樓體火災逃生最優路徑數值試驗研究

李 鐵 王 寧* 朱 琳

(1.北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083； 2.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083)

樓體火災逃生最優路徑數值試驗研究

李 鐵1，2王 寧1，2*朱 琳1，2

(1.北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083； 2.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083)

為探索人員密集的大型公建火災科學逃生機理，選擇“L”形寫字樓標準樓層為例，采用CFD計算軟件FLUENT，設定了四種逃生出口開啟條件，開展數值仿真試驗研究，通過分析發現：不同逃生出口條件會導致逃生路徑適宜程度有較大差異；高溫和煙氣聚集區位置出現在風阻最小的走廊一側，沿壁逃生可能加重傷害；最短的逃生路徑不一定是最優的逃生路徑；FLUENT軟件能較好地模擬相對密閉空間的火災溫度場和煙氣場。

火災，溫度場，煙氣場，逃生路徑，FLUENT

0 引言

公共建筑是人員高度密集場所，科學合理地逃生疏散對于減少乃至避免人員傷亡至關重要[1]。

火災過程十分復雜，本文采用基于場模型的流體力學與傳熱分析軟件FLUENT[2，3]，以一幢“L”形寫字樓為例，仿真模擬標準樓層內的溫度場，并運用流線形式直觀表現煙氣在樓宇內的擴散[4-6]。比較開啟不同逃生出口狀態下的溫度和煙氣場變化規律，以期為人員密集公共建筑的火災逃生疏散提供最優路徑參考。

1 溫度場數值試驗的理論基礎與模型

1.1 場模擬

經驗模擬、半物理模擬以及物理模擬是火災的計算機模擬的3個層次，而各種不同的火災過程都是基于場模擬形成的理論基礎。場模擬將需要分析的空間劃分成多個計算單元網格，建立方程組并進行計算[7]。

三維空間控制火災的微分方程為[8，9]：

(1)

其中,ρ為流體密度；Φ為任一變量；ui為脈動速度；ΓΦ為變量Φ的擴散系數；SΦ為變量的源項；t為單位時間。

1.2 簡化數值試驗模型

在本次的數值試驗中為了使較為復雜的火災溫度場問題在現有理論以及技術條件下得到基本合理的解決，我們進行了如下簡化假設：

1)忽略了由流體黏性力做功所引起的耗散熱；并且認為室內氣體是低速流動，視室內氣體為不可壓縮流體。

2)由于火災所產生的煙流視為多組分理想氣體，并且有關風流及煙流遵循理想氣體狀態方程。

1.3 模型建立

用ANSYS內嵌的CFD計算軟件FLUENT，模擬樓體內標準層的溫度場，針對試驗對象情況進行如下主要參數的設置：

1)樓體所選用的結構是鋼筋混凝土結構，而混凝土的主要化學成分為碳酸鈣(CaCO3)，碳酸鈣所具備的其中一點性質是它的熱工參數是伴隨著溫度和時間的變化而變化的，那么在FLUENT軟件中就選擇基于壓力的3D非穩態隱式求解器作為該模型的求解方式。

2)燃燒的過程中，屬于湍流過程，針對這一過程選取經典湍流模型k—ε標準方程模型進行數值模擬[10]。

3)建立的L形模型，根據常見樓宇和建筑消防設計規范設定出口位置，共設東向、北向以及中部電梯井處的樓梯共三個出口。

1.4 模擬條件

數值模型選用平面形狀相對復雜而常見的L形樓體內標準層作為試驗對象，該試驗樓體東西方向長度50 m，寬度15 m；南北方向長度20 m，寬度15 m；走廊寬度均為3 m；中部轉角處有一35 m2的電梯井。全樓層設有正北側、正東側和電梯井附近三個步梯出口，并各自安裝有消防門，正北、正東側出口設窗與樓外空氣溝通。配電室位于電梯井北側，是該樓層的潛在火災源。具體分布見圖1。

數值試驗模擬配電室起火后，分別開啟電梯井處與正北方向逃生出口、電梯井處與正東方向逃生出口、正東方向與正北方向逃生出口，整個起火樓層溫度場的分布規律以及煙氣擴散的趨勢，由此確定樓宇較為合理的火災逃生出口和逃生路徑。

對高溫下材料力學性能的研究表明，在高溫作用下，鋼筋和混凝土的力學性能隨之會發生變化，表現為鋼筋和混凝土強度和剛度會隨著溫度的升高而降低，鋼到873 K時基本喪失承載強度。所以我們在建立模型的過程中考慮到了最不利情況。設定樓層內流場溫度為303 K，壁面和底面溫度均為常溫300 K[11]。

2 數值試驗結果分析

2.1 溫度場模擬

設定配電室起火后，開啟不同逃生出口條件下，溫度場數值試驗結果及分布規律如下。

2.1.1 逃生條件-1

同時開啟電梯井處和正北方向逃生出口，樓層溫度場分布如圖2所示。在電梯井處出口形成一個相對低溫渦流，而在南北向走廊近壁區域形成一個高溫區，溫度高于通道中部16.33%。比較兩個逃生通道，沿電梯井處出口逃生路徑相對有利。

2.1.2 逃生條件-2

同時開啟正東方向以及電梯井處逃生出口，樓層溫度場分布如圖3所示。距起火點最近的電梯井處出口附近產生一個溫度相對較低的渦流，但電梯井附近的東西向走廊近壁處形成一個高溫區，是電梯井處出口逃生路徑上的障礙。東西向溫度比較均勻。比較之下，東西向走廊和正東出口是可選的逃生路徑。

2.1.3 逃生條件-3

同時開啟正東方向以及正北方向逃生出口，樓層溫度場分布如圖4所示。南北向走廊溫度相對高于東西向走廊，且在南北向走廊近壁區域形成一個高溫區，東西向走廊和正東出口是較好的逃生路徑。最短的逃生路徑不是最優的逃生路徑。

2.2 煙氣擴散場模擬

針對上節三種逃生出口開啟條件，開展火災產生的煙氣擴散速度以及擴散趨勢數值試驗，分析適宜的逃生通道，試驗結果如下。

2.2.1 煙氣擴散條件-1

同時開啟電梯井處和正北方向逃生出口，數值試驗結果如圖5所示。未開口的東西向走廊和701室外廊內煙氣擴散速度很慢，不宜選擇為逃生通道。而近電梯井出口煙氣擴散速度較快，相對適合逃生。

2.2.2 煙氣擴散條件-2

同時開啟正東向及近電梯井處出口，數值試驗結果如圖6所示。未開口的南北向走廊和701室外廊內煙氣擴散速度很慢，煙氣聚集。東西向走廊和電梯井處出口煙氣擴散速度相對較大，最有利于煙氣擴散，這兩個出口和路徑均適合逃生。

2.2.3 煙氣擴散條件-3

同時開啟正東與正北出口時，數值試驗結果如圖7所示。未開口的電梯井處出口和701室外廊內煙氣擴散速度很慢，南北向走廊東側近避煙氣擴散速度均很慢，有煙霧聚集。東西向走廊煙氣擴散速度較快，沿東西向走廊和出口相對適合逃生。最短的逃生路徑不是最優的逃生路徑。

2.3 溫度與煙氣場綜合分析

1)開啟不同的逃生出口，L形樓層內溫度場及煙氣擴散情況有很大差異，導致各逃生路徑并非都適宜逃生，四種逃生條件的最優逃生路徑綜合判定結果見表1。

表1 最優逃生路徑綜合判定一覽表

2)四種逃生條件均出現火場局部沿壁溫度異常增高區，近壁高溫區出現的位置與逃生開口有關：當開啟一側走廊開口和電梯井處開口時，近壁高溫區位置出現在開啟出口的走廊一側；當開啟一側走廊開口時，近壁高溫區位置出現在較短走廊一側；當開啟全部三個開口時，近壁高溫區位置出現在較短走廊一側。由此判定，近壁高溫區位置出現在風阻最小的走廊一側。

3)走廊近壁高溫區對面墻壁，通常是煙氣低速擴散區，因此，這兩個因素造成逃生通道上的逃生障礙。

3 結語

1)FLUENT軟件可以較好地模擬相對密閉空間的火災溫度場和煙氣場。

2)選取四種不同的逃生出口開啟方式，對比分析結果表明，不同逃生出口條件會導致逃生路徑適宜程度有較大差異。

3)火場局部沿壁溫度異常增高和煙氣聚集，高溫和煙氣聚集區位置出現在風阻最小的走廊一側。沿壁逃生可能加重傷害，火場逃生應引起高度關注。

4)最短的逃生路徑不一定是最優的逃生路徑，關鍵要看逃生路徑上阻礙逃生的因素。

5)試驗沒有考慮逃生出口打開時風流的影響，如外部有正北或正東向風涌入則會加重火災。

[1] 吳 鑫，趙瑞華.我國公共安全現狀、挑戰及對策[J].公共安全，2004(6)：8-9.

[2] 范維澄，孫金華，陸守香.火災危險評估方法學[M].北京：科學出版社,2004.

[3] 陳 莉，袁理明，范維澄.建筑火災評估及雙重性分析[J].火災科學，1996(9)：26.

[4] 王 振，劉 茂.應用區間層次分析法(IAHP)研究高層建筑火災安全因素[J].安全與環境學報，2006，6(l)：12-15.

[5] 王 楷，劉志剛.大型建筑火災煙氣流動與控制研究[J].建筑防火設計，2014(27)：96-98.

[6] 劉曉平.高大空間建筑火災性能化設計中的數值模擬[D].北京：中國科技大學，2005.

[7] 范維澄，王清安，張人杰，等.火災科學導論[M].武漢：湖北科技出版社，1993.

[8] 范維澄，陳義良，洪茂玲.計算燃燒學[M].合肥：安徽科技出版社，1987：7-22.

[9] 陶文銓.數值傳熱學[M].西安：西安交通大學出版社，2001：1-24.

[10] 韓占中，王 敏，蘭小平.Fluent流體工程仿真計算實例與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2008.

[11] Zhao Jincheng, Shen Zuyan. Nonlinear analysis of the overall behavior of steel frames under localized fire conditions[J]. Journal of Building Structures,1997,18(4)：68.

Numerical tests on the fire escape optimal path of body building

Li Tie1，2Wang Ning1，2*Zhu Lin1，2

(1.StateKeyLaboratoryofHigh-efficiencyMiningandSafetyofMetalMines,MinistryofEducation,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China；2.SchoolofCivilandEnvironmentEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

In order to explore the escape mechanism science of personnel intensive large-scale public buildings crowded fire, we chose a “L” shaped standard office floors for simulation test. In this test we have set four different conditions of export and use the CFD calculation software FLUENT, found that： the different exits conditions lead to the different of suitability degree in escape route. The high temperature and the zone of gas accumulation are appeared the floor which the windage is least, and the shortest path is not necessarily the best. Last of all, the FLUENT software proves to be useful to simulate the relatively closed space fire temperature field and secondary gas diffusion.

fire, temperature field, secondary gas diffusion, escape route, FLUENT

2015-08-23

李 鐵(1961- )，男，博士，教授； 朱 琳(1989- )，女，在讀碩士

王 寧(1990- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)31-0227-03

TU998.1

A