環(huán)境風(fēng)對(duì)高層建筑樓梯井內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)特性的影響

袁 威，梁 棟，褚燕燕，王 偉

(1.中山大學(xué)智能工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣東省消防科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510006；3.中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；4.應(yīng)急管理部上海消防研究所滅火理論研究室，上海 200032)

近年來，全國各省市全面推進(jìn)城市化建設(shè)，高層建筑與日俱增，隨之而來的高層建筑火災(zāi)事故頻繁發(fā)生，造成大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1-3]。在高層建筑火災(zāi)中，煙氣是造成人員傷亡的最主要危害因素，據(jù)統(tǒng)計(jì)，因煙氣致死的人數(shù)可達(dá)到火災(zāi)總死亡人數(shù)的80%以上[4]。高層建筑發(fā)生火災(zāi)后，在煙囪效應(yīng)等作用驅(qū)動(dòng)下，煙氣會(huì)隨著樓梯井、電梯井、管道井和電纜井等豎向井道從下往上傳播到各個(gè)樓層[5]。由于高層建筑樓層較高，發(fā)生火災(zāi)時(shí)通常利用樓梯井作為人員疏散與救援的通道。因此，研究高層建筑樓梯井內(nèi)火災(zāi)煙氣的運(yùn)動(dòng)情況具有重要的意義。

在高層建筑中，外部環(huán)境風(fēng)在很大程度上會(huì)影響建筑內(nèi)部火災(zāi)煙氣的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。目前前人的大量研究主要致力于描述高層建筑豎井內(nèi)部火焰羽流的運(yùn)動(dòng)特征和不考慮環(huán)境風(fēng)作用影響下建筑內(nèi)部煙氣的運(yùn)動(dòng)特性[6-11]，而關(guān)于環(huán)境風(fēng)影響高層建筑樓梯井內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)特性的研究較少。Poreh等[12]將多層建筑的每一層樓梯間設(shè)置為對(duì)外開口，分析了在有增壓系統(tǒng)和無增壓系統(tǒng)下環(huán)境風(fēng)對(duì)室內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)的影響，認(rèn)為環(huán)境風(fēng)會(huì)極大地增強(qiáng)增壓系統(tǒng)的性能；周允基等[13]研究了多層建筑不同樓層位置的房間發(fā)生火災(zāi)時(shí)外界環(huán)境風(fēng)對(duì)房間內(nèi)外穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)與流場(chǎng)的影響，并建立了多層建筑火災(zāi)流場(chǎng)特性數(shù)學(xué)模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)多層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，外界環(huán)境風(fēng)向和風(fēng)速對(duì)有、無熱源的房間內(nèi)部火災(zāi)煙氣流動(dòng)特性均有影響，且風(fēng)速不同影響程度不同；李耀莊等[14]利用Phoenics軟件研究了環(huán)境風(fēng)對(duì)小城鎮(zhèn)多層建筑火災(zāi)流場(chǎng)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同風(fēng)向和風(fēng)速的環(huán)境風(fēng)對(duì)有、無熱源的房間內(nèi)部火災(zāi)煙氣流動(dòng)特性均有影響；黃冬梅等[15]利用FDS軟件建立數(shù)值模型，模擬研究了在有風(fēng)條件下高層建筑豎井內(nèi)火災(zāi)煙氣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)迎風(fēng)向?qū)ωQ井內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延的影響程度要大于背風(fēng)向和側(cè)風(fēng)向；Wang等[16]模擬了10層公寓中環(huán)境風(fēng)對(duì)室內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)、溫度、能見度和一氧化碳濃度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在迎風(fēng)條件下，火災(zāi)煙氣溫度與風(fēng)速呈正相關(guān)關(guān)系；Ji等[17]模擬了在風(fēng)速為0～6 m/s情況下，環(huán)境風(fēng)對(duì)高層建筑樓梯間內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)情況的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)羽流達(dá)到特定高度所需要的上升時(shí)間隨風(fēng)速增加而增加。

綜上，前人的研究中對(duì)于環(huán)境風(fēng)對(duì)高層建筑樓梯間內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)特性的研究仍不完善，環(huán)境風(fēng)對(duì)樓梯井內(nèi)火災(zāi)煙氣特性影響的相關(guān)研究不足。鑒于此，本文采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，基于廣州市某地真實(shí)高層建筑樓梯井原型，利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)仿真軟件FDS(Fire Dynamics Simulator)建立了該16層高層建筑樓梯井全尺寸FDS數(shù)值模型，并通過數(shù)值模擬，分析了環(huán)境風(fēng)對(duì)高層建筑樓梯井內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)發(fā)展態(tài)勢(shì)的影響。

1 FDS數(shù)值模型建立

1.1 FDS軟件介紹

FDS數(shù)值模擬軟件采用大渦數(shù)值模擬(Large Eddy Simulation,LES)火災(zāi)煙氣流動(dòng)過程，火災(zāi)煙氣流動(dòng)過程由以下控制方程進(jìn)行描述[18]：

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

組分守恒方程：

(4)

1.2 FDS數(shù)值模型建立

如圖1所示，建立了某16層高層建筑樓梯井全尺寸FDS數(shù)值模型。該高層建筑樓梯井尺寸為5 m(長)×3 m(寬)×56 m(高)，共16層，層高3.5 m；樓梯井內(nèi)窗戶設(shè)置于兩層樓中間位置，尺寸為1.2 m(高)×1 m(寬)；16層頂部中心處設(shè)有排煙口，尺寸為1 m×1 m，第1層與窗戶相對(duì)位置設(shè)有門，尺寸為2 m(高)×1 m(寬)；火源位于第1層正中心處，面積為1 m×1 m；模型中從下至上共設(shè)置16個(gè)熱電偶，分別為T1～T16，用于測(cè)量所在位置的溫度，分布在相鄰樓層中心位置；頂部通風(fēng)口和底部門在模擬過程中始終處于開啟狀態(tài)，兩處分別設(shè)置煙氣質(zhì)量流率監(jiān)測(cè)裝置；窗戶開口朝向與風(fēng)向一致時(shí)為背風(fēng)向，如圖1(b)中紅色箭頭所示方向與y軸平行，表示為背風(fēng)向；建筑整體材料類型設(shè)置為混凝土，其密度為2 280.0 kg/m3，比熱容為1.04 kJ/(kg·K)；環(huán)境初始溫度設(shè)定為20℃，初始?jí)毫υO(shè)定為101.325 kPa，并設(shè)定火災(zāi)類型為快速增長型，模擬時(shí)間為600 s。

圖1 某16層高層建筑樓梯井全尺寸FDS數(shù)值模型

1.3 模擬工況設(shè)置

本次數(shù)值模擬的具體工況設(shè)置，見表1。

表1 模擬工況設(shè)置

1.4 網(wǎng)格劃分

在模擬時(shí)，需要對(duì)建筑模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小將會(huì)影響最終數(shù)值模擬結(jié)果的精度。然而，網(wǎng)格劃分過小會(huì)使得計(jì)算時(shí)間過長?；贔DS軟件用戶手冊(cè)，火災(zāi)特征直徑與網(wǎng)格尺寸比D*/δx可作為網(wǎng)格劃分的參考標(biāo)準(zhǔn)，其中D*可由下式計(jì)算[19]：

(5)

綜合考慮，本模型中采用的網(wǎng)格尺寸大小為0.25 m×0.25 m×0.25 m，單個(gè)模型網(wǎng)格數(shù)量為2 333 856個(gè)。

2 環(huán)境風(fēng)對(duì)高層建筑樓梯井內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)特性的影響

2.1 不同窗戶開合狀態(tài)下環(huán)境風(fēng)對(duì)樓梯井內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延的影響

在底部火源作用下，樓梯井內(nèi)部溫度高于外部環(huán)境溫度，內(nèi)部熱空氣沿著垂直通道上升，通過上部縫隙滲出，外部冷空氣從底層縫隙處補(bǔ)充，產(chǎn)生煙囪效應(yīng)。煙囪效應(yīng)在自然通風(fēng)條件下主要受到熱壓和風(fēng)壓兩種壓差作用的控制[20]。4種窗戶開合狀態(tài)下環(huán)境風(fēng)對(duì)某高層建筑樓梯井內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延的影響模擬結(jié)果，見圖2。

圖2 4種窗戶開合狀態(tài)下環(huán)境風(fēng)對(duì)某高層建筑樓梯井內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延的影響

由圖2可知：當(dāng)t=60 s時(shí)，工況A4即樓梯井內(nèi)下部窗戶關(guān)閉、上部窗戶開啟工況下，火災(zāi)煙氣在垂直方向上的蔓延速度顯著高于其他3種工況；當(dāng)t=120 s時(shí)，工況A2即窗戶全部關(guān)閉工況下火災(zāi)煙氣的蔓延速度逐漸超過工況A4，并均顯著高于另外幾種工況。由此可見，高層建筑樓梯井內(nèi)上部窗戶開啟在一定程度上促進(jìn)了火災(zāi)煙氣的蔓延。在火災(zāi)初期，樓梯井內(nèi)煙囪效應(yīng)并不顯著，不同窗戶開合狀態(tài)對(duì)于火災(zāi)煙氣蔓延的影響較?。坏搅嘶馂?zāi)中后期，樓梯井內(nèi)上部窗戶開啟和全部關(guān)閉情況下，煙囪效應(yīng)較為明顯，在熱壓和風(fēng)壓共同作用下，火災(zāi)煙氣的蔓延速度顯著加快。

2.2 窗戶迎風(fēng)向和背風(fēng)向下環(huán)境風(fēng)對(duì)樓梯井內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延和煙氣溫度的影響

窗戶迎風(fēng)向和背風(fēng)向下環(huán)境風(fēng)對(duì)某高層建筑樓梯井內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延和煙氣溫度的影響，見圖3。

圖3 窗戶迎風(fēng)向和背風(fēng)向下環(huán)境風(fēng)對(duì)某高層建筑樓梯井內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延和煙氣溫度的影響

由圖3可見：在相同的環(huán)境風(fēng)速條件下，背風(fēng)向條件下樓梯井內(nèi)部火災(zāi)煙氣的蔓延速度略快于迎風(fēng)向；迎風(fēng)向條件下樓梯井內(nèi)底部火災(zāi)煙氣溫度顯著高于背風(fēng)向，說明迎風(fēng)向條件下樓梯井內(nèi)部熱量相對(duì)難以散發(fā)，局部更容易產(chǎn)生高溫。

2.3 不同環(huán)境風(fēng)速對(duì)樓梯井內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)特性的影響

火災(zāi)產(chǎn)生的熱煙氣團(tuán)會(huì)在樓梯井中上升，通過沿樓梯每3.5 m設(shè)置的溫度監(jiān)測(cè)裝置實(shí)時(shí)記錄火災(zāi)煙氣溫度，并以60℃作為火災(zāi)煙氣前鋒溫度，得到火災(zāi)煙氣前鋒到達(dá)各個(gè)測(cè)點(diǎn)高度的時(shí)間，見圖4。該瀑布圖可以清楚地描述在不同環(huán)境風(fēng)速下火災(zāi)煙氣前鋒的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

圖4 火災(zāi)煙氣前鋒到達(dá)各測(cè)點(diǎn)高度的時(shí)間

由圖4可見：靜風(fēng)時(shí)，火災(zāi)煙氣前鋒到達(dá)最低點(diǎn)T1測(cè)點(diǎn)所需的時(shí)間最短，為7.8 s，而當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為5 m/s時(shí)火災(zāi)煙氣前鋒到達(dá)T1測(cè)點(diǎn)所需的時(shí)間最長，為12.6 s；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為2 m/s時(shí)火災(zāi)煙氣前鋒到達(dá)T1測(cè)點(diǎn)所需的時(shí)間為10.8 s，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為4 m/s時(shí)火災(zāi)煙氣前鋒到達(dá)T1測(cè)點(diǎn)所需的時(shí)間為12.5 s，環(huán)境風(fēng)速增加一倍，所需的時(shí)間增加15.7%；火災(zāi)煙氣前鋒到達(dá)最高測(cè)點(diǎn)T16所需的時(shí)間同樣隨環(huán)境風(fēng)速變大而變長。總體來看，火災(zāi)煙氣前鋒上升速度在遠(yuǎn)離樓梯井頂部通風(fēng)口處較快，在接近樓梯井頂部通風(fēng)口處較慢；且隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，火災(zāi)煙氣前鋒向上蔓延的速度被延緩，說明環(huán)境風(fēng)速的增大能夠加強(qiáng)樓梯井內(nèi)熱量耗散，減慢樓梯井內(nèi)溫升速度。

某高層建筑樓梯井頂部排煙口處煙氣質(zhì)量流率隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線，見圖5。

圖5 某高層建筑樓梯井頂部排煙口處煙氣質(zhì)量流率隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線

由圖5可見，環(huán)境風(fēng)速越大，樓梯井頂部排煙口處煙氣質(zhì)量流率越大，使得樓梯井內(nèi)火災(zāi)煙氣的蔓延速度加快。在火災(zāi)前期，樓梯井頂部排煙口處在5 m/s的環(huán)境風(fēng)速條件下僅僅需要2.4 s就能夠監(jiān)測(cè)到穩(wěn)定的煙氣正向流率(即向樓梯井外排氣)，比無風(fēng)條件下提前51.0 s；在0～5 m/s 6種環(huán)境風(fēng)速條件下，樓梯井頂部排煙口處煙氣質(zhì)量流率峰值分別為1.9 kg/s、2.3 kg/s、2.3 kg/s、2.5 kg/s、3.0 kg/s、4.0 kg/s，環(huán)境風(fēng)速越大，樓梯井頂部排煙口處煙氣質(zhì)量流率峰值越高；在5 m/s環(huán)境風(fēng)速條件下，樓梯井頂部排煙口處煙氣質(zhì)量流率峰值比無風(fēng)時(shí)增加了110.5%。

2.4 無量綱火災(zāi)煙氣上升速度與環(huán)境風(fēng)速的關(guān)系

1998年，Chow等[21]在研究中假設(shè)火源對(duì)樓梯井壁的壁面效應(yīng)可以忽略，根據(jù)火源熱釋放速率與火羽流上升速度之間的關(guān)系，提出火源熱釋放速率、煙團(tuán)上升速度、煙團(tuán)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的無量綱表示形式如下：

(6)

(7)

(8)

(9)

根據(jù)Chow等[21]在研究中提出的假設(shè)，對(duì)火災(zāi)煙氣上升速度進(jìn)行了無量綱化處理，研究環(huán)境風(fēng)速對(duì)火災(zāi)煙氣上升速度的影響，并模擬火源熱釋放速率分別為2 000 kW/m2、4 000 kW/m2和6 000 kW/m2時(shí)該高層建筑樓梯井內(nèi)部火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)特性，根據(jù)模擬結(jié)果，繪制出溫度監(jiān)測(cè)裝置T16所在測(cè)點(diǎn)的無量綱火災(zāi)煙氣上升速度與環(huán)境風(fēng)速的關(guān)系曲線，見圖6。結(jié)合不同火源熱釋放速率情況，對(duì)比擬合曲線可知，對(duì)于高層建筑，Chow模型能夠較好地解釋無量綱火災(zāi)煙氣上升速度與環(huán)境風(fēng)速之間的關(guān)系，但仍然存在一定的誤差，且隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，Chow模型的誤差逐漸減小。由圖6可見，隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，無量綱火災(zāi)煙氣上升速度隨之減??；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為1～3 m/s時(shí)，無量綱火災(zāi)煙氣上升速度的降幅顯著大于環(huán)境風(fēng)速為3～5 m/s時(shí)，說明環(huán)境風(fēng)對(duì)于火災(zāi)煙氣前鋒的上升具有抑制作用，且在低環(huán)境風(fēng)速時(shí)其影響程度更大，再次印證了前文中關(guān)于火災(zāi)煙氣前鋒上升速度的分析結(jié)果，且符合煙囪效應(yīng)描述。

圖6 無量綱火災(zāi)煙氣上升速度與環(huán)境風(fēng)速的關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

(1) 高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)開啟樓梯井上部窗戶在一定程度上會(huì)加速火災(zāi)煙氣的蔓延；在相同的環(huán)境風(fēng)速條件下，背風(fēng)向樓梯井內(nèi)部火災(zāi)煙氣的蔓延速度略快于迎風(fēng)向。

(2) 通風(fēng)條件會(huì)加速高層建筑樓梯井內(nèi)火災(zāi)煙氣的蔓延，但同樣會(huì)抑制樓梯井內(nèi)溫升；環(huán)境風(fēng)速越大，樓梯井頂部排煙口處煙氣質(zhì)量流率峰值越高，在5 m/s環(huán)境風(fēng)速下，樓梯井頂部排煙口處煙氣質(zhì)量流率峰值比無風(fēng)時(shí)增加了110.5%；以60℃作為火災(zāi)煙氣前鋒溫度，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為2 m/s時(shí)火災(zāi)煙氣前鋒到達(dá)3.5 m高度測(cè)點(diǎn)所需的時(shí)間比環(huán)境風(fēng)速為4 m/s時(shí)快1.7 s，即環(huán)境風(fēng)速增加一倍，所需的時(shí)間增加15.7%。

(3) 對(duì)于高層建筑，Chow模型能夠較好地解釋無量綱火災(zāi)煙氣上升速度與環(huán)境風(fēng)速之間的關(guān)系，但仍然存在一定的誤差，且隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，該模型的誤差逐漸減小。

(4) 高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，可關(guān)閉樓梯井上部窗戶以減緩煙囪效應(yīng)，樓梯井下部窗戶應(yīng)保持常開狀態(tài)，以加快建筑內(nèi)部排煙，為高樓層人員疏散逃生爭(zhēng)取更多的時(shí)間。