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)

隨著我國社會主義市場經(jīng)濟體制和政治體制的不斷完善和發(fā)展,我國進入了社會主義現(xiàn)代化發(fā)展的新時期,接受各類高等教育的人群不斷擴大.高校的擴招一方面滿足了人們對先進文化的需求,另一方面帶來的消防安全問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)生安全意識淡薄,這給學(xué)生的生命和財產(chǎn)安全帶來了極大的威脅[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,標準層人員疏散逃生的唯一路徑就是通過走廊到安全出口.走廊的寬度不僅影響人員疏散的速度,同時也影響著煙氣的運動.因此,研究走廊寬度對煙氣運動的影響就顯得尤為重要,可以為火災(zāi)時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.

1 實驗設(shè)置

1.1 模擬軟件介紹

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FDS(Fire Dynamics Simulator)是由美國國家標準研究所(NIST)的建筑與火災(zāi)研究實驗室(Building and Fire Research Laboratory)合作共同研究開發(fā)的一款基于場模型的計算流體動力學(xué)軟件.FDS模型的程序是開放的,而且該模型經(jīng)過了大型及全尺寸火災(zāi)實驗的驗證,其準確性得到了大量試驗的驗證,因此,在建筑火災(zāi)研究中得到了廣泛應(yīng)用[3].進行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)煙氣運動的每一個過程,再對實際的工程進行設(shè)計,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)是通過直接求解三維瞬態(tài)方程Navier-Stoker,并對濃度場、溫度場和流場內(nèi)的所有空間尺度和時間尺度進行精確的描述,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)值計算方法

FDS中用于進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算域分為很多獨立的控制體積,并使得所有網(wǎng)格點的周圍都有一個控制體,通過將待解微分方程對每一個控制體積進行積分,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級數(shù)方法進行展開.其中,Taylor 級數(shù)展開方法的基本差分表達式有四種: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,這四種表達式的前兩種格式為一階計算精度,后兩種格式為二階計算精度.

1.1.2 FDS模擬流程

運用FDS對火災(zāi)模擬的基本過程[7],如圖1所示.

圖1 FDS模擬流程

1.2 火災(zāi)場景設(shè)定

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本文研究的是宿舍走廊火災(zāi)煙氣運動規(guī)律,參照了四川省內(nèi)多所高校宿舍走廊的實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,建立了宿舍標準層(第二層)全尺寸模型,走廊的長度確定為54m,走廊的寬度有1.6m、1.8m和2.0m三個值,走廊的高度為3.0m,分別進行對比分析.通過對三種不同走廊寬度,并分別在1.0m、1.7m和2.4m高度處布置測點進行對比實驗,研究火災(zāi)時煙氣溫度、CO濃度、能見度、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(宿舍號為偶數(shù))共18間宿舍.實驗中選擇最不利點宿舍作為著火房間,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,進而求出引火源功率為10kw 和15kw進行房間轟燃實驗,火源起火后再引燃室內(nèi)其他一些可燃物,再對引火源功率為15kw進行煙氣蔓延速度影響研究.根據(jù)建筑防火設(shè)計規(guī)范可知,建筑內(nèi)長度大于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)下宿舍走廊寬度對煙氣運動影響的研究,所以未設(shè)置任何排煙設(shè)施.有關(guān)排煙設(shè)施對結(jié)果的影響分析將在今后作進一步研究.

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-時間曲線,其中a圖起火源功率為10kw,b圖起火源功率為15kw,進行房間轟燃實驗.由圖可知,當起火源功率為10kw時,400s時宿舍內(nèi)發(fā)生轟燃;當起火源功率為15kw時,330s時宿舍內(nèi)發(fā)生轟燃.

圖3 宿舍內(nèi)溫度-時間曲線(1.7m)

當起火源功率為15kw時,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)積累了大量的可燃氣體.230s后,火苗從起火點開始蔓延到其他可燃物,火災(zāi)從初起階段開始向全室性燃燒階段過渡.330s時,宿舍內(nèi)發(fā)生轟燃,標志著全面燃燒階段的開始,此時火煙開始通過門口向走廊蔓延.380s時,火舌已經(jīng)燒到了陽臺.隨著燃燒的加劇,火焰主要集中向低處和宿舍兩邊流竄,這是因為熱煙氣不斷上升,使上部空氣中O2含量急劇下降,而在走廊和陽臺兩邊,周圍的新鮮空氣不斷流入.700s時,火災(zāi)進入了熄滅階段,此時室內(nèi)溫度已下降至最高溫度的80%.火災(zāi)發(fā)展到890s時,室內(nèi)只剩下一些零星的火苗.

2.2 走廊寬度對煙氣運動的影響

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從前面對四川省幾所高校的統(tǒng)計數(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間點(此處定義600s)、相同外界條件下對火災(zāi)煙氣運動規(guī)律的影響.

2.2.1 寬度對火災(zāi)煙氣溫度的影響

圖4給出了同一時間點(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,在著火房間對應(yīng)走廊處,火災(zāi)煙氣溫度最高,當走廊寬度為1.6m時達到了800℃,當走廊寬度為1.8m時達到了700℃,當走廊寬度為2.0m時達到了780℃.沿著走廊遠離著火房間的方向,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 寬度對火災(zāi)煙氣能見度的影響

圖5給出了同一時間點(此處定義600s),火災(zāi)煙氣能見度在不同走廊寬度(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 不同走廊寬度能見度變化及分布圖

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

2.2.3 寬度對火災(zāi)煙氣中CO濃度的影響

圖6給出了同一時間點(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,也是唯一被證實造成火災(zāi)中大量死亡的氣體[8-9].當環(huán)境中CO含量達到或高于2000ppm(0.002mol/mol)時,人體必須進行疏散.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,這是因為走道末端出現(xiàn)煙氣回流的現(xiàn)象;走廊寬度為1.6m時CO濃度略高于1.8m和2.0m時CO濃度.三種情況下火災(zāi)煙氣中CO濃度都低于2000ppm.

2.2.4 寬度對火災(zāi)煙氣層高的影響

圖7給出了在600s時,火災(zāi)煙氣層高在三個不同走廊寬度的變化和分布曲線.其中,方框為1.6m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)

煙氣層高度過低,將影響人員疏散時的能見度,從而降低成功疏散的概率.當煙氣層高度低于人員呼吸處的高度時,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,這是因為煙氣在末端回流,造成局部煙氣層聚集的現(xiàn)象;若此時通風(fēng)條件良好,煙氣將沿著通風(fēng)口外溢,走道能見度將出現(xiàn)逐步增加的現(xiàn)象.

2.2.5 寬度對火災(zāi)煙氣中CO2濃度的影響

圖8給出了同一時間點(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,可燃物質(zhì)燃燒會消耗大量的O2進而產(chǎn)生大量的CO2.當空氣中CO2的體積比達到3%時,人體會出現(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的濃度才達到疏散條件.

3 結(jié)論

通過前面的實驗結(jié)果分析討論,可以得出:

(1)本文利用DFS仿真模擬軟件對10kw和15kw兩個不同起火源功率進行對比實驗:不同起火源功率下,房間達到轟燃的時間不同,起火源功率越大,房間達到轟燃時間越短.當起火源功率為15kw時,從走廊內(nèi)煙氣溫度變化和分布情況來看,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)從走廊寬度對煙氣的影響可以看出,三種寬度(1.6m、1.8m和2.0m)的走廊對煙氣層高、CO2濃度影響不大;在能見度和溫度方面,走廊越寬,能見度越大,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,走廊寬度選取1.7～1.9m.