火災(zāi)煙氣動(dòng)力學(xué)特征研究綜述

張春枝 梁惠惠 豆鵬亮 易宗立 劉顏

摘要：火災(zāi)煙氣動(dòng)力學(xué)特征是火災(zāi)科學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向，對(duì)于火災(zāi)預(yù)防、火場(chǎng)逃生及火災(zāi)撲救等方面具有重要意義?，F(xiàn)綜述火災(zāi)煙氣動(dòng)力學(xué)特征的研究，從火災(zāi)煙氣的研究方法、不同建筑的火災(zāi)特點(diǎn)、影響煙氣流動(dòng)的因素以及人員安全疏散的影響因素等方面著手，通過分析已有研究，以期為火災(zāi)防控工作提供更為科學(xué)、有效的理論支持。

關(guān)鍵詞：煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律；建筑；安全疏散；火災(zāi)

近年來，隨著高層建筑的發(fā)展，火災(zāi)煙氣的控制和防范已成為消防安全領(lǐng)域的重要問題?；馂?zāi)產(chǎn)生的煙氣是有毒、有害氣體和顆粒物的混合物，其動(dòng)力學(xué)特征對(duì)于火災(zāi)的蔓延、人員疏散和滅火等方面具有重要影響。本文旨在綜述近年來國(guó)內(nèi)外關(guān)于火災(zāi)煙氣動(dòng)力學(xué)特征的研究成果，探討其研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，為相關(guān)領(lǐng)域的研究和實(shí)踐提供參考。

1 建筑火災(zāi)煙氣的研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，美國(guó)哈佛的Emmons在質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒和化學(xué)反應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，對(duì)建筑火災(zāi)的區(qū)域模型進(jìn)行了相關(guān)研究，標(biāo)志著火災(zāi)科學(xué)研究的開始。對(duì)于建筑火災(zāi)的研究，研究者們根據(jù)不同的建筑結(jié)構(gòu)采用了多種模擬模型，包括區(qū)域模型、場(chǎng)模型以及場(chǎng)區(qū)混合模型等，對(duì)不同建筑火災(zāi)煙氣的傳播機(jī)理、運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及防控策略等進(jìn)行了深入研究。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，通過模擬火災(zāi)的熱力學(xué)過程，研究者們可以預(yù)測(cè)火場(chǎng)內(nèi)的溫度分布、煙霧濃度分布、煙霧流速等參數(shù)，進(jìn)而評(píng)估不同防排煙系統(tǒng)和煙氣治理技術(shù)的效果。

2 火災(zāi)煙氣動(dòng)力學(xué)特征的研究方法

在火災(zāi)煙氣動(dòng)力學(xué)特征的研究中，常用的方法有軟件模擬和實(shí)體實(shí)驗(yàn)兩種，主要以軟件模擬為主，采用的軟件以FDS（Fire Dynamics Simulator）為主。火災(zāi)煙氣模擬計(jì)算模型包括場(chǎng)模型、區(qū)域模型、網(wǎng)絡(luò)模型、探測(cè)器響應(yīng)模型、疏散模型以及混合模型。

2.1? FDS模擬

火災(zāi)荷載是人員密集場(chǎng)所衡量火災(zāi)隱患和火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要指標(biāo)，是建筑物內(nèi)所有可燃物由于燃燒而可能釋放的總能量?；鹪礋後尫怕蔋RR（Heat Release Rate）是單位時(shí)間內(nèi)材料燃燒所釋放的熱量，是描述火源特性的重要參數(shù)。FDS模擬時(shí)，模擬的網(wǎng)格尺寸越小，模擬得到的結(jié)果越精準(zhǔn)，越接近實(shí)際。此外，通過研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于大型商業(yè)綜合體、大型公路隧道等，由于受到模擬時(shí)間的制約，所設(shè)定的最小網(wǎng)格都比較大，從而造成了仿真結(jié)果與真實(shí)情況之間存在很大差異，這也是數(shù)值仿真的一個(gè)缺陷。

火災(zāi)探測(cè)器可分為點(diǎn)型火災(zāi)探測(cè)器、線型火災(zāi)探測(cè)器、吸氣式感煙型火災(zāi)探測(cè)器。應(yīng)根據(jù)保護(hù)場(chǎng)所可能發(fā)生火災(zāi)的部位和燃燒材料的分析，以及火災(zāi)探測(cè)器的類型、靈敏度和響應(yīng)時(shí)間等選擇相應(yīng)的火災(zāi)探測(cè)器。對(duì)火災(zāi)形成特征不可預(yù)料的場(chǎng)所，可根據(jù)模擬試驗(yàn)的結(jié)果選擇火災(zāi)探測(cè)器。

2.2? 實(shí)體實(shí)驗(yàn)

通過仿真模擬，可以更快速地得到數(shù)據(jù)。但是，在各種假設(shè)和簡(jiǎn)化的情況下，模擬場(chǎng)景還不夠準(zhǔn)確，一些參數(shù)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)仍有一定的差別，而實(shí)體實(shí)驗(yàn)可以更合理地演化出火災(zāi)情景下煙氣的蔓延和流動(dòng)狀態(tài)[1]。李晴[2]等人通過實(shí)體實(shí)驗(yàn)得出，隧道煙氣溫度的變化趨勢(shì)符合火災(zāi)火源燃燒特性曲線。高云驥[3]等人建立了一個(gè)10：1比例的豎井隧道模型，對(duì)縱風(fēng)作用下的豎井隧道的煙氣特征進(jìn)行了分析。

3 不同建筑的火災(zāi)特點(diǎn)

在對(duì)多起火災(zāi)事故進(jìn)行研究后，人們發(fā)現(xiàn)火災(zāi)中產(chǎn)生的大量煙霧是造成人員傷亡的關(guān)鍵因素。

在商業(yè)建筑中，由于人流量較大且商品種類繁多，一旦發(fā)生火災(zāi)，人員恐慌導(dǎo)致的踩踏事故和易燃商品迅速燃燒產(chǎn)生的強(qiáng)力火勢(shì)，將構(gòu)成極其嚴(yán)重的安全隱患。李晨光[4]等人對(duì)商業(yè)建筑公用樓梯展開疏散研究，得出增加樓梯寬度能滿足人員安全疏散的要求。白芳[5]針對(duì)商業(yè)建筑提出了防火針對(duì)性對(duì)策。閆金花[6]研究得出，對(duì)于商業(yè)建筑重特大火災(zāi)事故，報(bào)警延遲是火災(zāi)處置中影響最大的因素。

地下建筑多以地鐵站和地下商業(yè)體以及隧道為主。地鐵是快捷、方便、環(huán)保、節(jié)能、載客量大、準(zhǔn)時(shí)性強(qiáng)的城市軌道交通工具，已經(jīng)成為解決城市交通問題的重要手段。為保證人員安全撤離，最有效的措施就是制定合適的防煙措施。地鐵火災(zāi)時(shí)，早晚高峰時(shí)段和復(fù)雜構(gòu)造會(huì)導(dǎo)致疏散困難、救援和撲救難度大，需研究地鐵火災(zāi)煙氣動(dòng)力學(xué)特性。地下商業(yè)建筑存在隱患，通風(fēng)條件等因素也會(huì)制約疏散，需深入研究以爭(zhēng)取疏散時(shí)間。

工廠類建筑具有結(jié)構(gòu)多樣、體量大、生產(chǎn)設(shè)備多、管線復(fù)雜、存儲(chǔ)易燃易爆物品、燃燒條件充分等特點(diǎn)。一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢(shì)會(huì)異常猛烈，甚至工廠內(nèi)的電氣線路和通風(fēng)管道也可能成為火災(zāi)蔓延的渠道，因此必須采取嚴(yán)格的防火措施和安全管理措施，以確保人員和財(cái)產(chǎn)安全。Liu[7]等人對(duì)某水電站地下工廠展開了全尺寸的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在自然通風(fēng)下，通過垂直豎井，形成了顯著且穩(wěn)定的煙霧分層。

隧道在公路建設(shè)中至關(guān)重要，但其狹窄的視線條件往往會(huì)導(dǎo)致車輛碰撞和火災(zāi)等事故。隧道的密閉性使得火災(zāi)發(fā)生時(shí)消防人員的疏散和救援工作變得尤為困難。更為復(fù)雜的是，汽車塑料部件在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量煙塵，進(jìn)一步增加了疏散和救援的難度。隧道火災(zāi)的煙氣蔓延、溫度、能見度以及CO含量等參數(shù)的變化極其復(fù)雜，會(huì)受到多種因素的影響，如通風(fēng)井的位置、風(fēng)速、隧道坡度、風(fēng)簾的設(shè)置以及噴氣風(fēng)扇的使用等。這些因素交織在一起，使得煙火的蔓延過程難以精確掌握，給滅火工作帶來了極大的挑戰(zhàn)。因此，對(duì)隧道火災(zāi)的預(yù)防和應(yīng)對(duì)需要高度的專業(yè)性和全面的考慮。

綜上所述，這些建筑均屬于火災(zāi)高發(fā)區(qū)，且一旦起火，極易造成嚴(yán)重人員傷亡，因此，對(duì)這些建筑的煙塵特性進(jìn)行深入研究，對(duì)于火災(zāi)相關(guān)的科學(xué)研究與防火建筑具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4 影響煙氣流動(dòng)的因素

4.1? 火災(zāi)荷載

普通辦公樓活動(dòng)式火災(zāi)荷載平均值為651MJ/m2。白赟和袁松[8]重點(diǎn)對(duì)比分析了在高、低海拔下，隧道火災(zāi)在不同的火源功率下，煙霧的溫度和CO濃度的變化情況。結(jié)果表明，30MW火災(zāi)洞內(nèi)CO濃度大于20MW火災(zāi)洞內(nèi)CO濃度，其中火災(zāi)規(guī)模為20MW時(shí)，CO濃度在著火600s以內(nèi)就達(dá)到了600ppm的最大值，此后CO的分布范圍逐漸擴(kuò)大；火災(zāi)規(guī)模為30MW時(shí)，著火400s內(nèi)，洞內(nèi)CO濃度達(dá)到800ppm的最大值，隨后CO在上坡區(qū)蔓延。

綜上，當(dāng)火災(zāi)荷載變化的時(shí)候，煙氣溫度和CO濃度也在隨之變化，火源的最大溫差在垂直火源的行進(jìn)方向上。

4.2? 火災(zāi)場(chǎng)所

付邦舉[9]探討了地鐵樞紐站滅火救援方案，并根據(jù)權(quán)重等級(jí)表得出某地鐵樞紐站的防火等級(jí)良好。鄭冠霞[10]得出中庭可以極大地降低煙霧濃度，降低人員傷亡。在隧道中，在火源的橫截面位置上，煙氣分支流動(dòng)呈對(duì)稱分布，煙氣呈“S”形分布，火源緊貼側(cè)壁。王康[11]為彌補(bǔ)現(xiàn)有地鐵火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的不足，提出了一種將故障樹與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的地鐵火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。黃瓊[12]利用粒子濾波器算法估計(jì)了隧道中的火煙的蔓延速率。雷鵬[13]等人采用1/10比例模型對(duì)一條岔道內(nèi)的煙流進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與單個(gè)隧道內(nèi)的煙流進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，在隧道內(nèi)，空氣卷吸對(duì)隧道內(nèi)的最高溫度以及煙流狀況有直接影響。

4.3? 外界環(huán)境

在自然通風(fēng)隧道斜面上設(shè)置一口風(fēng)井，可以有效控制斜面上的煙塵擴(kuò)散。Wang[14]等證明了在豎井?dāng)嗝娌蛔兊那闆r下，隧道的長(zhǎng)寬之比應(yīng)該盡量減小。在車站候車室內(nèi)有很多種燃燒物質(zhì)，由于可燃物的類型和放置方式的不同，火勢(shì)的發(fā)展速率也是不一樣的。消防情景則是以最不利的疏散情景為研究對(duì)象，如車站疏散通道內(nèi)的火災(zāi)情景。屏蔽門的開啟可以降低地鐵站臺(tái)的溫度，并可以加快煙霧向軌道的擴(kuò)散，從而使站臺(tái)上的煙霧變得更少，這對(duì)于人員疏散以及消防救援來說是非常有利的。張文武[15]等得出，在發(fā)生平臺(tái)火災(zāi)的情況下，入口和出口的機(jī)械補(bǔ)風(fēng)速度要優(yōu)于自然補(bǔ)風(fēng)，而入口和出口機(jī)械補(bǔ)風(fēng)的煙溫差異不大。Liu[16]等證明，在站臺(tái)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，如果啟動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，則可以抑制溫度上升，使煙霧早期快速地在平臺(tái)底部擴(kuò)散，而沒有排煙系統(tǒng)的情況下，則會(huì)向樓梯方向擴(kuò)散，外掛樓梯的使用也能大幅度提高疏散效率[17]。矯磊[18]對(duì)必需疏散時(shí)間分析發(fā)現(xiàn)，占比較大的有教室滯留時(shí)間、樓道疏散時(shí)間和教室門口疏散時(shí)間，針對(duì)此情況提出了相應(yīng)的建議以減少必需疏散時(shí)間。

5 火災(zāi)對(duì)人員安全程度的影響

研究表明，火災(zāi)生成的副產(chǎn)物的溫度、氣體的種類、能見度等因素都會(huì)顯著影響人員的安全疏散時(shí)間。

5.1? 人員安全疏散時(shí)間

建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)的安全撤離，是指在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，在煙塵尚未危害到人身安全時(shí)，使建筑物內(nèi)的人員得以安全撤離。在建筑物火災(zāi)中，對(duì)人員的安全疏散時(shí)間進(jìn)行預(yù)報(bào)，就是要構(gòu)建一個(gè)火災(zāi)探測(cè)和人員疏散的物理模型，對(duì)全部的安全疏散時(shí)間進(jìn)行估算，只有在人員的安全疏散時(shí)間比人員的必需疏散時(shí)間短的情況下，才能最大限度將人員的傷亡和財(cái)產(chǎn)損失降到最低。

5.2? 建筑結(jié)構(gòu)

李宇輝[19]研究了地鐵分岔角度對(duì)煙氣蔓延的影響，得出相同火源功率下，分岔角度對(duì)臨界風(fēng)速影響較小，而火源位置對(duì)臨界風(fēng)速影響較大。高力[20]將仿真設(shè)計(jì)算法應(yīng)用于防火監(jiān)督中不僅可以降低火災(zāi)發(fā)生率，還提升了人員疏散的時(shí)效性。陳大龐[21]分析了地下建筑中煙氣的流動(dòng)過程，研究了影響煙氣流動(dòng)的因素，提出了一些火場(chǎng)排煙的戰(zhàn)術(shù)，以期為消防指戰(zhàn)員最大化避免煙氣危害提供借鑒。

綜上，對(duì)于具體場(chǎng)所的火災(zāi)發(fā)展特性和煙氣流動(dòng)規(guī)律，要有針對(duì)性進(jìn)行防排煙研究、布置措施。

5.3? 人員密度與特性

在人員撤離到安全地點(diǎn)所需要的時(shí)間RSET，小于火災(zāi)發(fā)展到對(duì)人造成威脅的時(shí)間ASET，也就是說，只有在ASET－RSET＞0時(shí)，人員才能撤離出來，二者的差值越大，說明安全疏散的可靠性越高。同時(shí)，隨著人口密度的增加，疏散的安全時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)。

6 結(jié)束語

通過對(duì)火災(zāi)煙氣相關(guān)方面文獻(xiàn)的閱讀分析，得出以下結(jié)論：①通過數(shù)值仿真與物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，研究者們發(fā)現(xiàn)，室外風(fēng)速、射流風(fēng)機(jī)、建筑結(jié)構(gòu)、可燃物種類、燃燒參數(shù)、消防系統(tǒng)、卷簾門打開與否等都將對(duì)火災(zāi)中的煙霧運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不同的影響，從而更加精確地掌握火災(zāi)中的逃生時(shí)機(jī)，為火災(zāi)中消防人員進(jìn)行有效營(yíng)救提供可靠的依據(jù)。②由于試驗(yàn)費(fèi)用高昂，研究者大多采用數(shù)值仿真軟件進(jìn)行火災(zāi)仿真，而采用試驗(yàn)方法進(jìn)行火災(zāi)仿真的文獻(xiàn)較少，特別是針對(duì)軌道交通建筑物的試驗(yàn)更是鮮有報(bào)道?？偠灾?，對(duì)于不同類型建筑物的火災(zāi)進(jìn)行研究，使消防員能夠更好地使用現(xiàn)有消防工具將煙霧排出，從而提高滅火安全性，是一個(gè)很有價(jià)值的方向。

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