出教學(xué)樓火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的模糊綜合評價(jià)模型, 并對教學(xué)樓的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià), 得到教學(xué)樓火災(zāi)安全等級。楊裕明[7]運(yùn)用PyroSim軟件建立火災(zāi)模型,得到影響疏散的溫度、能見度、煙氣的運(yùn)動規(guī)律, 選取最不利因素, 確定了可用安全疏散時(shí)間。張勇[8]利用大渦模擬方法對比研究了某高校教學(xué)樓走廊的三種火災(zāi)場景, 并獲得了較好的模擬結(jié)果, 可為教學(xué)樓火災(zāi)研究和人員疏散提供參考。

目前, 多數(shù)專家的研究主要集中在教學(xué)樓的火災(zāi)模擬, 對單間教室火災(zāi)的研究較少, 而大多數(shù)教學(xué)樓火災(zāi)都是從單間教室開始的。鑒于此, 本文利用Phoenics軟件模擬單間教室發(fā)生火災(zāi)時(shí)的煙氣擴(kuò)散過程, 研究煙氣的流動規(guī)律、能見度以及溫度的變化情況, 為教室火災(zāi)防治及人員疏散提供理論指導(dǎo)。

1 模型

1.1 教室的幾何模型

以某高校教學(xué)樓的一間教室為參考, 在不影響模擬結(jié)果的前提下, 為了計(jì)算簡便, 簡化教室的幾何模型如圖1所示。教室的幾何尺寸為20.0 m × 13.2 m × 4.0 m, 教室內(nèi)布置10排座位, 每排14個(gè)。

圖1 教室的幾何模型

1.2 模擬過程

用CAD繪圖軟件和FLAIR模塊中的前處理器VR-Editor建立模型, 設(shè)置邊界條件及模型參數(shù)。用Solver求解器對模型進(jìn)行求解計(jì)算, 并分析煙氣的蔓延和溫度的分布情況, 后處理器VR-Viewer顯示和輸出計(jì)算結(jié)果。結(jié)合模型分析煙氣濃度、能見度及溫度變化對人員疏散的影響。

1.3 參數(shù)設(shè)置

火源設(shè)置。在查閱近幾年的教室火災(zāi)案例中, 發(fā)現(xiàn)由電源引起的著火案例最多。由于室內(nèi)第1排中間課桌與講桌下的電源較近, 且周圍聚集了大量的易燃物, 因線路老化而短路引發(fā)火災(zāi)的概率較高。故將火源設(shè)置在教室內(nèi)第一排中間課桌位置(X = 3.5 m, Y = 6.6 m, Z = 0.8 m)。

網(wǎng)格設(shè)置。根據(jù)教室的長、寬、高劃分網(wǎng)格, 網(wǎng)格數(shù)為57 × 39 ×10。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 X—Z平面網(wǎng)格分布

監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置。教室內(nèi)部通道和前后門是人員疏散的主要出入口,故將監(jiān)測點(diǎn)位置布置在教室內(nèi)部通道(X = 10 m, Y = 3.7 m, Z = 1.0 m)和教室前后門(X = 0.2 m, Y = 13.2 m, Z = 1.0 m; X = 18.9 m, Y = 13.2 m, Z = 1.0 m)位置。主要對教室內(nèi)煙氣分布情況及溫度、能見度進(jìn)行監(jiān)測。

初始環(huán)境設(shè)置。教室兩側(cè)墻壁、頂棚和地板材料均為混凝土, 教室內(nèi)外初始溫度設(shè)置為20 ℃, 初始煙氣濃度設(shè)置為0, 教室前后門以及窗戶都設(shè)置為Opening, 煙氣求解模塊(Solve smoke mass fraction)設(shè)為ON, 燃燒熱設(shè)置為1.3E7 J/kg, 湍流模型(Turbulence models)設(shè)定為KECHEN?；馂?zāi)最佳逃生時(shí)間一般不超過6 min。模擬過程共6 min, 每分鐘記錄1次數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙氣層分布情況

煙氣在教室內(nèi)屬于受限運(yùn)動[3], 火災(zāi)發(fā)生前期, 煙氣密度小, 煙氣逐漸向上擴(kuò)散, 當(dāng)受到教室頂棚的阻擋后, 便在頂棚下方沿四周擴(kuò)散, 使得火源兩端房間角落的煙氣濃度先升高, 受到墻壁阻擋后, 煙氣層開始下沉, 隨后逐漸彌漫整個(gè)教室。煙氣還會造成人的呼吸困難, 四肢無力, 智力混亂, 辨不清方向, 因此減緩人的疏散速度。圖3為人眼特征高度處(1.5 m)模擬煙氣濃度分布云圖。從圖3可以看出: 火災(zāi)發(fā)生的前120 s內(nèi), 煙氣濃度快速下降; 120 s后, 火源開始向周圍相鄰可燃物延伸, 向附近可燃物傳遞熱量使它們充分燃燒, 使煙氣濃度開始上升, 在t = 180 s到t = 240 s之間, 由于教室其他可燃物不在火源附近, 火災(zāi)不能形成連續(xù)延伸, 煙氣濃度變化不明顯; 240 s后, 煙氣濃度快速上升, 產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是火災(zāi)已經(jīng)達(dá)到火焰燃燒階段, 溫度不斷升高, 燃燒物充分, 氧氣供應(yīng)充足, 燃燒面積不斷擴(kuò)大,導(dǎo)致煙氣不斷增多。當(dāng)t = 300 s時(shí), 煙氣濃度已經(jīng)上升到15.23 × 10-3m3/kg, t = 360 s時(shí), 煙氣濃度上升到最大值。為了火災(zāi)中人員的安全, 應(yīng)在煙氣濃度快速上升之前盡快組織人員疏散。從煙氣擴(kuò)散及分布情況看, 人員疏散的最佳時(shí)間為火災(zāi)發(fā)生前180 s。

圖3 火災(zāi)后不同時(shí)間(t)的煙氣濃度分布(單位: m3/kg)

2.2 能見度

圖4為室內(nèi)能見度模擬結(jié)果。從圖4可以看出: 在模擬時(shí)間前180 s內(nèi), 教室內(nèi)的能見度均在10 m以上; 180 s后, 可燃物的充分燃燒, 煙氣不斷增多, 教室的能見度開始降低, 距離火源越近, 煙氣產(chǎn)生量越多, 能見度下降越快; t = 240 s時(shí), 教室內(nèi)的能見度降到8.1 m。當(dāng)煙氣造成能見度低于10 m時(shí), 火災(zāi)中人員的視力以及辨別方向的能力會大大降低, 同時(shí)造成人員呼吸困難, 心理恐慌, 導(dǎo)致踩踏事故的發(fā)生, 此時(shí), 人員疏散已經(jīng)開始受到威脅; t = 300 s時(shí), 教室內(nèi)的能見度已經(jīng)降低到2.1 m, 到360 s時(shí),能見度只有0.9 m, 低于人眼特征高度1.5 m, 已經(jīng)嚴(yán)重影響人員的疏散。故應(yīng)在火災(zāi)發(fā)生后的180 s內(nèi),能見度還未下降到10 m之前組織人員疏散, 避免由于能見度降低而造成人員疏散困難。

圖4 火災(zāi)后各時(shí)刻能見度變化(單位: m)

2.3 溫度分布情況

當(dāng)溫度高于60 ℃時(shí), 人員的疏散活動將受到嚴(yán)重威脅[9]。從圖5和圖6的模擬結(jié)果可以看出: 模擬過程的前180 s內(nèi)溫度上升緩慢, 后180 s內(nèi)溫度上升很快; 180 s時(shí), 教室上部空間溫度高達(dá)88.2 ℃;240 s時(shí), 教室前門平均溫度已經(jīng)達(dá)到60.7 ℃, 后門平均溫度為51.4 ℃, 過道平均溫度為54.4 ℃, 此時(shí),3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的溫度均大于45 ℃?？諝庵械母邷啬軗p傷呼吸道, 影響人員疏散。所以在240 s之前應(yīng)盡快組織人員疏散, 減小人員的傷害。

圖5 火災(zāi)后教室前后門溫度分布(單位: ℃)

圖5、圖6還顯示, 對于同一高度不同測點(diǎn)的位置, 距離火源越近, 溫度上升越快。如前門口的溫度均大于后門口的溫度, 教室內(nèi)部過道的溫度介于前門和后門溫度之間?；馂?zāi)發(fā)生后, 由于可燃物的燃燒導(dǎo)致教室內(nèi)溫度升高, 煙氣增多。而煙氣的流動受到教室四周墻壁的限制, 將會在教室內(nèi)產(chǎn)生一定的煙氣蓄積, 熱量不容易擴(kuò)散, 從而導(dǎo)致離可燃物越近的地方溫度越高。所以在教室前門疏散人員比后門更危險(xiǎn)。

圖6 火災(zāi)后教室內(nèi)部過道溫度分布(單位: ℃)

3 結(jié)論

本文應(yīng)用Phoenics軟件對教室火災(zāi)進(jìn)行了數(shù)值模擬, 通過對教室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙氣傳播方式、能見度變化以及溫度分布規(guī)律的分析, 得到以下結(jié)論。

(1) 煙氣在教室內(nèi)的濃度中間低于兩邊。這是由于煙氣在火源處流出, 逐漸向上擴(kuò)散, 當(dāng)受到教室頂棚的阻擋后, 便在頂棚下方沿四周擴(kuò)散, 受到四周墻壁阻擋后, 煙氣開始沿墻壁下流, 導(dǎo)致此處煙氣濃度升高。模擬結(jié)果顯示煙氣濃度最高值小于0.033 7 m3/kg, 所以煙氣濃度不是疏散的最大威脅。

(2) 火災(zāi)發(fā)生后, 前180 s內(nèi)教室內(nèi)的能見度大于10 m, 溫度低于60 ℃, 煙氣濃度低于4.11 × 10-5m3/kg, 因此, 火災(zāi)后180 s內(nèi)是人員疏散的最佳時(shí)間。

(3) 通過對比分析教室前后門以及過道的溫度得出, 離火源位置較遠(yuǎn)的出口相對離火源位置較近的出口溫度低, 所以選擇教室后門疏散將會減小溫度對人員疏散的影響。

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(責(zé)任編校: 江河)

Research on fire simulation based on phoenics classroom

He Junyi1,2, Sun Yuhao3
(1.National and Local Joint Engineering Laboratory for Building Health Monitoring and Disaster Prevention Technology, Anhui Jianzhu University, Heifei 230022, China; 2. Provincial Key Laboratory for Architectural Structure and Underground Engineering, Anhui Jianzhu University, Heifei 230022, China; 3. Zhejiang Engineering Construction Supervision Company, Hangzhou 310012, China)

Through building an internal model in a single classroom, setting source of ignition in accordance with practical situation, phoenics is applied to conduct a numerical simulation analysis on smoke movement caused by fire in classroom. Based on simulated data, spreading way of smoke, change of visibility and regularity of temperature distribution are analyzed. The result illustrates that: temperature and visibility play an decisive role in personnel evacuating and there is a little influence of smoke concentration on personnel evacuating; within 180 s after fire, visibility in classroom is more than 10 m and temperature in classroom is lower than 60 ℃, while after 180 s, visibility in classroom begins to reduce and temperature begins to rise, which seriously influences personnel evacuating, and therefore, illustrates that people in classroom should evacuate within 180s after fire; during the process of fire, as for different measure points of the same height, the closer with fire source they are, the stronger the smoke concentration is, which results in faster rise in temperature; the average temperature in front door of classroom is higher than that in back door, which demonstrates that, considering temperature, back door of classroom is more favorable for personnel evacuating.

classroom fire; flue gas; personnel evacuation

X 928.7

: A

1672–6146(2017)03–0043–05

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.03.010

何珺怡, hejunyi1992@126.com。

: 2017-04-17