火災煙氣對人員疏散影響的研究現狀及展望

張安琪

(青島科技大學 環境與安全工程學院，山東 青島 266000)

火災煙氣對人員疏散影響的研究現狀及展望

張安琪

(青島科技大學 環境與安全工程學院，山東 青島 266000)

隨著建筑高度的變化和風格作用的多樣化，建筑火災的發生越來越威脅人們的生命財產安全，而眾多事故中火災煙氣對人的安全疏散造成了極大的危害，研究煙氣的蔓延規律及其對人員疏散的影響成為國內外學者研究的重要課題。本文通過對國內外大量關于火災煙氣研究的文獻進行歸納分析，總結了國內外對于煙氣研究幾種重要研究手段的發展，并簡述了對煙氣蔓延及其成分研究重要進程。最后分析了對火災煙氣的發展趨勢和研究存在的問題。

火災煙氣；人員疏散；研究方式；運移規律

隨著我國經濟的飛速發展和科技的不斷進步，人們的工作和居住等建筑水平有了明顯的改善和提高，建筑的風格和類型也有了日新月異的變化，伴隨而來的是各種建筑發生的火災事故層出不窮，給人民帶來了嚴重的生命財產損失。據統計，2005 年我國共發生火災14.3萬起，火災造成了人員死亡2500人，受傷人員2508人，直接經濟損失達到了9.03億元[2]；2017 年我國共發生火災31.2萬起，火災造成人員死亡1582人,受傷1065人,直接經濟損失37.2億元。數據表明，我國城市社區火災發生起數呈明顯上升趨勢，尤其是高層建筑火災占相當比例[1]，火災造成的直接經濟損失也顯著增加。典型火災事故如：2004年2月15日，吉林省吉林市中百商廈發生特大火災事故，54人在事故中喪生，70多人受傷，過火面積達2040m2，直接經濟損失約426萬多元；2010年11月15日，上海膠州路一棟高層建筑發生特大火災事故，死亡58人[3]；2017年6月14日凌晨，位于肯辛頓-切爾西區的格倫費爾大樓突發大火，這座高24層的公寓樓幾乎燒成空殼，造成至少79人死亡。

不難看出，火災的發生威脅到了人們的生命安全，對人們造成了嚴重的生命財產損失。據統計資料表明,建筑火災中約75-85%的死亡是由煙氣導致的，根據美國對建筑火災中死亡人員的統計，其中85%是火災煙氣的危害所致，經過分析后確定CO與血紅蛋白的結合是導致人員死亡的主要原因。可見煙氣在火災中對人具有極大的危害性，因此對火災煙氣的研究具有極其重大的意義。

1 國內外研究現狀

隨著火災科學的發展，世界各地的專家學者們對火災煙氣的研究越發的深入，探究深度和方式都獲得了長足的進步，對火災煙氣有了更深入的了解，從而對火災的控制和人員疏散提供了有效的依據。

1.1 國內研究現狀

我國的科學家們對火災煙氣的研究已經取得了日新月異的成就，并在研究方式和研究內容上有了很大的創新性和實用性。麻柏坤，張人杰等人用鹽水模擬實驗的方法，對受限空間起火災時煙氣運動規律進行了探討，研究了建筑物內初起火災產生的煙羽流和頂蓬射流所誘發的空氣運動，得出了走廊煙氣速度受煙氣流量、密度和點源位置的影響，走廊頂棚煙氣的平衡厚度與煙氣體積生成率、密度和點源位置等有關。尤其值得提到的是他們研究了走廊中煙氣對空氣的卷吸作用，主要是通過走廊中清水的運動來顯示[4]。

公安部四川消防研究所蘭彬等人對地下商業街實體模型中不同送風、排煙方式下煙氣流速規律和特性進行了分析研究[5]；董華等人在中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室比例為1:2的五層模型樓內進行了煙氣從通道向中庭擴散的實驗研究，實驗的主要儀器采用雙向風速管和微壓傳感器組成的速度測量系統來測量煙氣的運動速度;姜馮輝等人同樣在五層模型樓中做了雙室火災煙氣特性的實驗研究[6];霍然等人構建的房間和走廊直線相連的模型，研究了突然進風對室內火災的影響，主要研究的是室內和房間的煙氣層的溫度場[7]。

目前國內學者對于火災中煙氣致死者大多數位于離火源位置較遠處，即火災中煙氣的遷移規律的研究(主要研究CO的遷移)還剛剛開始，其中代表性的成果有，黃銳根據大量的實驗和理論分析所推導出的在典型的側間-走廊建筑結構中，紙張在火源房間的燃燒的失重速率公式和在走廊中遠距離點處的濃度變化公式，這兩個公式和實驗數據吻合較好，其中的各參量均具有相應的物理意義。同時，馮文興對火災煙氣和環境之間的作用進行了探索性的研究[8]。

值得注意的是，隨著計算機的發展和科學的不斷進步，計算機模擬逐漸成為火災煙氣研究的重要工具。傅祝滿和范維澄對建筑火災的區域模擬(Zone Modeling)方法開展了早期工作，而陳曉軍等[9]則發展了多區域模型來預測單個房間中的垂直溫度分布，改進了燃燒模型、流體流動模型和熱傳遞模型；姚建達和范維澄[10]發展了煙氣運動場模擬方法(Field Modeling)并建立了三維數理模型，進而發展了一種體積守恒修正壓力的 場 區 網 數 值 方 法 (Field-Zone-Net Modeling)。楊銳等[11]則結合大渦模擬技術發展了新的火災過程場區模擬程序。

在近幾年的研究中，火災煙氣的成分及其蔓延規律逐漸被探究出來。火災中煙霧成為人員疏散的致命物質，為此深入研究火災煙霧特性，成為地鐵火災安全疏散研究的重點之一，其研究的主要焦點集中在煙霧熱釋放率及蔓延速度和方向上。楊君濤、楊昀等人[12]在研究火源位置對樓梯口處煙氣速度的影響中，對火災熱源熱釋放率做了一定研究，并與實驗結果進行對比分析，驗證了數據模擬的有效性。對煙霧熱釋放率的研究主要在一維或者二維空間對火災的煙霧情況進行模擬，不能直接反映出火災煙霧熱量在地鐵站內的分布情況。

1.2 國外的相關研究

在國外，研究者的研究集中在對室內煙氣的生成機理的研究，主要是CO的生成機理。如美國的Tewarson在1984年通過GER(global equivalance ration)來預測CO的生成，并生成模型[13]。Pitts在1994年又進行了模型的算法修正，使其具有更普遍性[14]。

隨著火災事故的頻繁發生，煙氣的運移過程及其變化規律在近幾十年內逐漸引起學者們的關注。1986年，Fardell[15]等人通過研究在通風受限的情況下全尺寸的房間-走廊模型，得到從走廊末端及火源房間中收集到的煙氣產物的濃度，發現從火源房間流進走廊中的煙氣在干燥后其CO含量達到3.5%～4.0%；1987年，Heskestad和Hill[16]研究了在火源附近的煙氣的溫度場、煙氣層厚度等，并對高濃度的CO從火源房間向遠離處的目標房間的傳播進行了驗證。

Ewens[17]在火災煙氣的運移規律的探究中做了大量的工作。1994年，他提出利用GER預測走廊排出的氣體中CO的生成量，并在Gottuk使用的火源間的基礎上構建了房間-走廊(走廊中有充足的氧氣供應)的典型建筑結構。他在實驗中觀察了房間中的燃燒向走廊中擴展，也發現了走廊遠端處的回燃現象，并且說明了走廊遠端的回燃降低了CO濃度。同時，Ewens在沿著走廊長度方向進行取樣分析，發現UHC的濃度降低比CO快。

此外，Brian[18]等人在Ewens等人研究的基礎上，同樣構建了典型的側間-走廓的建筑結構，重點揭示高濃度的CO是如何遷移到離火源遠距離的位置。通過研究發現，CO遷移到遠距離處的程度主要取決于從火源房間進入走廊中的高溫煙氣的化學組分、從火源房間進入走廊中的煙氣對氧氣的卷吸量、從火源房間進入走廊中的煙氣的熱損失，同時發現對遠距離處的CO濃度影響的決定因素主要是火源房間中的化學當量比以及是否在遠距離處存在回燃。

另外還發現，將火源房間設置在走廊的側面，走廊中煙氣的流動機理主要是三維的，在走廊中煙氣濃度均勻之前，遠離火源房間的一側要比靠近火源房間一側的濃度水平一直要高，而在煙氣從火源房間開口剛流入走廊時，兩者濃度水平相差一倍多。所以在遠離火源房間一側的死者反而多。研究者還發現，上層煙氣層的厚度基本上和燃料的種類無關。

此外，Kang等人證實煙霧流動方向和逃生方向是重合的，而Manabu Tsukahara等人得出結論煙霧沿水平流動的速度為0.5～1.0m/s，垂直方向速度為3.0～5.0 m /s，煙霧向上攀爬的速度比人員向上疏散的速度要快[19]。RanGao等人利用LES(Large Eddy Simulation)針對中國西安大型地鐵站進行仿真實驗，發現火災發生后大部分的煙會蔓延到天窗的頂部。RanGao等人研究了煙霧在6種火災情景下的傳播，借鑒Qin等人的煙霧垂直方向上的溫度值，發現煙霧在水平方向上傳播越遠，煙霧會遇到越多的天花板通風口，排出煙霧的數量將會增加，而這些通風口可以有效地控制煙霧在水平方向上產生的擴散。Yang等人[20]利用FDS+ Evac研究地鐵站火災熱源對疏散的影響，認為火源點、疏散人員所處的位置、通風條件和材料性能對于緊急疏散有很大的影響。

2 結論與展望

根據對國內外關于火災煙氣的研究現狀的總結分析，我們可以看出近幾十年來科學家們對于火災煙氣的研究逐步深入，由理論猜測到全尺寸模型和實驗類比，再到如今的計算機模擬結算，其研究方法和方向呈現更加數字化、高效化和細致化，這些都對火災的研究和人員疏散有著極其重要的幫助。

但科學的研究是無止境的，對于火災煙氣對人員疏散的影響的研究依然還有許多問題值得我們去研究，筆者認為我們可以在一下幾方面繼續深入研究：

(1)探究多因素耦合對火災煙氣的復合影響，掌握火災煙氣在耦合因素作用下的產生、運動和聚集規律，以及在外界因素擾動下的變化趨勢；

(2)探究特殊建筑、超標準建筑物以及地下建筑物等建筑物在火災時的煙氣蔓延規律，為人員的安全疏散提供理論依據。

此外，在對火災煙氣的研究過程中，我們應響應時代的進步和科技的發展，不斷探索更新、更高效、更科學的研究工具和方法，從而更好地探究火災煙氣的奧秘，更大程度上減少火災煙氣對人們生命財產的危害。

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ResearchStatusandProspectsoftheImpactofFireSmokeonPersonnelEvacuation

ZhangAnqi

(School of Environmental and Safety Engineering,Qingdao University of Science & Technology,Qingdao 266000,China)

As the change of building height and style diversification,the happening of building fire threat to people's life and property safety more and more seriously,and fire smoke in numerous accidents caused great harm to people safety evacuation,studying the spread regularity of smoke and its influence on evacuation have become an important hot topic in the field of domestic and foreign scholars.In this paper,a large number of both home and abroad in the research of fire smoke was summarized,the domestic and foreign research development of several important research techniques for flue gas was summarized,and the spread of smoke and its components important process was briefly described.Finally,the development trend and research problems of fire flue gas were analyzed.

fire smoke;personnel evacuation;research methods;migration regularity

2017-09-28

張安琪(1992—)，女，遼寧阜新人，研究生，主要從事化工過程安全研究。

X932

A

1008-021X(2017)22-0049-02

(本文文獻格式：張安琪.火災煙氣對人員疏散影響的研究現狀及展望[J].山東化工，2017，46(22)：49-50,55.)