基于Pyrosim的煙熱訓(xùn)練室數(shù)值模擬研究

劉 洋 李長江教授 汪 藝 宋俊杰 彭定萍

(重慶科技學(xué)院,重慶 401331)

0 引言

高溫、濃煙是阻礙消防員實(shí)施救援的主要障礙,為提高消防員在火場中的營救與自救能力,應(yīng)積極開展煙熱模擬訓(xùn)練。煙熱模擬訓(xùn)練主要是通過營造聲、光、煙、熱環(huán)境模擬真實(shí)火災(zāi),鍛煉消防員的救災(zāi)應(yīng)急處置能力和心理承受能力[1]。張福東[2]發(fā)現(xiàn)許多煙熱模擬訓(xùn)練室訓(xùn)練溫度低、煙霧濃度低、煙熱設(shè)備不能模擬多種復(fù)雜火災(zāi)環(huán)境,導(dǎo)致訓(xùn)練效果較差;王棟武[3-4]使用仿真軟件得出煙熱設(shè)備的參數(shù)應(yīng)與訓(xùn)練室體積匹配,但沒有涉及訓(xùn)練中的安全疏散等分析。為拓展煙熱訓(xùn)練的功能和保證訓(xùn)練人員的安全,本文對煙熱室進(jìn)行數(shù)值模擬分析以期還原真實(shí)火場,提高訓(xùn)練質(zhì)量。

1 Pyrosim數(shù)值模擬

1.1 軟件介紹

PyroSim軟件是由美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院研發(fā)的火災(zāi)動(dòng)態(tài)仿真軟件。軟件包括直接數(shù)值模擬、大渦模擬2種模擬方式,本文選擇使用廣泛的火災(zāi)煙氣擴(kuò)散大渦模擬模型進(jìn)行模擬[5-6]。

1.2 模型建立

本文選取重慶某消防支隊(duì)煙熱訓(xùn)練室(以下簡稱“煙熱室”)為研究對象,該建筑共1層,訓(xùn)練室尺寸為12m×9m×4.8m,疏散走廊凈寬2m。金屬網(wǎng)柵訓(xùn)練通道由3層長方體拼接組合而成,尺寸為8m×5m×4.3m,模型坐標(biāo)系,如圖1。

圖1 煙熱室模型Fig.1 Smoke and heat room model

1.3 數(shù)值模擬場景及參數(shù)設(shè)置

煙熱室的設(shè)備布局如下:高度Z=1.5m處均勻布置15kW熱風(fēng)機(jī)6臺(tái),3kW造煙機(jī)6臺(tái);在Z=4.7m處布置2kW機(jī)械排煙機(jī)2臺(tái)。E、F、G為訓(xùn)練室出口,各出口監(jiān)測器布置:Z=1.5m處布置能見度監(jiān)測器1個(gè);Z=2m處布置溫度監(jiān)測器1個(gè);設(shè)置煙氣監(jiān)測裝置1個(gè),監(jiān)測高度為0～2.7m;Z=2m處設(shè)置CO濃度監(jiān)測器1個(gè)。模擬中設(shè)置A、B、C、D 4個(gè)場景,場景A、B、D中的設(shè)備布局,如圖2。

注:1.機(jī)械排煙機(jī);2.現(xiàn)場布置的煙霧、溫度監(jiān)測器;3.熱風(fēng)機(jī)、造煙機(jī);4.防火門圖2 場景A、B、D設(shè)備布局Fig.2 Device layout for scenario A, B and D

場景A應(yīng)滿足GA 942—2011《網(wǎng)柵隔斷式煙熱訓(xùn)練室技術(shù)要求》中,主訓(xùn)練室環(huán)境溫度升溫至40℃所需時(shí)間不大于40min,能見度從正常降至2m的時(shí)間應(yīng)不大于20min[7]。對煙熱室的加熱設(shè)備發(fā)熱量、發(fā)煙設(shè)備的發(fā)煙量及配置數(shù)量進(jìn)行仿真分析并與實(shí)際情況作對比驗(yàn)證,其他參數(shù),見表1。

表1 場景A參數(shù)Tab.1 Parameters for scenario A

場景B設(shè)定訓(xùn)練通道P點(diǎn)起火(如圖2),以期獲得煙氣的各類參數(shù)及流動(dòng)規(guī)律,指導(dǎo)安全疏散。場景C是為探索改變煙熱機(jī)的布局能否模擬場景B中的P點(diǎn)發(fā)生局部火災(zāi)時(shí)的熱流效果,如圖3。

圖3 場景C設(shè)備布局Fig.3 Device layout for scenario C

場景D是考慮煙熱機(jī)線路老化容易引發(fā)火災(zāi),模擬疏散走廊Q點(diǎn)發(fā)生火災(zāi),以期獲得煙氣的各類參數(shù)及流動(dòng)規(guī)律,指導(dǎo)安全疏散。

場景B、C、D的參數(shù)設(shè)定為無噴淋的消防訓(xùn)練設(shè)施。其中,場景B、D火源熱釋放速率為8MW/m2,火源面積為0.25m2,火源類型為t2模型,火災(zāi)增長系數(shù)為0.044kW/s2[8],其他參數(shù)設(shè)置,見表2。

表2 場景B、C、D參數(shù)Tab.2 Parameters for scenario B, C and D

1.4 臨界范圍設(shè)定

火災(zāi)環(huán)境下影響人員疏散的主要因素是溫度、能見度、CO體積分?jǐn)?shù)及煙氣層高度等。根據(jù)GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,假定訓(xùn)練隊(duì)員裝備齊全,設(shè)置安全疏散臨界范圍[9],見表3。

表3 臨界范圍參數(shù)設(shè)定Tab.3 Critical range settings

2 各場景模擬分析

2.1 場景A升溫驗(yàn)證

場景A各出口溫度、能見度、煙氣層高度變化情況,如圖4。從圖4可知,場景A中用6臺(tái)15kW熱風(fēng)機(jī)在500s內(nèi)使主訓(xùn)練室溫度提高到40℃;各出口能見度經(jīng)80s下降到2.5m,說明此功率下的煙霧機(jī)滿足訓(xùn)練室技術(shù)要求;各出口煙氣層高度始終維持在2.5m以上,說明訓(xùn)練環(huán)境安全。

圖4 場景A各出口溫度、能見度、煙氣層高度的變化Fig.4 Changes in temperature, visibility, and smoke layer height at each exit under scenario A

與場景B、C、D不同,場景A中增設(shè)煙熱監(jiān)測器,布置在金屬網(wǎng)柵四周高度3.5m處,如圖2中的2所示。

從圖5(a)現(xiàn)場采樣值看出,熱風(fēng)機(jī)預(yù)熱啟動(dòng)需400s,在1000s時(shí)溫度已超過40℃;從圖5(b)可以看出,在400s時(shí)溫度已超過40℃,并在900s時(shí)達(dá)到50℃并維持至結(jié)束,這驗(yàn)證了數(shù)值模擬與實(shí)際測量均滿足GA 942—2011《網(wǎng)柵隔斷式煙熱訓(xùn)練室技術(shù)要求》。

圖5 場景A中Z=3.5m處現(xiàn)場與數(shù)值模擬升溫曲線Fig.5 Heating curves of on-site and numerical simulation at Z=3.5m under scenario A

2.2 煙熱機(jī)模擬局部火災(zāi)

(1)溫度分析。從圖6可知,場景B中各出口溫度達(dá)到200℃的時(shí)間為100s,由于金屬訓(xùn)練通道中有易燃物,排煙機(jī)運(yùn)行會(huì)造成訓(xùn)練室中出現(xiàn)轟燃現(xiàn)象[10],使得溫度波動(dòng)較大,在這種溫度條件下會(huì)對安全疏散造成極大困難。由圖6(b)可知,在500s后各出口溫度已超過45℃,對比圖6(b)和圖4(a)發(fā)現(xiàn)相同參數(shù)但不同的設(shè)備布局會(huì)影響各出口的最高溫度。

圖6 場景B、C各出口溫度對比Fig.6 The temperature comparison at each exit under scenario B and C

煙氣熱流場分析。從圖7(a)可知,在火災(zāi)初期,煙氣聚集在火點(diǎn)上方、熱量較為集中;從圖7(b)可知,在300s時(shí)才能觀察到熱量集中在火點(diǎn)上方,最高溫度達(dá)60℃。熱風(fēng)機(jī)可以模擬火災(zāi)初期的溫度場但熱流場體積明顯小于真實(shí)火災(zāi)。一旦火災(zāi)進(jìn)入蔓延期由于熱風(fēng)機(jī)布局固定,達(dá)不到真實(shí)火災(zāi)熱流紊亂的效果。

圖7 場景B、C煙氣熱流場Fig.7 The thermal flow field of smoke and gas under scenario B and C

(2)能見度分析。由圖8(a)可知,場景B中的出口E、F在50s內(nèi)能見度已經(jīng)下降到2.5m,而距火點(diǎn)最近的出口G在近80s時(shí)能見度降到2.5m,是因?yàn)闊煔馐苷系K物遮擋;由圖8(b)可知,場景C的出口G在10s時(shí)能見度降到2.5m,在10s后出現(xiàn)波動(dòng)是受機(jī)械排煙的影響,在50s時(shí)各出口的能見度低于2.5m。

圖8 場景B、C各出口能見度對比Fig.8 The visibility comparison at each exit under scenario B and C

(3)煙氣層高度分析。由圖9(a)可知,40s時(shí)各出口煙氣層高度降到1.5m。受機(jī)械排煙的影響,場景C中各出口煙氣層高度僅小幅下降,始終維持在臨界值2.5m以上,說明訓(xùn)練環(huán)境安全。

圖9 場景B、C各出口煙氣層高度對比Fig.9 The smoke layer height comparison at each exit under scenario B and C

(4)CO體積分?jǐn)?shù)分析。由圖10可知,各出口在100s時(shí)CO體積分?jǐn)?shù)超過500×10-6(臨界值),這對安全疏散造成極大影響;100s后CO體積分?jǐn)?shù)上下波動(dòng)且整體呈上升趨勢,說明場景B中火點(diǎn)擴(kuò)散,使得煙熱室中的其他可燃物被點(diǎn)燃,火災(zāi)規(guī)模擴(kuò)大。

圖10 場景B各出口CO體積分?jǐn)?shù)變化Fig.10 The volume fraction change of CO at each exit under scenario B

綜上所述,合理布局煙熱機(jī)能模擬初期火災(zāi)的熱流效果,但不能模擬火災(zāi)蔓延時(shí)的熱流效果。金屬網(wǎng)柵訓(xùn)練通道中發(fā)生火災(zāi)時(shí)火災(zāi)蔓延較快,但煙氣受阻力較大,熱量較為集中。

2.3 場景D走廊火災(zāi)分析

場景D中各出口測點(diǎn)參數(shù)變化,如圖11。具體分析如下:

圖11 場景D各出口測點(diǎn)變化Fig.11 The change of each measurement point at each exit under scenario D

(1)溫度分析。由圖11(a)可知,出口F在50s時(shí)首先達(dá)到200℃(極限值),在250s時(shí)出口E、G超過或達(dá)到200℃。

(2)能見度分析。由圖11(b)可知,距離火點(diǎn)最近的出口G,在6s時(shí)能見度急劇下降到2.5m;在18s時(shí)各出口能見度均降至2.5m以下。在短時(shí)間內(nèi)能見度下降的原因是疏散走廊沒有障礙物,煙氣擴(kuò)散速度快。

(3)煙氣層高度分析,由圖11(c)可知,出口F的煙氣層高度在30s時(shí)降至1.5m;在50s時(shí)出口G、E也降至1.5m及以下,隨后各出口的煙氣層高度震蕩下行。

(4)CO體積分?jǐn)?shù)分析,由圖11(d)可知,100s內(nèi)各出口CO體積分?jǐn)?shù)均超過500×10-6,175s后有小幅波動(dòng)的原因是疏散走廊的可燃物少,火災(zāi)蔓延速度較慢,轟燃效果不明顯。

綜上所述,疏散走廊發(fā)生火災(zāi)時(shí),因周圍可燃物少、火災(zāi)蔓延較慢,轟燃引起的傷害較小,疏散時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離著火點(diǎn)。

2.4 分析疏散時(shí)間

根據(jù)上述分析,綜合考慮溫度、能見度、煙氣層高度及CO體積分?jǐn)?shù),取最早對人體造成危害的時(shí)間作為可用安全疏散時(shí)間。

(1)溫度分布規(guī)律可以得出消防煙熱訓(xùn)練室的熱流路徑,為安全疏散提供參考,也是判斷訓(xùn)練隊(duì)員是否可以安全疏散的重要參數(shù),在場景B、D依次取100、50s為安全疏散時(shí)間。

(2)能見度主要影響疏散人員可視范圍,距離火源點(diǎn)越近,能見度越能影響訓(xùn)練隊(duì)員安全疏散效率,當(dāng)能見度低于臨界值時(shí)可能會(huì)引發(fā)踩踏事件造成人員二次傷害?？紤]到能見度下降快慢與熱釋放速率的大小有關(guān),在場景B、D依次取80、18s為安全疏散時(shí)間。

(3)因?yàn)橄绬T在訓(xùn)練時(shí)會(huì)配備防火裝備,煙氣層高度在場景B、D中依次取40、50s為安全疏散時(shí)間。

(4)長時(shí)間或過量吸入CO會(huì)導(dǎo)致人員體內(nèi)O2含量降低,從而造成人員傷亡。在場景B、D中取100s為安全疏散時(shí)間。

場景B、D的可用安全疏散時(shí)間,見表4。

2.5 逃生疏散分析

(1)場景B金屬網(wǎng)柵訓(xùn)練通道中發(fā)生火災(zāi)時(shí),煙氣層高度對疏散可用時(shí)間影響最大,安全疏散時(shí)間為40s,而數(shù)據(jù)顯示E出口的溫度先上升后下降,在緊急疏散時(shí)疏散訓(xùn)練隊(duì)員或救援部隊(duì)?wèi)?yīng)選擇E出口,滅火部隊(duì)?wèi)?yīng)選擇F、G出口。

(2)場景D疏散走廊發(fā)生火災(zāi)時(shí),能見度對疏散可用時(shí)間影響最大,安全疏散時(shí)間為18s,在緊急疏散時(shí)疏散訓(xùn)練隊(duì)員或救援部隊(duì)?wèi)?yīng)選擇F出口,滅火部隊(duì)?wèi)?yīng)選擇E、G出口。

3 結(jié)論

通過分析煙熱訓(xùn)練室發(fā)生火災(zāi)時(shí)的煙氣層高度、溫度、能見度及CO體積分?jǐn)?shù),得出如下結(jié)論:

(1)在518m3的主訓(xùn)練室中,6臺(tái)15kW熱風(fēng)機(jī)能在40min內(nèi)將室溫升至40℃,6臺(tái)3kW煙霧機(jī)能在20min內(nèi)將能見度降低至2m。

(2)在金屬網(wǎng)柵訓(xùn)練通道中發(fā)生火災(zāi)時(shí),煙氣層高度對疏散可用時(shí)間影響最大,安全疏散時(shí)間為40s,在緊急疏散時(shí)疏散訓(xùn)練隊(duì)員或救援部隊(duì)?wèi)?yīng)選擇E出口,滅火部隊(duì)?wèi)?yīng)選擇F、G出口。

(3)合理布局煙熱機(jī)能模擬初期火災(zāi)的熱流效果,而模擬火災(zāi)中后期效果很差。若煙熱機(jī)可隨機(jī)變動(dòng)位置則能實(shí)現(xiàn)熱流紊亂效果,這能擴(kuò)展煙熱室模擬局部火點(diǎn)的功能。

(4)在疏散走廊發(fā)生火災(zāi)時(shí),能見度對疏散可用時(shí)間影響最大,安全疏散時(shí)間為18s,在緊急疏散時(shí)疏散訓(xùn)練隊(duì)員或救援部隊(duì)?wèi)?yīng)選擇F出口,滅火部隊(duì)?wèi)?yīng)選擇E、G出口。