高校宿舍走廊宽度对火灾烟气流动性影响的数值模拟.pdf

高校宿舍走廊宽度对火灾烟气流动性影响的数值模拟张宇金(四川职业技术学院 建筑工程学院四川 遂宁)摘要:利用 数值模拟软件建立不同走廊宽度的三组全尺寸高校宿舍标准层模型对其进行火灾动态模拟主要测量了火灾过程中的烟气温度、浓度、能见度、烟气层的高度和烟气中 浓度等参数并对模拟结果进行了分析.结果表明:火灾发生后烟气在短时间内开始聚集迅速向走道两端开始蔓延出现在走道两端烟气中各参数值高于中间区域的现象不同走廊宽度对烟气层高、浓度的影响不大在能见度和温度方面走廊越宽能见度越大烟气温度越低在 浓度方面在相同高度处走廊越宽 浓度反而越大.综合这些因素在新建宿舍时建议走廊宽度选取为.关键词:火灾动态模拟能见度人员疏散中图分类号:.文献标志码:文章编号:()收稿日期:基金项目:四川省教育厅自然科学项目“基于 火灾模拟软件对消防通道设计的研究”()作者简介:张宇金()男四川简阳人讲师硕士研究方向为建筑防火设计、火灾烟气运动规律和灭火技术.():.:随着我国社会主义市场经济体制和政治体制的不断完善和发展我国进入了社会主义现代化发展的新时期接受各类高等教育的人群不断扩大.高校的扩招一方面满足了人们对先进文化的需求另一方面带来的消防安全问题也引起了大家的广泛关注.高等院校宿舍人口密度大火灾荷载较多再加上一些学生安全意识淡薄这给学生的生命和财产安全带来了极大的威胁.第 卷第 期四川职业技术学院学报 年.火灾产生的烟气颗粒物使烟气具有很强的遮光性且火灾烟气的温度较高因而烟气成为火灾中人员安全的最大威胁.火灾时标准层人员疏散逃生的唯一路径就是通过走廊到安全出口.走廊的宽度不仅影响人员疏散的速度同时也影响着烟气的运动.因此研究走廊宽度对烟气运动的影响就显得尤为重要可以为火灾时人员的疏散逃生和高校宿舍结构的优化等提供指导性意见.实验设置.模拟软件介绍()是由美国国家标准研究所()的建筑与火灾研究实验室()合作共同研究开发的一款基于场模型的计算流体动力学软件.模型的程序是开放的而且该模型经过了大型及全尺寸火灾实验的验证其准确性得到了大量试验的验证因此在建筑火灾研究中得到了广泛应用.进行 模拟能够得到一系列的输出量这些输出量包括固体参数、气体参数和全局参数.首先较为全面地考虑到了火灾烟气运动的每一个过程再对实际的工程进行设计以保证如果火灾一旦发生烟雾能够保持在一定的高度之上有毒有害气体的浓度在一定的范围内以至于不会威胁到人员疏散.有 两 种 数 值 模 拟 方 法 即 直 接 模 拟()和大涡模拟().直接数值模拟()是通过直接求解三维瞬态方程 并对浓度场、温度场和流场内的所有空间尺度和时间尺度进行精确的描述此方法不用引入任何湍流模型就可以得到较为精确的结果.数值计算方法 中用于进行控制方程离散化的方法主要有两 种 即 有 限 体 积 法()和 有 限 差 分 法().有限体积法的基本思路是将计算域分为很多独立的控制体积并使得所有网格点的周围都有一个控制体通过将待解微分方程对每一个控制体积进行积分以得出一组离散方程.有限差分法把控制方程中的导数用 级数方法进行展开.其中 级数展开方法的基本差分表达式有四种:一阶向前差分、一阶向后差分、一阶中心差分和二阶中心差分这四种表达式的前两种格式为一阶计算精度后两种格式为二阶计算精度.模拟流程运用 对火灾模拟的基本过程如图 所示.图 模拟流程.火灾场景设定本文研究的是宿舍走廊火灾烟气运动规律参照了四川省内多所高校宿舍走廊的实际尺寸大小和整体布局.高校宿舍大致分为箱型、环形和套间.其中绝大多数高校为箱型结构且宿舍走廊的长度集中在 宿舍走廊的宽度多为.、.和.宿舍走廊的高度多为.、.和.所以本文参照上面的统计建立了宿舍标准层(第二层)全尺寸模型走廊的长度确定为 走廊的宽度有.、.和.三个值走廊的高度为.分别进行对比分析.通过对三种不同走廊宽度并分别在.、.和.高度处布置测点进行对比实验研究火灾时烟气温度、浓度、能见度、烟气层的高度、烟气中 浓度和烟气中 浓度等参数特效从而确定一个最优宽度.其平面图如图 所示.宿舍以走廊为界分为两边.左边(宿舍号为奇数)共 间宿舍并在 宿舍和 宿舍之间设置有楼梯间及其前室 在 宿舍和 宿舍之间设置有楼梯间及其前室 右边(宿舍号为偶数)共 间宿舍.实验中选择最不利点宿舍作为着火房间即平面图中 宿舍.其中宿舍宽度为 长度为.本文的热释放速率是根据其他学者的研究和结合宿舍模型的实际情况确定火灾初张宇金高校宿舍走廊宽度对火灾烟气流动性影响的数值模拟期引 火 源 的 (单 位 面 积 释 热 率)为/和/表面积为.进而求出引火源功率为 和 进行房间轰燃实验火源起火后再引燃室内其他一些可燃物再对引火源功率为 进行烟气蔓延速度影响研究.根据建筑防火设计规范可知建筑内长度大于 的疏散走道应设置排烟设施本文主要研究最不利状态下宿舍走廊宽度对烟气运动影响的研究所以未设置任何排烟设施.有关排烟设施对结果的影响分析将在今后作进一步研究.图 学生宿舍平面图结果与讨论.着火宿舍火灾发展情况图 为不同起火源功率下的宿舍内温度时间曲线其中 图起火源功率为 图起火源功率为 进行房间轰燃实验.由图可知当起火源功率为 时 时宿舍内发生轰燃当起火源功率为 时 时宿舍内发生轰燃.图 宿舍内温度时间曲线(.)当起火源功率为 时从着火源起火到为火灾初起阶段在这阶段里宿舍内积累了大量的可燃气体.后火苗从起火点开始蔓延到其他可燃物火灾从初起阶段开始向全室性燃烧阶段过渡.时宿舍内发生轰燃标志着全面燃烧阶段的开始此时火烟开始通过门口向走廊蔓延.时火舌已经烧到了阳台.随着燃烧的加剧火焰主要集中向低处和宿舍两边流窜这是因为热烟气不断上升使上部空气中 含量急剧下降而在走廊和阳台两边周围的新鲜空气不断流入.时火灾进入了熄灭阶段此时室内温度已下降至最高温度的.火灾发展到 时室内只剩下一些零星的火苗.走廊宽度对烟气运动的影响从前面对四川省几所高校的统计数据可以看出 宿 舍 走 廊 的 宽 度 集 中 在.、.和.这里将分析三种不同走廊宽度在同一时间点(此处定义)、相同外界条件下对火灾烟气运动规律的影响.宽度对火灾烟气温度的影响图 给出了同一时间点(此处定义)火灾烟气温度在不同走廊宽度(从左到右依次为.的走廊、.的走廊和.的走廊)的变化和分布曲线.第 卷第 期四川职业技术学院学报 年.由图 可知火灾烟气具有很高的温度在着火房间对应走廊处火灾烟气温度最高当走廊宽度为.时达到了 当走廊宽度为.时达到了 当走廊宽度为.时达到了 .沿着走廊远离着火房间的方向烟气温度在不断下降但在走道两端出现了升温的现象.三种情况下火灾烟气温度都高于人员呼吸处的疏散条件温度().图 不同走廊宽度温度变化及分布图.宽度对火灾烟气能见度的影响图 给出了同一时间点(此处定义)火灾烟气能见度在不同走廊宽度(从左到右依次为.的走廊、.的走廊和.的走廊)的变化和分布曲线.图 不同走廊宽度能见度变化及分布图烟气的减光性能够降低能见度使疏散速度下降.通常情况下人们在小空间能忍受的极限能见度为.由图 可知在走廊上高度越高能见度越低在.高度处三种情况的能见度都在 左右.三种情况下人们视线处的能见度都低于疏散条件.宽度对火灾烟气中 浓度的影响图 给出了同一时间点(此处定义)火灾烟气中 浓度在不同走廊宽度(从左到右依次为.的走廊、.的走廊和.的走廊)的变化和分布曲线.图 不同走廊宽度 浓度变化及分布图张宇金高校宿舍走廊宽度对火灾烟气流动性影响的数值模拟 是所有火灾烟气中最主要的致死性气体也是唯一被证实造成火灾中大量死亡的气体.当环境中 含量达到或高于(./)时人体必须进行疏散.由图可知在着火房间附近 浓度最高随着着火房间往走道延伸 浓度有略微上升的迹象这是因为走道末端出现烟气回流的现象走廊宽度为.时 浓度略高于.和.时 浓度.三 种 情 况 下 火 灾 烟 气 中 浓 度 都 低于.宽度对火灾烟气层高的影响图 给出了在 时火灾烟气层高在三个不同走廊宽度的变化和分布曲线.其中方框为.的走廊圆圈为.的走廊三角为.的走廊.烟气层高度过低将影响人员疏散时的能见度从而降低成功疏散的概率.当烟气层高度低于人员呼吸处的高度时还将导致疏散逃生人员吸入大量有毒有害气体.由图可知在着火房间附近烟气层厚度略厚于周围且在走道末端烟气层最厚这是因为烟气在末端回流造成局部烟气层聚集的现象若此时通风条件良好烟气将沿着通风口外溢走道能见度将出现逐步增加的现象.图 不同走廊宽度烟气层高度分布曲线().宽度对火灾烟气中 浓度的影响图 给出了同一时间点(此处定义)火灾烟气中 浓度在不同走廊宽度(从左到右依次为.的走廊、.的走廊和.的走廊)的变化和分布曲线.图 不同走廊宽度 浓度变化及分布图火灾时可燃物质燃烧会消耗大量的 进而产生大量的.当空气中 的体积比达到 时人体会出现呼吸困难等相关症状 因此将作为 的疏散条件若场所中烟气 的体积高于 人们便难于成功疏散逃生.由图 可知在着火房间附近浓度最高在走道末端出现 浓度急剧升高的现象其他段 浓度呈起伏状态.三种情况下火灾烟气中 浓度变化不大且只有高度在.处 的浓度才达到疏散条件.结论通过前面的实验结果分析讨论可以得出:()本文利用 仿真模拟软件对 和 两个不同起火源功率进行对比实验:不同起火源功率下房间达到轰燃的时间不同起火源功率越大房间达到轰燃时间越短.当起火源功率为 时从走廊内烟气温度变化和分布情况来看在火灾发展到轰燃阶段()后人员呼吸处的平均温度早已经高于人体所能承受的极限温度().()从走廊宽度对烟气的影响可以看出三种宽度(.、.和.)的走廊对烟气层高、浓度影响不大在能见度和温度方面走廊越宽能见度越大烟气温度越低后两种相差第 卷第 期四川职业技术学院学报 年.不大在 浓度方面在相同高度处走廊越宽 浓度反而越大.综合这些因素建议在新建宿舍时走廊宽度选取.参考文献:张树平殷霓贾江美.某高校宿舍楼火灾逃生行为反应的调查研究.消防科学与技术():.王海涛.单室火灾的三维场模拟分析.哈尔滨:哈尔滨工业大学:.蒋玲刘筱璐王瑛琪.火灾计算机模拟技术发展现状浅析.消防科学与技术():.刘军刘敏智会强等.火灾模拟基本理论探析与应用技巧.安全():.蒋波.基于数值仿真的地铁火灾应急响应虚拟演习平台的研究.上海:上海交通大学:.张小翠.建筑火灾场模拟中计算区域的影响研究.合肥:中国科学技术大学:.().:.:.():.:.责任编辑:蒋雪张宇金高校宿舍走廊宽度对火灾烟气流动性影响的数值模拟