魏引尚，游成旭，劉 庚，魯昆侖

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

某娛樂(lè)場(chǎng)所火災(zāi)危險(xiǎn)性的判定

魏引尚1,2，游成旭1，劉 庚1，魯昆侖1

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

針對(duì)公共娛樂(lè)場(chǎng)所可燃物較多、人員密集、發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員難以疏散的現(xiàn)象，以襄陽(yáng)市某網(wǎng)吧發(fā)生的“4·14”重大火災(zāi)事故為例，通過(guò)建立CFD模型，對(duì)火災(zāi)條件下場(chǎng)所內(nèi)溫度、CO濃度、煙氣層高度等參數(shù)的變化情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了各參數(shù)達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)的時(shí)間。模擬結(jié)果表明：該場(chǎng)所發(fā)生火災(zāi)后，場(chǎng)所內(nèi)人員未全部安全疏散出去，網(wǎng)吧內(nèi)的環(huán)境已經(jīng)對(duì)人體構(gòu)成嚴(yán)重威脅；通過(guò)對(duì)原場(chǎng)所安全出口進(jìn)行改進(jìn)，模擬并判定改進(jìn)后場(chǎng)所的火災(zāi)危險(xiǎn)性，判定結(jié)果表明符合人員疏散的條件，這對(duì)公共娛樂(lè)場(chǎng)所火災(zāi)危險(xiǎn)性的預(yù)先分析與判定有一定的指導(dǎo)意義。

公共娛樂(lè)場(chǎng)所；火災(zāi)；危險(xiǎn)性判定；安全疏散時(shí)間；數(shù)值模擬

公共娛樂(lè)場(chǎng)所建筑的形式多種多樣，內(nèi)部結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，且場(chǎng)所內(nèi)可燃、易燃物品多，火災(zāi)荷載大；用電設(shè)備多，一般采用多種照明燈具和各種音響設(shè)備，數(shù)量多、功率大，倘若安裝或使用不當(dāng)，很容易引發(fā)火災(zāi)；有些燈具表面溫度很高，若與幕布、布景等可燃物品靠近極易引起火災(zāi)[1]。公共娛樂(lè)場(chǎng)所的特點(diǎn)是建筑功能復(fù)雜、社會(huì)性強(qiáng)、人員集中，一旦發(fā)生火災(zāi)就會(huì)造成群死群傷的惡性事故，因此對(duì)此類火災(zāi)進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，火災(zāi)中80%的人員是由于煙氣窒息死亡[3-5]。因此，研究公共娛樂(lè)場(chǎng)所火災(zāi)時(shí)CO濃度及其他參數(shù)的分布情況以及隨時(shí)間變化的發(fā)展規(guī)律是非常有必要的。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)娛樂(lè)場(chǎng)所火災(zāi)頻發(fā)的現(xiàn)象進(jìn)行了大量的研究[1-6]，但大多是從定性的角度來(lái)分析，無(wú)法準(zhǔn)確再現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)。

2013年4月14日5時(shí)40分許，襄陽(yáng)市迅馳星空網(wǎng)絡(luò)會(huì)所因電氣線路短路引起電線絕緣層等可燃物發(fā)生緩慢燃燒，煙氣通過(guò)吊頂內(nèi)的孔洞向網(wǎng)吧西側(cè)各房間蔓延,6時(shí)41分許火災(zāi)從包房的西南角突破，引燃其下方的沙發(fā)、布簾等物品，火勢(shì)迅猛，最終造成14人死亡、47人受傷。本文以該網(wǎng)絡(luò)會(huì)所發(fā)生的 “4·14”重大火災(zāi)事故為例，應(yīng)用CFD數(shù)值模擬對(duì)火災(zāi)發(fā)展演化過(guò)程進(jìn)行定量分析，從而實(shí)現(xiàn)以溫度、CO濃度、煙氣層高度等參數(shù)為指標(biāo)來(lái)判定火災(zāi)危險(xiǎn)性的目的。

1 模型及邊界條件

1.1 數(shù)學(xué)模型

將火源簡(jiǎn)化為一個(gè)熱源，不考慮具體的燃燒和熱輻射過(guò)程，采用Reynolds時(shí)均Navier-Stokes方程可求解娛樂(lè)場(chǎng)所火災(zāi)湍流問(wèn)題[7]。該問(wèn)題遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒和組分質(zhì)量守恒控制方程，可統(tǒng)一寫成如下通用形式[8]:

(1)

式中：φ為通用變量,可以代表速度、溫度等求解變量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項(xiàng)；ρ為密度(kg/m3)；t為時(shí)間(s)；u為速度矢量(m/s)。

1.2 物理模型

根據(jù)襄陽(yáng)市消防支隊(duì)提供的該網(wǎng)吧火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)圖，并參照迅馳星空網(wǎng)絡(luò)會(huì)所實(shí)際情況建立物理模型：設(shè)定空間尺寸為25m×16m×3.5m，坐標(biāo)原點(diǎn)見(jiàn)圖1；門位于建筑北側(cè)，尺寸為1.8m×2m，坐標(biāo)為(4.8,1,0.2)；建筑東西側(cè)各設(shè)置3扇窗，其尺寸均為1.6m×1m，下沿1m，墻壁厚0.4m，西側(cè)窗戶由北向南坐標(biāo)分別為(0.2,1.8,4.4)、(0.2,1.8,8)、(0.2,1.8,11.6)，東側(cè)窗戶由北向南坐標(biāo)分別為(24.8,1.8,4.4)、(24.8,1.8,8.8)、(24.8,1.8,11.6)，西側(cè)的三扇窗與門為空氣入口，東側(cè)的三扇窗為空氣出口。建立的物理模型如圖1所示。

1.3 邊界條件

模型火源設(shè)在會(huì)所西南角(見(jiàn)圖1)，其尺寸為1m×1m×0.8m，中心點(diǎn)坐標(biāo)為(4.5,0.4,15.1)，放熱量為500kW[9]。模擬中設(shè)定內(nèi)、外部初始溫度均為17℃ ，外部壓力為101 325Pa，入口風(fēng)速為1m/s；考慮浮力的影響，重力加速度g為-9.81m/s2，作用方向與y軸正方向相反。湍流模型采用的是標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，輻射模型采用DO模型，數(shù)值計(jì)算在直角坐標(biāo)系中進(jìn)行，網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格[10]，最小網(wǎng)格尺寸為1.06×10-4m3，最大網(wǎng)格尺寸為2.34×10-3m3，網(wǎng)格總數(shù)為1 534 388個(gè)。

2 火災(zāi)危險(xiǎn)狀態(tài)的判定標(biāo)準(zhǔn)

建筑物發(fā)生火災(zāi)后，如果建筑內(nèi)所有的人員在火災(zāi)煙氣未達(dá)到對(duì)人體生命構(gòu)成威脅之前都能安全疏散出建筑物，那么該建筑物的防火設(shè)計(jì)就是安全的。而人員能否安全疏散，取決于可用安全疏散時(shí)間(ASET)與所需安全疏散時(shí)間(REST)的關(guān)系。其中，ASET是火災(zāi)發(fā)展到對(duì)人體構(gòu)成危險(xiǎn)所需的時(shí)間；REST為處于危險(xiǎn)區(qū)域的人員全部迅速安全撤離并抵達(dá)安全區(qū)域所需的時(shí)間。當(dāng)tASET>tREST時(shí)，該建筑物防火設(shè)計(jì)是安全的；反之就認(rèn)為是危險(xiǎn)的。 火災(zāi)危險(xiǎn)狀態(tài)是指發(fā)生火災(zāi)時(shí)火災(zāi)環(huán)境對(duì)建筑物內(nèi)人員造成嚴(yán)重傷害的狀態(tài)，一般用煙氣溫度、煙氣中有毒氣體的濃度以及煙氣層高度來(lái)表示[9]。

2.1 煙氣溫度

考慮煙氣溫度時(shí)，需要結(jié)合煙氣層高度綜合考慮。當(dāng)煙氣層高于人眼的特征高度(一般取1.2～1.8m)，上部煙氣層的溫度高于180℃時(shí)，認(rèn)為達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)；當(dāng)煙氣層低于人眼特征高度，煙氣的溫度達(dá)到110～120℃時(shí)，認(rèn)為達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)[11]。設(shè)煙氣溫度達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)的時(shí)間為t1。

2.2 有毒氣體的濃度

在煙氣層高度下降到人體呼吸的高度時(shí)(一般取1.5m)，可根據(jù)某種有害燃燒物的濃度是否達(dá)到臨界濃度來(lái)判斷其危險(xiǎn)狀態(tài)。當(dāng)CO濃度達(dá)到0.3%時(shí)，就可以對(duì)人體構(gòu)成危險(xiǎn)[11]。設(shè)有毒氣體的濃度達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)的時(shí)間為t2。

2.3 煙氣層高度

煙氣層高度達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)的確定方法是以煙氣層距地面的高度S滿足下面關(guān)系式時(shí)，認(rèn)為達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)[12]。設(shè)煙氣層高度達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)的時(shí)間為t3。

S=1.6+0.1H

(2)

式中：S為煙氣層距地面的高度(m)；H為樓板距地面的高度(m)。

火災(zāi)條件下，將上述三種危險(xiǎn)條件中最先達(dá)到危險(xiǎn)臨界狀態(tài)的時(shí)刻作為判定依據(jù)，設(shè)火災(zāi)對(duì)人體構(gòu)成威脅的時(shí)間為t0，則有

t0=min[t1，t2，t3]

(3)

3 模擬結(jié)果分析與火災(zāi)危險(xiǎn)性判定

3.1 模擬結(jié)果分析

該場(chǎng)所火災(zāi)發(fā)生397.5s時(shí)上部煙氣層溫度分布如圖2所示(y=1.8m截面處)，可見(jiàn)圖中大部分區(qū)域煙氣層溫度都超過(guò)了180℃，達(dá)到了危險(xiǎn)狀態(tài)，即t1=397.5s。圖3為y=1.8m截面處不同坐標(biāo)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線。

該場(chǎng)所火災(zāi)發(fā)生336.2s時(shí)上部煙氣層CO濃度分布如圖4所示(y=1.5m截面處)，可見(jiàn)圖中大部分區(qū)域CO濃度都超過(guò)了0.3%，達(dá)到了危險(xiǎn)狀態(tài)，即t2=336.2s。圖5為y=1.5m截面處不同坐標(biāo)點(diǎn)CO濃度隨時(shí)間的變化曲線。

該場(chǎng)所煙氣層距地面的高度S=1.6+0.1×3.5=1.95m，根據(jù)溫度、CO濃度可以得到煙氣層高度隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖6，可見(jiàn)煙氣層高度達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)的時(shí)間t3=147.4s。

該場(chǎng)所內(nèi)人員可用的安全疏散時(shí)間tASET=t0-ta=147.4-10=137.4s，ta為場(chǎng)所內(nèi)人員覺(jué)察到火災(zāi)的時(shí)間，一般取ta=10s。

3.2 火災(zāi)危險(xiǎn)性判定

本文利用Steps軟件對(duì)該場(chǎng)所內(nèi)300人進(jìn)行疏散模擬，疏散模擬人員簡(jiǎn)化為成年男性和成年女性，各參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1[13-14]。

表1 疏散模擬人員參數(shù)設(shè)置

通過(guò)模擬得出該場(chǎng)所內(nèi)人員所需安全疏散時(shí)間tREST=192.8s，顯然tASET(137.4s)

4 改進(jìn)方案及檢驗(yàn)

4.1 改進(jìn)方案

通過(guò)對(duì)原場(chǎng)所火災(zāi)條件下的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)火災(zāi)發(fā)生后，該場(chǎng)所內(nèi)人員未全部安全疏散出去，網(wǎng)吧內(nèi)的環(huán)境已經(jīng)對(duì)人體構(gòu)成嚴(yán)重威脅，其主要原因是由于場(chǎng)所空間大、人員密集、安全出口狹窄、疏散距離過(guò)長(zhǎng)，造成人員不能及時(shí)地疏散到安全區(qū)域。因此，需對(duì)原場(chǎng)所內(nèi)的通道進(jìn)行改進(jìn)。具體改進(jìn)方案是在原場(chǎng)景的基礎(chǔ)上增加一個(gè)安全出口，該出口位于建筑南側(cè)，其尺寸為1.5m×2m，坐標(biāo)為(20.2,1,0.2)[15]，如圖7所示。通過(guò)對(duì)原場(chǎng)景改進(jìn)后，火災(zāi)條件下場(chǎng)所內(nèi)人員均能自主選擇最優(yōu)疏散路線。

4.2 改進(jìn)后的模擬結(jié)果分析與危險(xiǎn)性判定

5 結(jié) 論

(1) 針對(duì)娛樂(lè)場(chǎng)所此類建筑火災(zāi)，可應(yīng)用CFD數(shù)值模擬技術(shù)來(lái)模擬火災(zāi)條件下溫度、CO濃度、煙氣層高度等參數(shù)的分布情況，并運(yùn)用模擬結(jié)果來(lái)判定建筑火災(zāi)危險(xiǎn)性。若不符合安全疏散的標(biāo)準(zhǔn)，則可通過(guò)改善建筑物出口的設(shè)計(jì)或優(yōu)化防火設(shè)計(jì)來(lái)縮短人員所需安全疏散時(shí)間。在對(duì)原場(chǎng)景進(jìn)行改進(jìn)后，需重新進(jìn)行模擬，以確?；馂?zāi)條件下場(chǎng)所內(nèi)人員都能安全疏散；若tASETtREST為止。

(2) 原場(chǎng)景中，火災(zāi)發(fā)生后397.5s時(shí)上部煙氣層溫度超過(guò)了180℃，336.2s時(shí)上部煙氣層CO濃度超過(guò)了0.3%，147.4s時(shí)煙氣層高度下降到1.95m，均超出了人體所能承受的極限，而人員在這段時(shí)間內(nèi)不能安全疏散到安全區(qū)域，分析原因主要是網(wǎng)吧安全出口狹小。

(3) 通過(guò)對(duì)原場(chǎng)景的安全出口進(jìn)行改進(jìn)，模擬并分析了改進(jìn)后的場(chǎng)所火災(zāi)危險(xiǎn)性，判定結(jié)果表明可用安全疏散時(shí)間大于所需安全疏散時(shí)間，符合人員安全疏散的條件。

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[15]GB50016—2006 建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

Judgment of the Fire Risk of a Public Place of Entertainment

WEI Yinshang1,2，YOU Chengxu1，LIU Geng1，LU Kunlun1

(1.SchoolofEnergy,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054，China;2.KeyLaboratoryofWesternMineExploitationandHazardPreventionofMinistryofEducation,Xi’an710054，China)

In view of the difficulty of evaluation when a fire breaks out in crowded public places of entertainment with many flammable materials,this paper takes the “4·14” fire disaster which happened at 5 o'clock on April 14, 2013 in a net barof Xiangyang as the research object to built a CFD model and simulates the fire condition and observes the variation of CO concentration, temperature, smoke layer's height and other parameters in the place, and then finds out the dangerous state time of each parameter.The results show that when the fire occurred, not all the people in the net bar were evacuated safely and the environment of the place posed a grave threat to people.In the paper we improve the emergency exits, and then simulate and judge the new fire risk of it.This reaearch has certain guiding significance in analyzing and judging in advance the fire risk in public places of entertainment.

public places of entertainment;fire;risk judgment;safety evacuation time;numerical simulation

1671-1556(2015)04-0155-05

2014-12-15

2015-06-03

魏引尚(1966—)，男，博士，教授，主要從事礦井通風(fēng)安全性、瓦斯積聚危險(xiǎn)性分析及其綜合治理等方面的研究。E-mail:weiys@xust.edu.cn

X928.7;X

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.027