考虑不同燃烧产物产率的复合功能体育馆烟气蔓延模拟分析_李莹辉.pdf

Public Utilities Design公用工程设计1引言在性能化消防分析中，可用安全疏散时间ASET指火灾从开始发展到威胁人员安全所经历的时间，主要通过火场温度、能见度、CO浓度等指标的阈值来判定1。能见度主要由烟气的浓度、刺激性、物体及背景的亮度等因素决定。在火灾烟气模拟中，影响温度、烟气浓度、CO浓度的主要因素是火灾规模大小以及可燃物的烟气产率ys、CO产率yco2。在消防性能化分析中，火灾规模的大小（热释放速率）一般有规范依据3-4，而可燃物的烟气产率、CO产率没有规范参考，很大程度上依赖于分析人员的工程背景和主观判断。体育馆的复合化设计是以一种或几种竞技体育设施为主体，集成功能相关、以经营创收为主要目的的多种附属设施，形成能满足除比赛以外的文艺演出、会展、健身、娱乐等多种需要的功能复合体5。当体育馆具有复合功能时，其可燃物的种类就相应增加，不同使用功能下的火荷载也有一定差别。以【基金项目】华东建筑设计研究院有限公司科研基金项目（18-1 类-0129-建）【作者简介】李莹辉（1990），男，河南鲁山人，高级工程师，从事建筑消防和结构分析与研究。考虑不同燃烧产物产率的复合功能体育馆烟气蔓延模拟分析Simulation of Fire Smoke Flow in a Multi-Functional GymnasiumConsidering Different Combustion Product Yields李莹辉1，潘海迅2，崔家春1（1.华东建筑设计研究院有限公司，上海 200002;2.上海建筑设计研究院有限公司，上海 200041）LI Ying-hui1,PAN Hai-xun2,CUI Jia-chun1(1.East China Architectural Design&Research Institute Co.Ltd.,Shanghai 200002,China;2.Shanghai Institute of Architectural Design and Research,Shanghai 200041,China)【摘要】采用数值模拟方法，对某复合功能体育馆不同火灾场景下可燃物不同时的烟气蔓延进行了分析，研究了烟气蔓延对可用安全疏散时间 ASET 的影响，同时研究了不同可燃物的烟气产率、CO 产率对烟气蔓延的影响规律。研究表明：可燃物的烟气产率和CO 产率分别对能见度和 CO 浓度的影响较大，大空间体育馆的 ASET 主要取决于能见度的值。消防性能化分析时针对不同可燃物类型宜采用相应的燃烧产物产率，当对火灾可燃物的燃烧特性不明确时，建议烟气产率的取值不宜小于 0.09。【A b s t r a c t】Numerical simulation was used to analyze the smoke flow and available safe egress time(ASET)in different fire scenarios of amulti-functional gymnasium.Meanwhile the influence of the soot yields and CO yields of different combustible materials on the smoke flowwerealsostudied.TheresearchshowsthatthesootyieldsandtheCOyieldsofcombustiblematerialshaveagreatimpactonthevisibilityandtheCO concentration respectively,and the ASET in the large space gymnasium mainly depends on the value of the visibility.In the performancebasedfire smoke analysis,the reasonable combustion product yieldsshould be used for different combustible materials.When the combustioncharacteristicsofcombustiblematerialsarenotclear,itissuggestedthatthevalueofsootyieldsshouldnotbelessthan0.09.【关键词】烟气模拟；复合功能体育馆；烟气产率；CO 产率；可用安全疏散时间【K e y w o r d s】smokeflowsimulation;multi-functionalgymnasium;sootyields;COyields;ASET【中图分类号】TU245.2；TU892【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）03-0063-05【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.03.01863Construction&DesignForProject工程建设与设计某复合功能体育馆为例，在FDS的烟气蔓延模拟计算中考虑了不同使用功能下的火灾规模、燃烧产物产率的不同，并通过定量分析可燃物的烟气产率、CO产率对ASET的影响。为提高消防性能化分析的可靠性及复合型体育馆的烟气蔓延分析提供参考。2火灾场景设计2.1火灾位置与规模以某复合功能体育馆为研究对象，该体育馆平面尺寸108 m126 m，主场馆空间高度23.4 m。综合分析复合功能体育馆的布局特点和其内可燃物品的类型及堆放场所，本文主要确定了3个火源点，即比赛场地中心、演唱会时的舞台、三层看台区，位置如图1中的A、B、C所示。参考DG J08-882021建筑防烟排烟系统设计标准3中关于室内净高大于8 m的公共场所火灾规模的规定，设定比赛场地火源A的火灾热释放速率为8 MW。参考DG J08-882021建筑防烟排烟系统设计标准中关于商店、展览的火灾规模的规定，设定舞台火源B的火灾热释放速率为10 MW。参 考NFPA92B Standard for Smoke Management Syste ms inMalls,Atria,and Large Spaces中座椅的火灾测试数据，看台火源C火灾规模取3MW，相当于18把座椅同时燃烧。假设火灾增长模型均为t2火灾，考虑舞台的可燃物包括幕布、轻质道具、灯光设备等易燃物且分布较连续、集中，保守的将舞台火灾设计为超快速火，火灾增长因子为0.178，比赛场地和看台的火灾设计为快速火，火灾增长因子为0.0443。基于该体育场的防排烟设计，场馆上方均匀分布8个机械排烟口，总排烟量为360 000 m3/h。2.2可燃物的燃烧产物产率The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering（3rdedition）6提供了若干材料在通风良好时的CO产率yco和烟气产率ys如表1所示。体育馆为大空间，可燃物燃烧时氧气充足，可参考通风良好时的燃烧产物产率。楼书含7提到篮球场表面材料为丙烯酸聚合物，而有些篮球场可能采用木地板，因此，比赛场地可燃物燃烧产率参考丙烯酸塑料和松木的yco和ys，偏保守的分别取0.01和0.022。舞台的可燃物燃烧产率参考丙纶、涤纶、尼龙和硅胶的yco和ys，偏保守的分别取0.038和0.091。体育场普通看台的硬质塑料座椅一般由聚乙烯或聚氯乙烯7吹塑而成，看台火源可燃物燃烧产率参考聚乙烯和聚图 1火源点位置a比赛模式b演出模式ACB64Public Utilities Design公用工程设计氯乙烯的yco和ys，偏保守的分别取0.063和0.172。表 1常见材料燃烧产物产率g/g材料CO 产率 yco烟气产率 ys松木丙烯酸塑料聚乙烯聚氯乙烯涤纶尼龙0.0050.0100.0240.0630.0200.0290.0380.0150.0220.0600.1720.0890.0910.0753分析结果3.1 可用安全疏散时间 A SET根据烟气扩散和沉降过程，观众看台离地面位置越高的地方越易受到烟气的影响，因此，最高看台位置的观众的火灾危险性最高，但在紧急疏散时观众并不会在最高看台处逗留很久，反而在疏散口位置会聚集有较多观众排队等待离开。因此，以各疏散口2 m高度处的烟气温度、能见度和CO浓度是否到达阈值来确定各区域观众的可用安全疏散时间ASET，温度、能见度和CO浓度的阈值分别取为60、10 m和500 mg/L。3.1.1比赛场地火灾在整个模拟时间内，三层看台疏散口的温度和CO浓度均未超过相应阈值。三层看台6个疏散口2 m高度处的能见度随时间发展如图2所示。6个疏散口的能见度在669762 s相继达到阈值，两边疏散口的能见度降低速率比中间疏散口更快，保守考虑，三层疏散口的ASET为669 s。二层和底层疏散口比三层疏散口位置低，温度和CO浓度更低，不影响观众疏散。二层疏散口的能见度最早在958 s时降低到10 m，底层疏散口的能见度在整个模拟时间内均未降低到10 m。基于能见度的分析结果，二层和底层疏散口的ASET分别为958 s和大于1 200 s。图 2比赛场地火灾下三层看台疏散口能见度变化曲线3.1.2舞台火灾在整个模拟时间内，三层看台疏散口的温度和CO浓度仍未超过相应阈值。三层看台6个疏散口2 m高度处能见度随时间发展如图3所示。6个疏散口的能见度在181230 s相继达到阈值，与比赛场地火灾一样，两边疏散口的能见度降低速率比中间疏散口更快，保守考虑，三层疏散口的ASET为181 s。二层和底层疏散口比三层疏散口位置低，温度和CO浓度更低，不影响观众疏散。二层疏散口的能见度最早在364 s时降低到10 m，底层疏散口的能见度在819 s时降低到10 m。基于能见度的分析结果，二层和底层疏散口的ASET分别为364 s和819 s。图 3舞台火灾下三层看台疏散口能见度变化曲线3.1.3看台火灾虽然该火灾下燃烧产物的CO产率和烟气产率较大，但火源功率相对较低，在整个模拟时间内，温度、能见度和CO浓度均未超过相应阈值，该火灾工况下各层疏散口的ASET均大于1 200 s。3.2燃烧产物产率的影响为研究不同燃烧产物产率对可用安全疏散时间ASET的影响，参考表1中所列常见材料燃烧产物的产率，假设演出舞台 火 灾 的 可 燃 物 烟 气 产 率ys分 别 为0.015 g/g、0.022 g/g、0.060 g/g、0.091 g/g和0.172 g/g，CO产率yco分别为0.005 g/g、0.01 g/g、0.024 g/g、0.038 g/g、0.063 g/g，分别计算各工况下的烟气蔓延及可用安全疏散时间。燃烧产物产率取值不同时，舞台火灾下各层最不利疏散口的烟气能见度和CO浓度随时间变化如图4图6所示。可以看出，烟气产率ys取值不同对各层疏散口能见度计算结果的影响均较大，且ys越大，能见度的下降速率越大，能见度下降到阈值的时间也越早。CO产率yco取值不同对各层疏散口CO浓度计算结果的影响均较大，且yco越大，CO65Construction&DesignForProject工程建设与设计浓度的增长速率越大。针对本文所研究的复合功能体育馆，CO浓度均未达到阈值，因此，yco不影响本体育馆的可用安全疏散时间。时间/s能见度/ma能见度变化曲线时间/sCO 浓度/（mg/L）bCO浓度变化曲线图 4三层疏散口能见度、CO浓度的变化曲线时间/s能见度/ma能见度变化曲线时间/sCO 浓度/（mg/L）bCO浓度变化曲线图 5二层疏散口能见度、CO浓度的变化曲线时间/s能见度/ma能见度变化曲线时间/sCO 浓度/（mg/L）bCO浓度变化曲线图 6一层疏散口能见度、CO浓度的变化曲线三层疏散口分别在600 s、800 s、1 000 s和1 200 s时的烟气能见度和CO浓度随燃烧产物产率的变化如图7所示，不同时刻的烟气能见度均随ys的增加而降低，能见度降低的幅度在ys值较低时更为明显。不同时刻CO浓度均随yco的增加而增加，且CO浓度增加的幅度在yco值较大时更为明显。能见度/mysa能见度变化曲线ycoCO 浓度/（mg/L）bCO浓度变化曲线图 7燃烧产物产率对能见度、CO浓度的影响66Public Utilities Design公用工程设计【收稿日期】2022-08-22各层疏散口可用安全疏散时间ASET随烟气产率ys的变化如图8所示，当ys从0.015 g/g增加至0.172 g/g时，三层疏散口的ASET从699 s减少至174 s，二层疏散口的ASET从1 096 s减少至360 s，首层疏散口的ASET从大于1 200 s减少至805 s。各层疏散口的ASET随ys增加而减小的幅度随着ys的增加而降低。而当ys从0.091 g/g增加至0.172 g/g时，各层疏散口的ASET仅减小了不到10 s。图 8各层疏散口的 A SET4结论通过对某复合功能体育馆不同火灾工况下的FDS烟气蔓延模拟，考虑了不同燃烧产物的产率对烟气蔓延的影响，通过参数分析得到了不同火灾工况及不同燃烧产物下的可用安全疏散时间。结论如下：1）对于大空间的复合功能体育馆建筑，不同火灾工况下，在整个烟气模拟过程中烟气温度和CO浓度均未超过阈值，因此，对于疏散安全影响不大，而烟气能见度是决定可用安全疏散时间的主要因素。2）对于本文研究的复合功能体育馆，舞台火灾引起的烟气蔓延对人员疏散的影响最大，三层、二层和首层疏散口的可用安全疏散时间ASET分别为181 s、364 s和819 s；比赛场地火灾时三层、二层和首层疏散口的ASET分别为669 s、958 s和大于1 200 s；看台火灾时各层疏散口的ASET均大于1 200 s。3）可燃物的燃烧产物产率对烟气蔓延模拟结果有较大影响。烟气能见度均随烟气产率ys的增加而降低，能见度降低的幅度在ys值较低时更为明显。CO浓度均随CO产率yco的增加而增加，且CO浓度增加的幅度在yco值较大时更为明显。各层疏散口可用安全时间ASET随ys的增加而减小，幅度随着ys的增加而降低。4）对于大空间的复合功能体育馆，烟气产率ys对可用安全疏散时间ASET的影响较大，消防性能化分析时建议针对不同可燃物类型设置不同的燃烧产物产率，当对火灾可燃物的燃烧特性不明确时，建议ys保守的取不小于0.09的值。【参考文献】1霍然,袁宏永.性能化建筑防火分析与设计M.合肥:安徽科学技术出版社,2003.2NRC and EPRI.Verification and Validation of Selected Fire Models forNuclearPowerPlantApplications:NUREG-1824andEPRI3002002182R.PaloAlto,CA,2015.3上海市住房和城乡建设管理委员会.建筑防排烟系统设计标准:DGJ08-882021S.上海:同济大学出版社,2021.4NFPA.StandardforSmokeManagementSystemsinMalls,Atria,andLargeSpaces:NFPA92BS.USA:NationalFireProtectionAssociation,2009.5潘海迅,孙宇,刘勇.体育馆创作的复合化倾向:克拉玛依市体育馆方案解析J.城市建筑,2007(11):62-64.6SFPE.TheSFPEHandbookofFireProtectionEngineeringM.3rdedition.NewYork:NationalFireSafeProtectionAssociation,2002.7楼书含.基于Fluent的体育馆建筑火灾烟气流动与控制研究D.长沙:中南大学,2011.67