風(fēng)向?qū)Ω邔幼≌馂?zāi)煙氣流動(dòng)的影響

鄒 濤，李曉虹，吳 際

(西華大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610039)

1 概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城市化水平不斷提高，導(dǎo)致城市居住用地越發(fā)緊張，為了滿足更多人口居住需求，高層住宅近年來迅速發(fā)展。一方面，高層住宅作為社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的產(chǎn)物，能夠更高效率的利用土地空間，同時(shí)由于居住環(huán)境視野更加開闊，使得居住舒適性得到了提升。另一方面，高層住宅具有建筑體量大、建筑高度高、層數(shù)多、電氣管路復(fù)雜、人員構(gòu)成復(fù)雜等特點(diǎn)，因此相比于多層住宅，高層住宅發(fā)生火災(zāi)的概率更大，且一旦發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)煙氣會(huì)嚴(yán)重危害住宅內(nèi)人員的生命安全。火災(zāi)煙氣對(duì)人體的危害主要來源于四個(gè)方面：

1)毒害性。可燃物燃燒產(chǎn)生的煙氣中含有大量的有害物質(zhì)，如CO，CO2，SO2，氮氧化物以及可吸入顆粒物等，人體吸入過量的有害物質(zhì)后會(huì)造成頭痛等不良反應(yīng)，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致窒息。

2)高溫性。火災(zāi)煙氣的溫度一般能達(dá)到上百攝氏度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人體能夠承受的極限溫度，會(huì)灼傷人體皮膚。

3)減光性。火災(zāi)煙氣蔓延迅速，煙氣會(huì)吸收周圍光線，降低能見度，造成人體視線受阻，無法辨別逃生出口的方向。

4)心理壓力。火災(zāi)發(fā)生會(huì)帶來很大的心理壓力，往往因?yàn)榛艁y導(dǎo)致不能做出正確的逃生選擇，造成人員疏散困難。因此如何有效地減緩火災(zāi)煙氣通過安全通道蔓延，成為目前學(xué)者們研究的重點(diǎn)。

風(fēng)作為一種空氣流動(dòng)引起的自然現(xiàn)象，為火災(zāi)反應(yīng)提供更多的氧氣，加速可燃物內(nèi)部水分蒸發(fā)，同時(shí)會(huì)吹動(dòng)已經(jīng)點(diǎn)燃的可燃物到其他可燃物上，造成火勢(shì)蔓延和煙氣擴(kuò)散更加迅速，因此減弱風(fēng)對(duì)于高層建筑火勢(shì)蔓延及煙氣流動(dòng)的影響就顯得尤為重要。夏樂天等[1]以某15層辦公樓為研究對(duì)象，采用FDS軟件分析了室外風(fēng)在不同風(fēng)速下的火災(zāi)煙氣流動(dòng)規(guī)律，結(jié)果表明風(fēng)速越大，著火房間外開口中性面越大。史健勇等[2]以高層住宅外墻為研究對(duì)象，采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法，分析了不同風(fēng)速對(duì)高層住宅外墻火災(zāi)煙氣發(fā)展的影響，結(jié)果表明隨著風(fēng)速增大，熱釋放速率增大，風(fēng)速對(duì)外墻火災(zāi)煙氣發(fā)展起著顯著作用。侯龍飛等[3]應(yīng)用FDS軟件，探究了風(fēng)速對(duì)高層建筑火災(zāi)煙氣特性的影響，結(jié)果表明風(fēng)速越大，各煙氣特性數(shù)值越大。尹越等[4]使用數(shù)值模擬方法，研究了風(fēng)速對(duì)高層住宅凹型外墻煙氣擴(kuò)散的影響，為高層住宅凹型外墻的設(shè)計(jì)提供了一些理論參考。

綜上所述，在以往建筑火災(zāi)煙氣蔓延和人員應(yīng)急疏散研究中，研究人員多采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法，多為研究風(fēng)速對(duì)室內(nèi)外火災(zāi)煙氣流動(dòng)的影響，較少有系統(tǒng)分析風(fēng)向?qū)κ覂?nèi)火災(zāi)煙氣流動(dòng)影響的研究。因此本文以成都地區(qū)某高層住宅為研究對(duì)象，應(yīng)用PyroSim軟件進(jìn)行數(shù)值模擬的方法，探究不同風(fēng)向?qū)τ诟邔幼≌覂?nèi)火災(zāi)煙氣流動(dòng)的影響，對(duì)于高層住宅消防安全設(shè)計(jì)及人員安全逃生具有重要意義。

2 模型建立

2.1 模擬軟件簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)主流的火災(zāi)模擬軟件是FDS，F(xiàn)DS雖然應(yīng)用廣泛，但是該軟件建模過程相對(duì)復(fù)雜，需要一定的編程基礎(chǔ)，輸入各種指令用于建模，不易學(xué)習(xí)。因此本文使用PyroSim軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，該軟件是基于FDS發(fā)展起來的，在FDS基礎(chǔ)上加入了一個(gè)圖形用戶界面，最大的優(yōu)點(diǎn)是將火災(zāi)模擬過程可視化。它對(duì)于火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)過程能夠較為準(zhǔn)確的進(jìn)行模擬，同時(shí)可測(cè)量火場(chǎng)溫度、有害氣體濃度、能見度等參數(shù)，且更加易于學(xué)習(xí)，因此目前廣泛應(yīng)用于火災(zāi)消防設(shè)計(jì)等相關(guān)領(lǐng)域。

PyroSim軟件建立火災(zāi)模型的步驟一般為：1)新建文件并保存；2)根據(jù)精度需要?jiǎng)?chuàng)建網(wǎng)格；3)導(dǎo)入需要的材料，定義反應(yīng)類型；4)創(chuàng)建需要的表面類型并定義其屬性；5)根據(jù)建筑圖構(gòu)建實(shí)體模型；6)創(chuàng)建地板、孔洞、通風(fēng)口；7)創(chuàng)建探測(cè)裝置和切片；8)設(shè)置模擬運(yùn)行參數(shù)；9)檢查模型；10)運(yùn)行FDS；11)得到smoke view可視化窗口運(yùn)行結(jié)果；12)提取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

2.2 模型假設(shè)

為了使火災(zāi)模擬準(zhǔn)確的同時(shí)簡(jiǎn)化物理模型，本文進(jìn)行了以下假設(shè)：

1)風(fēng)向?qū)嶋H上由于空氣擾動(dòng)一直處于變化之中，為了更好的研究風(fēng)向?qū)煔饬鲃?dòng)的影響，假設(shè)整個(gè)模擬過程中風(fēng)向是穩(wěn)定的；

2)實(shí)際燃燒過程極其復(fù)雜，為簡(jiǎn)化燃燒模型，選用場(chǎng)模型進(jìn)行模擬研究；

3)由于僅研究風(fēng)向?qū)煔饬鲃?dòng)的影響，因此假設(shè)其他氣象條件是固定值。

2.3 參數(shù)設(shè)置

本文研究對(duì)象為成都市某高層住宅。該住宅共兩部電梯，每層共六戶住戶，共三種戶型，分為A,B,C三種，建筑層高3 m，層數(shù)20層，建筑高度60 m，占地面積482.19 m2。

對(duì)于計(jì)算網(wǎng)格的確定，從理論上來講，計(jì)算網(wǎng)格劃分得越精細(xì)，計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確，但是相應(yīng)會(huì)增加模型計(jì)算的時(shí)間，因此為了保證計(jì)算準(zhǔn)確的同時(shí)，減少計(jì)算時(shí)間，選擇單位網(wǎng)格為0.5 m×0.5 m×0.5 m，網(wǎng)格總數(shù)為91 800個(gè)。根據(jù)建筑圖在PyroSim中建立模型，假定起火位置位于第10層C戶型客廳沙發(fā)處。由于燃燒物主要是聚氨酯和木材，且火災(zāi)發(fā)展過程是非穩(wěn)態(tài)的，因此使用快速t2火來描述火災(zāi)發(fā)展過程是相對(duì)準(zhǔn)確的。GB 51251—2017建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[5]中對(duì)于不同場(chǎng)所火源最大熱釋放量給出了參考值，其中不帶噴淋的客房最大熱釋放量為6 MW，因此將火源最大熱釋放量定為6 MW，假定火源尺寸為0.5 m×0.5 m，因此火源最大功率為24 MW/m2。由GB 50736—2012民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[6]確定成都地區(qū)環(huán)境溫度16.1 ℃，相對(duì)濕度84%，室外大氣壓94 970 Pa，風(fēng)速2 m/s。在住戶門口距離地面1.7 m高處設(shè)置能見度探測(cè)器(Visibility)，用于監(jiān)測(cè)煙氣流動(dòng)至住戶門外所用時(shí)間，方便后續(xù)結(jié)果分析。保持其他所有條件不變，根據(jù)風(fēng)向設(shè)置八種不同的工況，分別為北風(fēng)(0°)、東北風(fēng)(45°)、東風(fēng)(90°)、東南風(fēng)(135°)、南風(fēng)(180°)、西南風(fēng)(225°)、西風(fēng)(270°)和西北風(fēng)(315°)，模擬時(shí)間定為500 s。

建立的火災(zāi)模型平面圖如圖1所示。

3 模擬結(jié)果分析

火災(zāi)發(fā)生后產(chǎn)生的大量煙氣具有很強(qiáng)的減光性，隨著煙氣的不斷流動(dòng)會(huì)使得室內(nèi)能見度不斷降低，導(dǎo)致人員疏散受到影響。對(duì)于商場(chǎng)等大空間建筑，最小可視范圍為10 m，而對(duì)于住宅等一般建筑物，最小可視范圍為5 m，當(dāng)可視范圍小于5 m時(shí)，煙氣會(huì)嚴(yán)重影響人員對(duì)于安全出口的辨認(rèn)，使得人員疏散更困難，進(jìn)而對(duì)人員生命安全造成威脅。因此本文以住戶門口距地高度1.7 m處能見度降低到5 m作為煙氣擴(kuò)散到住戶外的臨界點(diǎn)(見圖2)。

由圖2可知，從測(cè)點(diǎn)整體能見度隨時(shí)間變化趨勢(shì)上看，火災(zāi)初期由于可燃物未充分燃燒，產(chǎn)生的煙氣較少，因此火災(zāi)初期測(cè)點(diǎn)能見度變化不明顯，但隨著可燃物持續(xù)燃燒，同時(shí)在風(fēng)的助燃作用下，火勢(shì)迅速蔓延，煙氣迅速擴(kuò)散，在極短的時(shí)間內(nèi)測(cè)點(diǎn)能見度下降到5 m，其中西南風(fēng)、東風(fēng)、東南風(fēng)、南風(fēng)整體能見度隨時(shí)間變化趨勢(shì)相近，西北風(fēng)、西風(fēng)、北風(fēng)整體變化趨勢(shì)相近，東北風(fēng)整體變化趨勢(shì)明顯區(qū)別于其他風(fēng)向。測(cè)點(diǎn)能見度降低到5 m所用時(shí)間由短到長(zhǎng)依次為：西南風(fēng)<東風(fēng)<東南風(fēng)<南風(fēng)<東北風(fēng)<北風(fēng)<西風(fēng)<西北風(fēng)，其中西南風(fēng)所用時(shí)間最短，為41.5 s，西北風(fēng)所用時(shí)間最長(zhǎng)，為113.5 s。

4 結(jié)論

本文使用PyroSim軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，探究風(fēng)向?qū)Τ啥嫉貐^(qū)高層住宅室內(nèi)火災(zāi)煙氣流動(dòng)的影響，得到的主要結(jié)論如下:

1)在只改變風(fēng)向，不改變其他條件的情況下，在火災(zāi)初期可燃物燃燒不充分時(shí)，煙氣擴(kuò)散速度不快，隨著可燃物繼續(xù)燃燒，煙氣會(huì)快速擴(kuò)散，此時(shí)對(duì)于人員逃生產(chǎn)生很大阻礙，因此火災(zāi)初期不僅是火災(zāi)撲救的最佳時(shí)機(jī)，也是人員逃生的最佳時(shí)機(jī)。

2)所有風(fēng)向中，西南風(fēng)能見度降低到5 m所用時(shí)間最短(41.5 s)，而西北風(fēng)所用時(shí)間最長(zhǎng)(113.5 s)，表明在成都地區(qū)西南風(fēng)對(duì)煙氣流動(dòng)影響最大，西北風(fēng)影響最小。從能見度降低到5 m所用時(shí)間可以看出，南風(fēng)相較于北風(fēng)，對(duì)煙氣流動(dòng)影響更大；東風(fēng)相較于西風(fēng)，影響更大。

高層住宅發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員需要在短時(shí)間內(nèi)撤離到住戶外，以減少煙氣對(duì)于人員疏散的影響。由于南向風(fēng)和東向風(fēng)對(duì)于成都地區(qū)高層住宅火災(zāi)煙氣流動(dòng)影響更大，因此可通過在南向和東向窗戶適當(dāng)減小窗戶開窗面積、貼防風(fēng)條、加裝厚窗簾等措施減少南向風(fēng)和東向風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)，減弱南向風(fēng)和東向風(fēng)對(duì)煙氣流動(dòng)的影響，為人員爭(zhēng)取更多的逃生時(shí)間，以減少高層住宅火災(zāi)的人員傷亡。