高校宿舍走廊寬度對(duì)火災(zāi)煙氣流動(dòng)性影響的數(shù)值模擬

張宇金

(四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院,四川 遂寧 629000)

隨著我國(guó)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制和政治體制的不斷完善和發(fā)展,我國(guó)進(jìn)入了社會(huì)主義現(xiàn)代化發(fā)展的新時(shí)期,接受各類高等教育的人群不斷擴(kuò)大.高校的擴(kuò)招一方面滿足了人們對(duì)先進(jìn)文化的需求,另一方面帶來(lái)的消防安全問(wèn)題也引起了大家的廣泛關(guān)注.高等院校宿舍人口密度大,火災(zāi)荷載較多,再加上一些學(xué)生安全意識(shí)淡薄,這給學(xué)生的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了極大的威脅[1].火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣顆粒物使煙氣具有很強(qiáng)的遮光性,且火災(zāi)煙氣的溫度較高,因而煙氣成為火災(zāi)中人員安全的最大威脅[2].

火災(zāi)時(shí),標(biāo)準(zhǔn)層人員疏散逃生的唯一路徑就是通過(guò)走廊到安全出口.走廊的寬度不僅影響人員疏散的速度,同時(shí)也影響著煙氣的運(yùn)動(dòng).因此,研究走廊寬度對(duì)煙氣運(yùn)動(dòng)的影響就顯得尤為重要,可以為火災(zāi)時(shí)人員的疏散逃生和高校宿舍結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等提供指導(dǎo)性意見(jiàn).

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 模擬軟件介紹

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FDS(Fire Dynamics Simulator)是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研究所(NIST)的建筑與火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室(Building and Fire Research Laboratory)合作共同研究開(kāi)發(fā)的一款基于場(chǎng)模型的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件.FDS模型的程序是開(kāi)放的,而且該模型經(jīng)過(guò)了大型及全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,其準(zhǔn)確性得到了大量試驗(yàn)的驗(yàn)證,因此,在建筑火災(zāi)研究中得到了廣泛應(yīng)用[3].進(jìn)行FDS模擬能夠得到一系列的輸出量,這些輸出量包括固體參數(shù)、氣體參數(shù)和全局參數(shù).FDS首先較為全面地考慮到了火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)的每一個(gè)過(guò)程,再對(duì)實(shí)際的工程進(jìn)行設(shè)計(jì),以保證如果火災(zāi)一旦發(fā)生,煙霧能夠保持在一定的高度之上,有毒有害氣體的濃度在一定的范圍內(nèi),以至于不會(huì)威脅到人員疏散[4].

FDS有兩種數(shù)值模擬方法,即直接模擬(DNS)和大渦模擬(LES).直接數(shù)值模擬(DNS)是通過(guò)直接求解三維瞬態(tài)方程N(yùn)avier-Stoker,并對(duì)濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和流場(chǎng)內(nèi)的所有空間尺度和時(shí)間尺度進(jìn)行精確的描述,此方法不用引入任何湍流模型,就可以得到較為精確的結(jié)果[5].

1.1.1 FDS數(shù)值計(jì)算方法

FDS中用于進(jìn)行控制方程離散化的方法主要有兩種,即有限體積法(FVM)和有限差分法(FDM)[6].有限體積法的基本思路是將計(jì)算域分為很多獨(dú)立的控制體積,并使得所有網(wǎng)格點(diǎn)的周圍都有一個(gè)控制體,通過(guò)將待解微分方程對(duì)每一個(gè)控制體積進(jìn)行積分,以得出一組離散方程.有限差分法把控制方程中的導(dǎo)數(shù)用Taylor級(jí)數(shù)方法進(jìn)行展開(kāi).其中,Taylor 級(jí)數(shù)展開(kāi)方法的基本差分表達(dá)式有四種:一階向前差分、一階向后差分、一階中心差分和二階中心差分,這四種表達(dá)式的前兩種格式為一階計(jì)算精度,后兩種格式為二階計(jì)算精度.

1.1.2 FDS模擬流程

運(yùn)用FDS對(duì)火災(zāi)模擬的基本過(guò)程[7],如圖1所示.

圖1 FDS模擬流程

1.2 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)定

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本文研究的是宿舍走廊火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律,參照了四川省內(nèi)多所高校宿舍走廊的實(shí)際尺寸大小和整體布局.高校宿舍大致分為箱型、環(huán)形和套間.其中,絕大多數(shù)高校為箱型結(jié)構(gòu),且宿舍走廊的長(zhǎng)度集中在40～80m;宿舍走廊的寬度多為1.6m、1.8m和2.0m;宿舍走廊的高度多為2.8m、3.0m和3.2m.所以,本文參照上面的統(tǒng)計(jì),建立了宿舍標(biāo)準(zhǔn)層(第二層)全尺寸模型,走廊的長(zhǎng)度確定為54m,走廊的寬度有1.6m、1.8m和2.0m三個(gè)值,走廊的高度為3.0m,分別進(jìn)行對(duì)比分析.通過(guò)對(duì)三種不同走廊寬度,并分別在1.0m、1.7m和2.4m高度處布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),研究火災(zāi)時(shí)煙氣溫度、CO濃度、能見(jiàn)度、煙氣層的高度、煙氣中O2濃度和煙氣中CO2濃度等參數(shù)特效,從而確定一個(gè)最優(yōu)寬度.其平面圖如圖2所示.宿舍以走廊為界分為兩邊.左邊(宿舍號(hào)為奇數(shù))共16間宿舍,并在107宿舍和111宿舍之間設(shè)置有樓梯間及其前室1,在125宿舍和129宿舍之間設(shè)置有樓梯間及其前室2;右邊(宿舍號(hào)為偶數(shù))共18間宿舍.實(shí)驗(yàn)中選擇最不利點(diǎn)宿舍作為著火房間,即平面圖中135宿舍.其中,宿舍寬度為3m,長(zhǎng)度為7.6m.本文的熱釋放速率是根據(jù)其他學(xué)者的研究和結(jié)合宿舍模型的實(shí)際情況確定火災(zāi)初期引火源的HRRPUA(單位面積釋熱率)為1000kw/m2和1500kw/m2,表面積為0.01m2,進(jìn)而求出引火源功率為10kw 和15kw進(jìn)行房間轟燃實(shí)驗(yàn),火源起火后再引燃室內(nèi)其他一些可燃物,再對(duì)引火源功率為15kw進(jìn)行煙氣蔓延速度影響研究.根據(jù)建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范可知,建筑內(nèi)長(zhǎng)度大于20m的疏散走道應(yīng)設(shè)置排煙設(shè)施,本文主要研究最不利狀態(tài)下宿舍走廊寬度對(duì)煙氣運(yùn)動(dòng)影響的研究,所以未設(shè)置任何排煙設(shè)施.有關(guān)排煙設(shè)施對(duì)結(jié)果的影響分析將在今后作進(jìn)一步研究.

圖2 學(xué)生宿舍平面圖

2 結(jié)果與討論

2.1 著火宿舍火災(zāi)發(fā)展情況

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圖3為不同起火源功率下的宿舍內(nèi)溫度-時(shí)間曲線,其中a圖起火源功率為10kw,b圖起火源功率為15kw,進(jìn)行房間轟燃實(shí)驗(yàn).由圖可知,當(dāng)起火源功率為10kw時(shí),400s時(shí)宿舍內(nèi)發(fā)生轟燃;當(dāng)起火源功率為15kw時(shí),330s時(shí)宿舍內(nèi)發(fā)生轟燃.

圖3 宿舍內(nèi)溫度-時(shí)間曲線(1.7m)

當(dāng)起火源功率為15kw時(shí),從著火源起火到230s,為火災(zāi)初起階段,在這階段里,宿舍內(nèi)積累了大量的可燃?xì)怏w.230s后,火苗從起火點(diǎn)開(kāi)始蔓延到其他可燃物,火災(zāi)從初起階段開(kāi)始向全室性燃燒階段過(guò)渡.330s時(shí),宿舍內(nèi)發(fā)生轟燃,標(biāo)志著全面燃燒階段的開(kāi)始,此時(shí)火煙開(kāi)始通過(guò)門口向走廊蔓延.380s時(shí),火舌已經(jīng)燒到了陽(yáng)臺(tái).隨著燃燒的加劇,火焰主要集中向低處和宿舍兩邊流竄,這是因?yàn)闊釤煔獠粩嗌仙?使上部空氣中O2含量急劇下降,而在走廊和陽(yáng)臺(tái)兩邊,周圍的新鮮空氣不斷流入.700s時(shí),火災(zāi)進(jìn)入了熄滅階段,此時(shí)室內(nèi)溫度已下降至最高溫度的80%.火災(zāi)發(fā)展到890s時(shí),室內(nèi)只剩下一些零星的火苗.

2.2 走廊寬度對(duì)煙氣運(yùn)動(dòng)的影響

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從前面對(duì)四川省幾所高校的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出,宿舍走廊的寬度集中在1.6m、1.8m和2.0m.這里將分析三種不同走廊寬度在同一時(shí)間點(diǎn)(此處定義600s)、相同外界條件下對(duì)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響.

2.2.1 寬度對(duì)火災(zāi)煙氣溫度的影響

圖4給出了同一時(shí)間點(diǎn)(此處定義600s),火災(zāi)煙氣溫度在不同走廊寬度(從左到右依次為1.6m的走廊、1.8m的走廊和2.0m的走廊)的變化和分布曲線.

圖4 不同走廊寬度溫度變化及分布圖

由圖4可知,火災(zāi)煙氣具有很高的溫度,在著火房間對(duì)應(yīng)走廊處,火災(zāi)煙氣溫度最高,當(dāng)走廊寬度為1.6m時(shí)達(dá)到了800℃,當(dāng)走廊寬度為1.8m時(shí)達(dá)到了700℃,當(dāng)走廊寬度為2.0m時(shí)達(dá)到了780℃.沿著走廊遠(yuǎn)離著火房間的方向,煙氣溫度在不斷下降,但在走道兩端出現(xiàn)了升溫的現(xiàn)象.三種情況下火災(zāi)煙氣溫度都高于人員呼吸處的疏散條件溫度(66℃).

2.2.2 寬度對(duì)火災(zāi)煙氣能見(jiàn)度的影響

圖5給出了同一時(shí)間點(diǎn)(此處定義600s),火災(zāi)煙氣能見(jiàn)度在不同走廊寬度(從左到右依次為1.6m的走廊、1.8m的走廊和2.0m的走廊)的變化和分布曲線.

圖5 不同走廊寬度能見(jiàn)度變化及分布圖

煙氣的減光性能夠降低能見(jiàn)度,使疏散速度下降.通常情況下,人們?cè)谛】臻g能忍受的極限能見(jiàn)度為5m.由圖5可知,在走廊上,高度越高,能見(jiàn)度越低;在2.4m高度處,三種情況的能見(jiàn)度都在1m左右.三種情況下人們視線處的能見(jiàn)度都低于疏散條件5m.

2.2.3 寬度對(duì)火災(zāi)煙氣中CO濃度的影響

圖6給出了同一時(shí)間點(diǎn)(此處定義600s),火災(zāi)煙氣中CO濃度在不同走廊寬度(從左到右依次為1.6m的走廊、1.8m的走廊和2.0m的走廊)的變化和分布曲線.

圖6 不同走廊寬度CO濃度變化及分布圖

CO是所有火災(zāi)煙氣中最主要的致死性氣體,也是唯一被證實(shí)造成火災(zāi)中大量死亡的氣體[8-9].當(dāng)環(huán)境中CO含量達(dá)到或高于2000ppm(0.002mol/mol)時(shí),人體必須進(jìn)行疏散.由圖可知,在著火房間附近,CO濃度最高;隨著著火房間往走道延伸,CO濃度有略微上升的跡象,這是因?yàn)樽叩滥┒顺霈F(xiàn)煙氣回流的現(xiàn)象;走廊寬度為1.6m時(shí)CO濃度略高于1.8m和2.0m時(shí)CO濃度.三種情況下火災(zāi)煙氣中CO濃度都低于2000ppm.

2.2.4 寬度對(duì)火災(zāi)煙氣層高的影響

圖7給出了在600s時(shí),火災(zāi)煙氣層高在三個(gè)不同走廊寬度的變化和分布曲線.其中,方框?yàn)?.6m的走廊,圓圈為1.8m的走廊,三角為2.0m的走廊.

圖7 不同走廊寬度煙氣層高度分布曲線(600s)

煙氣層高度過(guò)低,將影響人員疏散時(shí)的能見(jiàn)度,從而降低成功疏散的概率.當(dāng)煙氣層高度低于人員呼吸處的高度時(shí),還將導(dǎo)致疏散逃生人員吸入大量有毒有害氣體.由圖可知,在著火房間附近,煙氣層厚度略厚于周圍,且在走道末端煙氣層最厚,這是因?yàn)闊煔庠谀┒嘶亓?造成局部煙氣層聚集的現(xiàn)象;若此時(shí)通風(fēng)條件良好,煙氣將沿著通風(fēng)口外溢,走道能見(jiàn)度將出現(xiàn)逐步增加的現(xiàn)象.

2.2.5 寬度對(duì)火災(zāi)煙氣中CO2濃度的影響

圖8給出了同一時(shí)間點(diǎn)(此處定義600s),火災(zāi)煙氣中CO2濃度在不同走廊寬度(從左到右依次為1.6m的走廊、1.8m的走廊和2.0m的走廊)的變化和分布曲線.

圖8 不同走廊寬度CO2濃度變化及分布圖

火災(zāi)時(shí),可燃物質(zhì)燃燒會(huì)消耗大量的O2進(jìn)而產(chǎn)生大量的CO2.當(dāng)空氣中CO2的體積比達(dá)到3%時(shí),人體會(huì)出現(xiàn)呼吸困難等相關(guān)癥狀。因此,將3%作為CO2的疏散條件,若場(chǎng)所中煙氣CO2的體積高于3%,人們便難于成功疏散逃生.由圖8可知,在著火房間附近,CO2濃度最高,在走道末端出現(xiàn)CO2濃度急劇升高的現(xiàn)象,其他段CO2濃度呈起伏狀態(tài).三種情況下火災(zāi)煙氣中CO2濃度變化不大,且只有高度在2.4m處CO2的濃度才達(dá)到疏散條件.

3 結(jié)論

通過(guò)前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析討論,可以得出:

(1)本文利用DFS仿真模擬軟件對(duì)10kw和15kw兩個(gè)不同起火源功率進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn):不同起火源功率下,房間達(dá)到轟燃的時(shí)間不同,起火源功率越大,房間達(dá)到轟燃時(shí)間越短.當(dāng)起火源功率為15kw時(shí),從走廊內(nèi)煙氣溫度變化和分布情況來(lái)看,在火災(zāi)發(fā)展到轟燃階段(400s)后,人員呼吸處的平均溫度早已經(jīng)高于人體所能承受的極限溫度(130℃).

(2)從走廊寬度對(duì)煙氣的影響可以看出,三種寬度(1.6m、1.8m和2.0m)的走廊對(duì)煙氣層高、CO2濃度影響不大;在能見(jiàn)度和溫度方面,走廊越寬,能見(jiàn)度越大,煙氣溫度越低,后兩種相差不大;在CO濃度方面,在相同高度處,走廊越寬,CO濃度反而越大.綜合這些因素,建議在新建宿舍時(shí),走廊寬度選取1.7～1.9m.