基于Pyrosim的高層建筑火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律研究

■ 黃治成 河源市源城區(qū)消防救援大隊(duì)

■ 張浩 西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，全國各地高層建筑、超高層建筑大量涌現(xiàn)。這些建筑一般體量龐大、功能復(fù)雜、火災(zāi)荷載大、人員密集，給火災(zāi)防控帶來巨大壓力與挑戰(zhàn)。高層公共建筑一旦發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)蔓延速度快，易出現(xiàn)“煙囪式”立體燃燒，極易造成“群死群傷”。在這些火災(zāi)中，煙氣已然成了阻礙人們逃生和滅火行動并最終導(dǎo)致人員死亡的主要原因之一。因此，研究高層公共建筑火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律具有重大意義。

自2000年2月美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）發(fā)布火災(zāi)動態(tài)模擬軟件（FDS）以來，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬已成為國內(nèi)外專家學(xué)者研究不同火災(zāi)過程的重要方法[1]。此方法的關(guān)鍵是建立一個(gè)和火災(zāi)現(xiàn)場較為相似的模型，從而實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)現(xiàn)場的整體把控。

GLASA J 等利用FDS 軟件對電影院進(jìn)行了火災(zāi)現(xiàn)場模擬，對其進(jìn)行了安全危險(xiǎn)性評估[2]。AHN C-S 等對開閉式樓梯間進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，結(jié)果表明進(jìn)入新鮮空氣會降低煙氣的流動速度[3]。李琰等運(yùn)用Pyrosim軟件對連體宿舍樓發(fā)生火災(zāi)時(shí)的煙氣蔓延特性進(jìn)行數(shù)值模擬[4]。劉朝峰等對高層住宅建筑火災(zāi)進(jìn)行了應(yīng)急疏散模擬與策略研究[5]。LONG-FEI H 以CCTV 北樓火災(zāi)為背景，用FDS 模擬和分析火災(zāi)得出火災(zāi)蔓延的規(guī)律[6]。代長青等基于FDS 研究了高層住宅火災(zāi)的煙氣蔓延特性、有害氣體濃度等，為人員疏散提供理論上的參考[7]。謝明峰等對高校教學(xué)樓火災(zāi)與人員疏散進(jìn)行了研究，對人員安全疏散進(jìn)行了預(yù)估[8]。

綜上所述，文章基于Pyrosim 軟件以高層建筑火災(zāi)煙氣為研究對象來進(jìn)行火災(zāi)模擬，從而為高層建筑滅火救援和人員緊急疏散提供理論指導(dǎo)。

一、高層公共建筑火災(zāi)數(shù)值模擬

（一）模型建立

該高層建筑場所模型為30m×20m×27.8m 的建筑結(jié)構(gòu)（如圖1所示），共10 層，每層600m2，每層設(shè)置2 條疏散樓梯，每條樓梯疏散寬度為1.4m，第二層至第十層空間布置一致。用于模擬火源的燃燒器設(shè)置在二樓地板（z=2.81m），x 坐標(biāo)（28,29.2），y 坐標(biāo)（13.2,14.4），并分別在辦公室內(nèi)、疏散走道設(shè)置熱電偶、能見度、CO濃度監(jiān)測等測點(diǎn)，來分析不同狀態(tài)下的溫度變化、煙氣運(yùn)移規(guī)律以及CO 濃度的變化情況。

圖1 該高層建筑場所模型的建筑結(jié)構(gòu)

（二）火災(zāi)數(shù)值模擬工況條件

研究設(shè)定兩種不同條件下的工況來模擬疏散門的開合對火災(zāi)發(fā)展的影響情況。假設(shè)燃燒反應(yīng)為聚氨酯泡沫燃燒反應(yīng)，燃燒面積為1.44m2，火源熱釋放速率為3000kW/m2，產(chǎn)煙率0.1。數(shù)值計(jì)算的網(wǎng)格單元格大小為0.4m×0.4m×0.2m[9]，模擬運(yùn)行時(shí)間為600s。

工況一：在10 層公共建筑第2 層靠近右側(cè)疏散走道的6 個(gè)辦公室開門7 扇，開門面積共32.4m2，火災(zāi)煙氣可以通過疏散門進(jìn)入房間，進(jìn)入房間的煙氣可以通過窗戶向外擴(kuò)散；兩個(gè)樓梯間設(shè)置1.2m×2m 的疏散門，疏散門敞開；電梯前室與樓梯間前室合用疏散門敞開，設(shè)置一個(gè)電梯井從2 樓至10 樓貫通；感煙火災(zāi)探測器和自動噴淋系統(tǒng)整棟樓全覆蓋。

工況二：在10 層公共建筑第2 層靠近疏散走道右側(cè)盡端位置設(shè)置一處火源，疏散走道6 個(gè)辦公室門全部關(guān)閉，火災(zāi)煙氣只能通過疏散樓梯門和合用前室門進(jìn)行擴(kuò)散；其他條件同工況一所述。

二、煙氣蔓延規(guī)律

圖2中的a～e 為工況1 條件下的煙氣變化。（a）可以看到煙氣在6.1s 時(shí)向四周擴(kuò)散，燃燒器上方噴淋位置溫度達(dá)到68℃時(shí)，噴頭開始噴水滅火。煙氣在10s 時(shí)沿著樓層頂板水平運(yùn)動，在頂板聚集，進(jìn)行擴(kuò)散。（b）可以看出煙氣在28s 時(shí)布滿著火層。（c）可以清楚看到在400s 時(shí)，左右側(cè)樓梯煙氣以及窗戶外煙氣布滿5 層。（d）表示煙氣在500s 時(shí)充滿著火層。（e）可以看出煙氣在250s 時(shí)布滿10 層樓層。圖2中的f～k 為工況2 條件下的煙氣變化。（f）顯示出煙氣在6.1s 時(shí)向四周擴(kuò)散，燃燒器上方噴淋位置溫度達(dá)到68℃時(shí)，噴頭開始噴水滅火。（g）為煙氣在12.4s 時(shí)充滿二層室內(nèi)疏散通道整個(gè)頂板。（h）可以看出在121s 時(shí)煙氣布滿5 層疏散走道。（j）顯示出在82s 時(shí)煙氣布滿8 層疏散走道，相較于從著火層蔓延至5 層的速度更快。（k）顯示出在64s 時(shí)，第10 層室內(nèi)疏散通道整個(gè)頂板充滿煙氣。

圖2 工況1 以及工況2 條件下煙氣擴(kuò)散至5、8、10 層變化情況

（一）著火層煙氣溫度切片情況分析

圖3中的a 為工況1 著火層第100s 時(shí) 坐標(biāo)Y=13.6m 時(shí)疏散走道著火層的溫度切片圖?？梢钥闯鰺煔庾罡邷囟葹?70℃，高溫?zé)煔庵饕奂陧敯逦恢?，越靠近著火點(diǎn)煙氣溫度越高。

圖3中的b 為工況2 著火層第100s 時(shí)坐標(biāo)Y=13.6m 時(shí)溫度切片圖。可以看出煙氣最高溫度為220℃，高溫?zé)煔庵饕性谥瘘c(diǎn)頂板位置，工況2著火層第100s 時(shí)坐標(biāo)Y=13.6m 時(shí)最高溫度比工況1 最高溫度低150℃。

圖3 工況1 以及工況2 條件下著火層第100s 時(shí)坐標(biāo) Y=13.6m 時(shí)溫度切片圖

（二）著火層煙氣中CO 氣體濃度分析

圖4為工況1 和工況2 條件下著火層第100s 時(shí)坐標(biāo)Y=13.6m 時(shí)CO 氣體云圖。從圖中可以看出兩種工況下煙氣CO 含量為9289ppm。研究表明[7]，當(dāng)空氣中CO體積分?jǐn)?shù)達(dá)到6400ppm 時(shí)，健康成年人1～2min 出現(xiàn)頭痛、惡心；10～15min，會造成人員死亡。

圖4 工況1 及工況2 條件下著火層第100s 時(shí)坐標(biāo) Y=13.6m 時(shí)CO 氣體圖

（三）著火層煙氣能見度分析

從圖5的工況1 條件下可以看出SD09、SD01、SD02、SD03 分別從t=3.01s、t=5.41s、t=9s、t=13.2s探測到煙霧，煙感探測器從探測到煙霧至煙霧不透明度達(dá)到100%平均時(shí)間為0.755s。從圖5的工況2 條件下可以看出SD09、SD01、SD02、SD03 分別從t=3.02s、t=5.41s、t=9.02s、t=13.2s 探測到煙霧，煙感探測器從探測到煙霧至煙霧不透明度達(dá)到100%平均時(shí)間為0.9s。

圖5 工況1 及工況2 條件下著火層煙感探測器數(shù)據(jù)圖

（四）著火層疏散走道煙氣溫度分析

圖6的a 為工況1 條件下著火層熱電偶數(shù)據(jù)圖，THCP 在0～6.62s 時(shí)煙氣溫度急劇上升，在6.62s 時(shí)溫度達(dá)到最高峰值為555℃，6.62～20s 煙氣溫度下降，20s 后煙氣溫度維持在200～330 ℃之間。THCP25、THCP26、THCP27 在0～40s 屬于煙氣溫度上升期，40s后溫度處于平穩(wěn)狀態(tài)，煙氣溫度保持在100～200℃之間，此溫度范圍人體最多能堅(jiān)持1min 左右。

圖6的b 為工況2 條件下著火層熱電偶數(shù)據(jù)圖，THCP 在6.6s 和37.2s 時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)峰值，分別為586℃和567 ℃；100s 后煙氣溫度趨于穩(wěn)定，溫度保持在100℃左右。THCP26、THCP27 在100s 后溫度處于平穩(wěn)，煙氣溫度保持在100℃左右，此溫度人體能堅(jiān)持15～30min 左右。

圖6 工況1 及工況2 條件下著火層熱電偶數(shù)據(jù)圖

三、結(jié)語

控制高層建筑場所火災(zāi)煙氣流動、降低煙氣溫度、提升場所能見度和降低有毒有害煙氣濃度是高層建筑火災(zāi)防控的重要內(nèi)容。文章基于研究煙氣蔓延的不同場景，通過在兩種不同工況下進(jìn)行模擬研究，得出以下結(jié)論：

第一，煙氣水平流動速度為2.04m/s 時(shí)，在有熱對流、有氧氣補(bǔ)充的疏散走道（設(shè)置的工況1）煙氣溫度比相對封閉環(huán)境（設(shè)置的工況2）溫度高150℃左右，也就是疏散走道辦公室門處于敞開狀態(tài)時(shí)人員逃生的危險(xiǎn)系數(shù)更大。

第二，煙氣濃度從頂板到底板逐漸下降，從著火點(diǎn)向擴(kuò)散方向逐漸下降。在辦公室門處于全開啟的狀態(tài)下，底板幾乎沒有CO 的存在，而當(dāng)辦公室門處于閉合狀態(tài)時(shí)，CO 的頂板底板含量幾乎一樣。

第三，著火層煙感探測器從檢測到煙氣至煙氣不透明度達(dá)到100% 平均時(shí)間小于1s；開門通風(fēng)等有利于煙氣含氧量的提高，降低人員危險(xiǎn)，但隨著著火時(shí)間的推進(jìn)煙氣含氧量還是呈逐漸下降趨勢。