大空間建筑火災(zāi)數(shù)值模擬與特點(diǎn)研究

賈云鵬 張澤超 林 鑫

(中建八局第四建設(shè)有限公司，山東 青島 266000)

近些年來安全事故頻發(fā)，對(duì)社會(huì)造成了較大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，建筑的消防安全是安全事故內(nèi)一個(gè)重要成分[1]，火災(zāi)發(fā)生時(shí)會(huì)消耗大量的氧氣，產(chǎn)生大量的煙和熱，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，直接死于火焰燃燒的情況幾近為零，火災(zāi)煙氣及缺氧往往才是導(dǎo)致人員傷亡的直接因素[2]。另外，隨著用地建設(shè)成本的提高，現(xiàn)代建筑對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、范圍端正且使用類型多的大空間形式應(yīng)用越來越廣泛 ，例如，商場、地下車庫、大型廠房等。因此，研究大空間下的火災(zāi)數(shù)值模擬對(duì)于制定逃生時(shí)間與路線及消防響應(yīng)與救援具有重要的意義。

部分學(xué)者通過火災(zāi)實(shí)驗(yàn)的方式探究煙氣的擴(kuò)散情況[3-4]，直觀性強(qiáng)但其實(shí)驗(yàn)成本太大，投入較高，實(shí)驗(yàn)一次成型難以改動(dòng)，也有大量學(xué)者通過火災(zāi)數(shù)值模擬的方式進(jìn)行研究[5-6]，數(shù)值模擬具有速度快，成本低，適用范圍廣的特點(diǎn)。目前常用的火災(zāi)仿真軟件包括CFX、FLUENT、PyroSim等，其中PyroSim應(yīng)用最為廣泛，軟件以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，可預(yù)測煙氣、CO2、CO的擴(kuò)散及濃度變化情況，且操作較為簡便。

本文選取某在建工程地下車庫其中一個(gè)防火分區(qū)建立仿真模型，使用火災(zāi)模擬軟件PyroSim進(jìn)行CO濃度、煙氣、溫度蔓延及發(fā)展規(guī)律的模擬仿真，針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析總結(jié)分析煙氣的擴(kuò)散情況及規(guī)律，為類似大空間下的消防救援及逃生規(guī)劃提供一定的參考。

1 研究內(nèi)容

1.1 模型建立

選取在建工程地下車庫某一防火分區(qū)建立仿真模型，模型尺寸大小為長32m寬26m高3m，單元大小比為1%，得到單元網(wǎng)格數(shù)量為2 828 800個(gè)，空間邊界為混凝土構(gòu)造，燃燒物設(shè)置為汽油，燃燒面位于模型中心位置，尺寸設(shè)置為4m*2m，建立Gas-phase反應(yīng)，表面材料選取海綿泡沫、鋼材建立車輛基礎(chǔ)模型。依據(jù)《民用建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》典型火災(zāi)熱釋放速率表，定義汽油熱釋放速率為1MW，模擬運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為60s。

1.2 觀測設(shè)備設(shè)置

依據(jù)相關(guān)參考資料，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生，人員安全疏散的極限條件為：地面兩米處空氣溫度到達(dá)60℃，CO濃度達(dá)到6.4×10-3，能見度降低為5m。因此，在z=2m處設(shè)置溫度云圖切面，自z=2m面上火源處開始，前后左右四個(gè)方向每隔一米設(shè)置熱電偶，共計(jì)得到測溫點(diǎn)53個(gè)，在此些測點(diǎn)上依次設(shè)立CO濃度探測點(diǎn)與煙氣層分區(qū)裝置。

2 模擬結(jié)果

2.1 煙氣高度與能見度變化情況

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)會(huì)伴隨著產(chǎn)生大量的煙氣，煙氣的高度將直接影響到人員的能見度范圍，對(duì)人員的緊急疏散逃生產(chǎn)生巨大的影響，選取空間坐標(biāo)點(diǎn)上(3，13)(15，13)(31，13)(15，25)(15，1)(31，1)六個(gè)數(shù)據(jù)測點(diǎn)，所得煙氣高度變化折線圖如圖1所示。

依據(jù)煙氣高度模擬結(jié)果可以看出，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙氣由著火點(diǎn)產(chǎn)生后迅速?zèng)_擊到頂棚，整個(gè)過程歷時(shí)僅2s左右，存在較為明顯的頂棚射流現(xiàn)象。隨后煙氣開始向四周迅速擴(kuò)散，約7s左右煙氣蔓延到防火分區(qū)南北兩側(cè)，此過程中由于沒有大型障礙物的阻擋，煙氣擴(kuò)散流動(dòng)速度極快，在觸及到墻壁后，受到墻體的阻擋和冷卻，逐漸開始沿墻壁出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，煙氣層高度逐漸降低。約8.5s左右擴(kuò)散至卷簾門位置，隨后煙氣開始沿卷簾門向其他防火分區(qū)進(jìn)行逐步的擴(kuò)散，在12s左右煙氣擴(kuò)散到東墻壁，約14.5s左右煙氣已經(jīng)蔓延充斥整個(gè)空間。依據(jù)《建筑防火工程》規(guī)定，火災(zāi)發(fā)生后人員疏散逃生能見度至少應(yīng)該達(dá)到5m以上，以人眼特征高度1.5m為基準(zhǔn)，當(dāng)煙氣高度低于此，將會(huì)對(duì)疏散人群的逃生和呼吸造成很大的阻礙。隨著煙氣的不斷產(chǎn)生，煙氣開始下沉，人員能見度逐步降低，上層煙氣逐漸增厚。由圖1可知，在火災(zāi)著火點(diǎn)到卷簾門路徑上，24s時(shí)X=13m處周邊煙氣沉降至1.5m以下，X=8處20s～26s及42s之后煙氣沉降至1.5m以下，在X=3位置周邊煙氣沉降至1.5m以下的時(shí)刻為20s～25s以及45s之后，即在45s之后，著火點(diǎn)至卷簾門區(qū)域內(nèi)煙氣高度均已下降至1.5m之下，給人群的疏散和逃生帶來極大的影響，此時(shí)逃生人員需采取彎腰等方式降低逃生前進(jìn)高度，這對(duì)于人員逃生速度產(chǎn)生了一定的影響。

(a)測點(diǎn)一t=60s(b)測點(diǎn)二t=60s(c)測點(diǎn)三t=60s(d)測點(diǎn)四t=60s(e)測點(diǎn)五t=60s(f)測點(diǎn)六t=60s圖1 t=60s各測點(diǎn)煙氣高度變化折線圖

2.2 CO濃度變化情況

依據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[8]，當(dāng)CO濃度達(dá)到6.4×10-3時(shí)，人處在這種環(huán)境中1min～2min后會(huì)感到頭疼和眼花，10min～15min后將失去意識(shí)；當(dāng)CO濃度達(dá)到12.8×10-3時(shí)，人處在這種環(huán)境中會(huì)立即感到頭疼和眼花，1min～3min后將失去意識(shí)。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，發(fā)生CO中毒事件是導(dǎo)致人員傷亡的重要原因，各測點(diǎn)CO濃度變化曲線圖如圖2所示。

依據(jù)圖2可知，在測點(diǎn)一處，約10s時(shí)CO濃度開始上升，約13s時(shí)上升至3.4E-03，在15s左右到達(dá)小峰值5.7E-03，隨后受到濃度差的擴(kuò)散作用與氣壓差，CO濃度變化開始出現(xiàn)上下回蕩的來回變化，在20s濃度到達(dá)8.5E-03，約45s時(shí)，測點(diǎn)一處的濃度到達(dá)了1.28E-02，最終測點(diǎn)一處的CO濃度呈現(xiàn)出曲折往復(fù)，逐漸上升的特點(diǎn)。在測點(diǎn)三處，前12s時(shí)未出現(xiàn)CO濃度的變化，這是由于煙氣未擴(kuò)散到此處，直至22s時(shí)，測點(diǎn)三的CO濃度低于3.2E-03，在26s出現(xiàn)CO濃度波峰9.0E-03，隨后下降至32s時(shí)刻波谷濃度4.0E-03，在此時(shí)刻之后，CO濃度處于時(shí)刻的上升中，在55s時(shí)濃度超過1.28E-02。測點(diǎn)四處在7s受到煙氣沖擊時(shí)CO濃度迅速升至7.8E-03，隨后下降至一個(gè)較低的濃度上下波動(dòng)，下降原因與測點(diǎn)一相同，在之后的波動(dòng)上升中，除42s時(shí)濃度突增至1.5E-02，其他時(shí)刻CO濃度均小于1.28E-02。測點(diǎn)五處除峰值外，曲線變化的趨勢與測點(diǎn)四大致相同。測點(diǎn)六處在14.5s左右時(shí)，CO濃度伴隨著煙氣的到來開始上升，到15.5s時(shí)CO濃度到達(dá)3.2E-03，17s到達(dá)6.4E-03，在28s之后CO濃度持續(xù)大于1.28E-02，對(duì)人體產(chǎn)生較大的危害性。

2.3 溫度變化情況

通過數(shù)值模擬，得到Z=2m高度下各測點(diǎn)的溫度變化曲線以及溫度的水平云圖，如圖3、圖4所示。

(a)測點(diǎn)一t=60s(b)測點(diǎn)二t=60s(c)測點(diǎn)三t=60s(d)測點(diǎn)四t=60s(e)測點(diǎn)五t=60s(f)測點(diǎn)六t=60s 圖2 t=60s時(shí)各測點(diǎn)CO濃度變化曲線圖

(a)測點(diǎn)一(b)測點(diǎn)二(c)測點(diǎn)三(d)測點(diǎn)四(e)測點(diǎn)五(f)測點(diǎn)六圖3 Z=2m不同時(shí)刻各測點(diǎn)溫度變化曲線圖

由圖3、圖4可以看出，在火災(zāi)發(fā)生后約2s的時(shí)間內(nèi)，由于煙氣沖頂，在火源的正上方區(qū)域，溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速攀升至數(shù)百攝氏度。隨著火源的燃燒及煙氣的擴(kuò)散，在7s左右煙氣觸及上下墻壁時(shí)，溫度測點(diǎn)處的溫度迅速攀升至50℃左右，隨后受到墻體的阻擋和冷卻，煙氣向兩端擴(kuò)散，使得溫度測點(diǎn)溫度在7s～24s內(nèi)逐漸下降至28℃，由于此刻煙氣已經(jīng)充斥于整個(gè)空間，使得測點(diǎn)四的溫度在此刻之后一直處于緩步持續(xù)上升的階段，在第38s左右時(shí)溫度超過60℃，測點(diǎn)五的變化趨勢與測點(diǎn)四基本相同，僅7s左右時(shí)溫度峰值略高于測點(diǎn)四。測點(diǎn)一處，在12s左右時(shí)溫度開始升高，受到卷簾門通風(fēng)效應(yīng)的影響，測點(diǎn)一處的溫度處于持續(xù)上升的階段，在23s左右時(shí)超過60℃。在火災(zāi)發(fā)生初期，測點(diǎn)三未受到煙氣的沖擊，溫度保持為環(huán)境溫度，隨后在12s左右觸及煙氣后溫度上升，在25s左右時(shí)溫度超越60℃。煙氣在14.5s左右時(shí)到達(dá)測點(diǎn)六，隨后溫度以一定的速率開始上升，約20s左右到達(dá)60℃。綜上，最遲在38s左右時(shí)，整片空間在Z=2m高度下溫度均高于60℃，達(dá)到人員疏散臨界條件。

(a)t=2s煙氣模擬圖(b)t=7s 煙氣模擬圖(c)t=8.5s煙氣模擬圖(d)t=12s煙氣模擬圖(e)t=14.5s煙氣模擬圖(f)t=20s煙氣模擬圖圖4 Z=2m不同時(shí)刻溫度云圖

3 結(jié) 語

本文通過使用PyroSim軟件進(jìn)行了大空間下的火災(zāi)仿真數(shù)值模擬，分析了煙氣高度與能見度、CO濃度、溫度等參數(shù)的變化，由此得出以下結(jié)論：

(1)整片空間內(nèi)CO濃度均超越危險(xiǎn)值濃度6.4×10-3的時(shí)間點(diǎn)為47s，南北向墻壁處CO濃度在60s內(nèi)未達(dá)到最大危險(xiǎn)濃度12.8×10-3，東西向墻壁在55s之后CO濃度超越最大危險(xiǎn)濃度；煙氣高度均低于1.5m的時(shí)刻點(diǎn)為45s之后；Z=2m切面處的溫度均超越60℃的時(shí)刻為38s。從此實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)的最短時(shí)間點(diǎn)為38s，此時(shí)溫度已超越規(guī)范規(guī)定的臨界溫度，在此之后隨著CO濃度的加大、煙氣高度的下降，對(duì)人體造成的傷害也會(huì)逐漸加大。

(2)空曠大空間發(fā)生火災(zāi)后，煙氣將沿頂棚水平蔓延同時(shí)向下垂直擴(kuò)散，煙氣蔓延存在較為明顯的煙氣分層與壁面射流現(xiàn)象，并且在油料著火的形式下，溫升與煙氣的蔓延速度極快。在火災(zāi)發(fā)生后一段時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間的煙氣停滯現(xiàn)象，在這段時(shí)間內(nèi)煙氣將在一定高度內(nèi)進(jìn)行小范圍的波動(dòng)而不會(huì)出現(xiàn)大速率的下沉，煙氣停滯沉降規(guī)律可對(duì)火災(zāi)疏散逃生及消防救援提供一定的參考。